Abbau von chlorierten aromaten: Mikrobiologischer abbau der Polychlorierten biphenyle (PCB)

Chemosphere No. 7, PP 419 - 423, 1977.

ABBAU

VON

MIKROBIOLOGISCHER

II.

Pergamon Press.

CHLORIERTEN

ABBAU

DER

BIPHENYLOLE

H.

J.

Abteilung Universit~t

AROMATEN:

POLYCHLORIERTEN

ALS

Neu

Prin~ed in Great Bri%ain.

METABOLITE

- K.

DER

D

PCB

7900

Ulm,

Chemle Deutschland

(Received in Gelnm~r~ 1 June 1977; received in UK for public,ion Beim dar

Abbau

1,2.

tierDie

von

Beim

wie

Abbau

auch

Existenz

Biphenyl

phenolischer in

gleich

mit

tierte

Literatur).

den

der

sind

die sind

Metaboliten

meisten

synthetisch

Vielzahl

phenylen

von

stellt

Hydroxylierung phenolische

im M i k r o o r g a n i s m e n - M e t a b o l i s m u s

de b e s c h r i e b e n ~

der

Aromaten

Die

insgesamt

die

Anwendbarkeit

dreiundsiebzig

Prim~rschritte s o w o h l im S ~ u g e 2,3,4,5,6

worden

Identifizierung

dieser allein

Mono-

der

Polychlor-bipheny1-Isomeren

erfolgte

Strukturisomeren;

21 June 19~7)

Metaboliten

Hydroxy-chlorbiphenylen

begrenzte

m6glichen

einen

nachgewiesen

einzelner

F~llen

erhaltenen

(PCB)

Ballschmiter

fur Analytische Ulm,

BIPHENYLE

und

(siehe

Methode

yon

den

durch die

ergibt

drei

in

wurVer-

7 zi-

sich

aus

Monochlorbi-

Dihydroxy-chlorbiphenyle

m6g-

lich.

Zur

Kl~rung

Isomeren

der

gen~gt

es

im B i p h e n y l g e r ~ s t Metabolismus

sind

F~r setzung

die mit

der nach

ermitteln.

PCB-Isomeren

Mono-

kommerziell

nach

zun~chst, zu

aller

strukturisomere

Frage

und

ist

oder

der

oder

Dechlorierung

Die

Zahl

der

reduziert

leicht

zu

Persistenz

die

zu

sich

Dihydroxy-biphenyle.

erh~itlich

Dechlorierung

Abbaubarkeit

Stellung

Die

I 9,10

der

Vorzug

419

dieser

auf

des

f~nfzehn

Verbindungen

synthetisieren.

Einfachheit

zu geben.

Produkte

haupts~chlich

meisten

PCB-

Hydroxylgruppen

identifizierenden damit

der

Durchf~hrung

Natriumaluminium-bis-(2-methoxy~thoxo)-dihydrid

H2/Raney_Nicke

bestimmter der

F~r

wegen 8

niederchlorierte

einer

gegen~ber PCB

Um-

der

(mono-

mit

bis

420

No. 7

tetra-)

gen~gen

f~r

h6her

die

einem

abgeschlossenen

Da

beim

setzt sehr se

Zimmertemperatur chlorierten

werden

und

und

die

bleibt,

Identifizierung

Detektor

Normaldruck

die

PCB

die

der

bestimmt

tor

Genauigkeit

wobei

Schon

Schiebelehre

bei

kann

quantitativen bis

werden,

durch

nicht bietet

nachweisbare

manueller

die

geringe

instrumentellen

Vergleich

die

der

nur

Biphenylole

chromatographischen

ist.

einen

Temperaturen

Prim~rmetabolite

erhaltenen

M6glichkeiten,

begrenzt

von

Mikroorganismen

konventionellen

der

mit Hilfe einer + - 0,5 Einheiten

f~r

Anwendung

durch

Konzentration sind

durch

neue

und ist

Umsatz,

160°C

in

notwendig.

der

Strukturbestimmung

matographie ten

Gef~B

Metabolismus

gering

PCB

Auswertung

elektronische

Abbau der

Analy-

anwendbar.

