Εκτίμηση της έκθεσης σε PCBs και DDDs (πολυχλωριωμένα διφαινύλια και οργανοχλωριωμένα φυτοφάρμακα) σε δείγματα πληθυσμού Μακεδονίας, Αττικής, Πελοποννήσου και Κρήτης με φασματομετρία μάζης (MS) και ανιχνευτή δέσμευσης ηλεκτρονίων (ECD)

Abstract

Human exposure to persistent organic pollutants (POPs) assessment is crucial for public health protection and risk assessment. Hair sample is a suitable and important medium for monitoring and evaluation of exposure to drugs or to chemical substances. The idea of using human hair as an indicator in assessing exposure to persistent organic pollutants (POPs) has been advancing for the last two decades. One of the reasons for the late development of environmental biomonitoring using human hair as a matrix is the low detection limits which need to be achieved.PCBs and DDTs are some of the most known POPs. They are resistant to biological and chemical degradation and have long environmental half-lives. Both DDTs and PCBs accumulate in the food chain, in human and animal tissues. The biomonitoring of DDTs and PCBs for the estimation of human exposure requires complex sample preparation and analytical procedures using sensitive state-of-the-art instrumentation to achieve the desired selectivity and quantification limits.The purpose of this study was to determine PCBs and DDTs in hair samples using precise and accurate methods. Polychlorinated biphenyls (PCBs) and 1,1,1-trichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl)ethane) (DDT) levels were determined in human hair samples, originating from urban and rural regions of Greece, by gas chromatography–mass spectrometry (GC–MS) and gas chromatography–double focusing high resolution mass spectrometry (GC–DFHRMS) using solid–liquid extraction and headspace solid phase microextraction (HSSPME) technique. Polychlorinated biphenyls (PCBs) levels were assessed in human hair samples, originating from two main agricultural regions of Greece. The analysis was performed by gas chromatography–mass spectrometry (GC–MS) and gas chromatography–double focusing high resolution mass spectrometry (GC–DFHRMS). The main analytical procedure involved hair decontamination, solid–liquid extraction and cleanup steps. The recoveries of PCBs ranged from 71.2% to 101.6%, with accuracies greater than 87.5% and the between run precisions (%RSD) lower than 25% for all analytes. Differences in the frequencies of detection and the median values of PCBs were detected between the examined regions and between the applied analytical techniques. All Peloponnesus’ hair examined samples were found positive for each examined PCB, while the percentage of the total positive samples ranged from 86.1% (for PCB 138) to 94.4% (for PCB 28 and 153 congeners) using GC–DFHRMS. The Cretan hair samples were less contaminated (SUM PCBs = 0.61 and 1.47 pg/mg) unlike the Peloponnesus’ samples (SUM PCBs = 24.68 and 38.74 pg/mg) measured by GC–DFHRMS and GC–MS, respectively. PCBs with high chlorination gave lower concentration values compared to low chlorination PCBs in both populations. No significant differences were observed between women and men. The GC–DFHRMS technique provided higher percentage of positive samples and low PCBs median values, due to higher sensitivity and interferences from isobaric ions in the GC–MS technique and is therefore considered as a powerful tool for such assessments in hair specimens.Furthermore, headspace solid phase microextraction (HSSPME) technique was to developed as a rapid and cost efficient hair extraction method for the simultaneous determination and biomonitoring of 1,1,1-trichloro-2,2-bis (4-chlorophenyl)ethane) (DDT) and its isomers/metabolites and polychlorinated biphenyls (PCBs) in hair samples. A total of 72 head hair samples were collected from children living in urban and rural regions of the island of Crete. Two hundred milligrams of hair were digested under alkaline conditions and thermostated for 30min at 90°C while a 65 μm PDMS/DVB fibre was exposed into the headspace of the vial. Analytical parameters of the method (time of incubation, agitation speed, recovery, precision, accuracy, carry over, matrix effect, linearity, and selectivity) were examined. Recoveries of the DDTs in the spiked hair samples were calculated from 42.3% for opDDD to 87.1% for opDDE, while recoveries for PCB congeners were from 52.6% for PCB138 to 96.6 % for PCB28. The method was applied for the analysis of authentic hair samples. Significant differences (p=0.001) of the burden to total DDTs (sumDDTs) as well as of the frequencies of detection of positive samples (p=0.020) were observed between the examined regions. Moreover, significant differences in the detected concentrations of PCB congeners were observed for PCB52 (p<0.001) and PCB28 (p=0.017) as well for their prevalence between urban and rural regions. Application of HSSPME for the biomonitoring of DDTs and PCBs biomarkers in hair was tested and successfully applied to the analysis of spiked and authentic hair samples. HSSPME was found to be substantially simpler and faster procedure than previous reported sample treatment procedures.Summarizing, all methods proved to be both accurate and precise since all recoveries obtained were higher than 42% and %relative standard deviation values lower than 25%. The GC–DFHRMS technique gave higher sensitivity and provided less interferences from isobaric compared to the GC–MS technique and was therefore considered as a powerful tool for such assessments in hair specimens. Furthermore, HSSPME was found to be substantially simpler and faster procedure than previous reported sample treatment procedures Finally, all Peloponnesus’ hair examined samples were found positive for each examined PCB whereas the the Cretan hair samples were less contaminated (PCBs with high chlorination gave lower concentration values compared to low chlorination PCBs in both populations. No significant differences were observed between women and men.

Η βιοπαρακολούθηση της έκθεσης του ανθρώπου σε έμμονους οργανικούς ρύπους (POP) είναι