F~r

die

die

Kapillar-Gaschro-

durch

der

mit

weiteren

umge-

Methoden

Menge

Retentionsindex

Mengen

verwende-

Retentionszeiten

einer

Auswertung

den

Genauigkeit

mit

einem

von

Integra-

+ ergibt

leistung

eine

kommt

daher

dem

tifizierungssicherheit phenyldiole notwendig der

mit

der

nlcht

Die

guter

der

Ann~herung

Systems

die

ab.

dab

kann

Wochen" mit

sich

Bei

den

freien

der

liegenden

nach

unseren

ein

berechnen,

stark ist

mit

hohes

was

einschr~nken auch

auf

MaB

an

Trenn Iden-

einiger die

kann.

die

hoher

Zahl Die

Bider

Methode

Biphenylol-methyl-

anwendbar.

an und

Phenolen

Kapillare

lange

sich

alle bei

~ber

einen von

dutch

vonder

des eine

Abhangigkeit

chromatoRestad-

des

Reten-

reproduzierbaren einer

konditioniert

Retentionsindices

h~ngt

Adsorptivit~t

geringe f~r

ausreichend Temperatur

Glaskapillaren

der zeigt

eine

Voraussetzung

Erfahrungen

der

Kapillaren

Retentionsindices

Inkrementen

Verbindung

Kapillars~ule

Abweichungen

die

Retentlonsindices

Substanzmenge.

die

Arbeitstemperatur

dingungen

der

Bei

Retentionsindices

Biphenylol-acetate

Untergrundes

vonder

ist,

aus

chromatographierten

des

sungen

der lassen

Vergleichssubstanzen

auf

sorptivit~t tionsindex

Einheiten.

Retentionsindex-lnkremente

aber

graphischen

der

Zudem

Reproduzierbarkeit

Polarit~t

0,25

Vergleich

zu.

verf~gbaren

Addition

ather,

von-

wesentlich

wurde.

Unter

MesQber

diesen

Be-

Zeitraum von vier bis sechs + - 0,25 Einheiten gerechnet

werden.

Am

Beispiel

des

Metabolismus

(Kulturbedingungen liten

aufgezeigt

nach

w~ssrige die

als

werden.

soll

die

Abtrennen (ca

der 200

ml)

wird

am

verwendeten

Danach

pH

wird

wird 0,5

Identifizierung

Neutralstoff-Fraktionen

Grundn~hrmedium

(ca

dutch

Bodenmikroorganismen

phenolischer

PCB-Metabo-

Teil

L6sung

Toluolphase lauge

Ii)

4-Chlorbiphenyl

werdsn.

Experimenteller Die

siehe

yon

ml)

auf

~ber und

1 gebracht

Natriumsulfat Acetanhydrid

12

verblsibende

Rotationsverdampfer

so

Mineralsalze

noch

und

mit

getrocknet, (ca 0 , 5

ml)

gerade

Toluol mit

(ca

in

10 ml)

5%iger

versetzt

weit

und

alkalische eingeengt, L~sung

extrahiert.

methanolischer eine

halbe

dab

gehalten Die Natron

Stunde

421

No. 7

anter

R~hren

einer

deutlichen

Nach

Zugabe

Phase

auf

von

60°C

erw~rmt.

Wasser

Die

verbleiben

Retentionsindices

werden

tare

verglichen.

Danach

bestimmt

wird

mit

~thoxo)-dihydrid senen

Gef~

der

und

Zugabe

einer

Ausbeute

der

die

Spatelspitze Acylierung

Karbons~uren

einer

(ca 0 , 5

auf

150°C

Verunreinigungen und

Biphenylole

dukte

Zinkpulver

von

in d e r

ca

60%

f~hrt

auf

alkalischen

zu

95%.

w~ssrigen

Nach

alkalischen

mit

wenig

werden

mit

L6sung

Zugabe

mehrmals Toluol

bestimmt

von

versetzt

w~ssrigen

von

mit

Hexan

mit

eine

die

Stunde

in

verbleiben

zur

einem die

Entfernung

extrahiert Die

denen

Chlor-biphenylol-Ace-

Natriumaluminium-bis-(2-Methoxy-

Wasser

Phase,

Chlorbiphenylol-Ace-

bekannter

und

extrahiert.

und

befindlichen

denen

wird.

gebildeten

von

Neutral-

Danach

Retentionsindices

entsprechender

verschlos-

wird

der

auf

gebilde-

synthetischer

Pro-

verglichen.

Die weder

(Merck)

erhitzt.

stoffen

1 gebracht

Toluolphase

benzolischen ml)

in

und

der

in der

gegebenenfalls

Biphenylole

ten

der

(S~ure-Fraktion) .

tare

pH

Die

Verbesserung

Biphenylole durch

gleich

der

Retentionsindices

identifiziert

Ger~te

und

(eigene

Carlo

Integrator mit

Chromatographie

bei

Erba

2300

Spectra

programmierbarem freier

Herstellung)

Trennzahl

mit

denen

der

entsprechenden

und

ent-

durch

Ver-

Vergleichssubstanzen

Hilfsmittel

mit

Auswertung

erneut,

werden.

Gaschromatograph messung

k 6 n n e n zur w e i t e r e n A b s i c h e r u n g d e s E r g e b n i s s e s 13 14 oder durch Methylierung derivatlsiert

Acylierung

80°C

AC

Physics

sauer

Eingangssplitter Autolab

Taschenrechner

Biphenylole

bezogen

mit

auf

Untergrund,

Undecan/Dodecan

TZ

FID,

Retentionszeit-

I.

Hewlett

Packard

D~nnfilm-Glaskapillare

vorbehandelter auf

System

und

25. 40 m,

station~re

= 45,

Tr~gergas

i.d.

Phase

0,30

SE

mm,

30,

Stickstoff

2 ml/min. Gaschromatographie

yon

film-Glaskapillare OV

101,

Trennzahl

Biphenylol-acetaten

27 m, bei

i.D.

70°C

und

Biphenyl-methyl~thern

0,28

mm,

(eigene

bezogen

auf

Dodecan/Tridecan

Herstellung), TZ

auf

station~re = 41,

DflnnPhase

Tr~gergas

Helium

2 ml/min. GC-MS-Kombination: chromatograph

film-Glaskapillare 52,

Trennzahl

Massenspektrometer

Carlo

bei

Erba

2300

AC mat

32 m,

i.D.

0,30

80°C

bezogen

auf

mm

Vacuum

Generators

Eingangssplitter. (eigene

Micromass Direkt

Herstellung)

Undecan/Dodecan

TZ

= 40.

16 F m i t

gekoppelte

station~re

Gas-

D~nn-

Phase

SE

422

No. 7

Er~ebnisse Die

Ergebnisse

kultur gen

von

sind

Tabelle

in I

eines

Versuches

Bodenbakterien Teil

III

dieser

I

4-Chlor-biphenyl

eine

Misch-

Kulturbedingun-

beschrieben. Metaboliten und derivatisierten Metaboliten und entsprechenden Vergleichssubstanzen

IV

V

VI

1496.8

1496.4

1494.3

---

1488.5

1488.O

---

III

VII

---

1660.0

1661.0

1726.2

---

1590.6

1591.1

1666.4

1665.7

1743.4

---

1608.3

1607.7

2,2'-Di-OH-bp

1621.4

1752.1

---

1643.3

---

VIII

. . . . . .

2,3'-Di-OH-bp*1780*

. . . . . . . . .

2,4'-Di-OH-bp*1786*

. . . . . . . . .

1739"

. . . . . .

2,3-Di-OH-bp

1678.2

---

1866.3

---

1651.7

. . . . . .

2,5-Di-OH-bp

1778.8

---

1575.O

---

1739.2

. . . . . .

3,3'-Di-OH-bp

1949.9

---

2093.0

---

1825.2

. . . . . .

1841"

. . . . . .

3,4'-Di-OH-bp*1948*

. . . . . . . . .

1721"

1711.4

---

3,4-Di-OH-bp

1775.8

---

2034.5

-~-

1792.2

. . . . . .

4,4'-Di-OH-bp

1952.O

---

2133.9

---

1858.0

. . . . . .

3-Ci-4-OH-bp

1696.9

---

1866.7

---

1792.1

. . . . . .

1667"

---

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

1665.4

1769"

---

1767.O

4-Ci-4-OH-bp

1860.6

---

1926.3

1927.O

1789.O

---

1788.4

4-Ci-3-OH-bp

1700.8

---

1854.2

1855.1

1754.4

~--

1755.O

in

der

Tabelle

bedeuten:

I

=

Struktur der -OH, Chlor =

II

=

Retentionsindices auf SE 30

Biphenylole und -Cl, Biphenyl = der

Biphenylole

und

reduzierten

Metabolite

=

Retentionsindices

IV

=

Retentionsindices bei 140°C auf OV

V

=

Retentionslndices

VI

=

Retentionsindices bei 130°C auf OV

der iO1

VII

=

Retentionsindices 130°C auf OV iO1

der

reduzierten

VIII

=

Retentionsindices

der

methylierten

Retentionsindices Anlehnung

an

die

errechnet.

Die

Vergleich

berechneten

der von

mit

mit

der

Chlor-biphenylole bp)

III

thode,

Die

3-OH-bp

Spalten

direktem

dutch

zusammengefaBt.

4-OH-bp

4-Ci-3'-OH-bp*

mit

von

II

4-Ci-2'-OH-bp*

in

Abbau Tabelle

Arbeit

I

Die

in

Retentionsindices von des 4-Chlor-biphenyls

2 -OH-bp

Die

zum

sind

der 101 der

*

Sissons

Acetyl-biphenyle

acylierten

Welti

und

Retentionsindices.

und

bei

bei

160°C

auf

=

160°C

SE

30

Acetyl-chlorbiphenyle

bei

und

140°C

auf

OV

101

Methoxy-chlorbiphenyle

methylierten

Metabolite

be±

Metabolite

130°C

auf

bei

OV

iO1

Verbindungen wurden aus Inkrementen, 15 fQr PCB-Isomeren beschriebenen Me-

Identifizierungs-Toleranz Referenzsubstanzen

Chlor-biphenylole

Metabolite

Methoxy-biphenyle

versehenen und

(Hydroxylgruppen

und

betr~gt ~

2

~

1

Index-Einheit

Index-Einheiten

bei

bei

Vergleich

No. 7

423

Ct

Ct

C!

Ct

OH Abb.

1

Identifizierte

Eine lite

Untersuchung

mit

Hilfe

wesenheit gleich

yon

mit

der

Metabolite an

einer

vier

anhand

Anwesenheit

Vergleichssubstanzen

Metabolite

vor

nach

und

einen

verhindert,

der

nach

mikrobiellem

Abbau

der

methylierten

Metabo-

Probe

aus

das

durch

Reduzierung

raschen

weiteren

erkl~rt

werden.

konnten

Spalte

berechneten und

und

der Das

Abbau,

eine

Entsprechende

Fehlen

von

direkten

in Tab.

Retentionsindices in

I)

Untersuchungen

AnVer-

das

4-

werden.

der

wird L6sung

der

vier

durch der

dieser sind

die

redu-

Metabolite

Dihydroxybiphenylen

Anreicherung

die

4-Chlor-2'-hydroxybi-

Mengenverhaltnisse

best~tigt. der

durch

£dentifiziert des

2-Hydroxybiphenyl

Vergleich

zeigte

VIII

4-Chlor-3-hydroxybiphenyl

Inkrementen

und

Davon (siehe

4-Chlor-3'-hydroxybiphenyls

3-Hydroxybiphenyl

zierten

durch

und

des

der

von

angereicherten

Monomethoxy-chlorbiphenylen.

vorhandenen

Identifizierung

phenyls

stark

4-Chlor-biphenyls

Kapillar-Gaschromatographie-Massenspektrometrie

Chlor-4'-hydroxybiphenyl Die

des

kann

Verbindungen

in A r b e i t .

Literatur 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ii 12 13 14 15

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Danksagung Dem

Bundesministerium

dieser

Arbeit

Biphenyle

in

for

im R a h m e n der

Die

Universit~t

aus

ihren

Umwelt" Ulm

Mitteln

Forschung

des

Technologie

wird

for

die

Forschungsprogramms

Finanzierung

"Polychlorierte

gedankt.

unterstOtZte

for

und

koordinierten

die

Untersuchungen

Forschungsf6rderung.

durch

eine

Sonderzuweisung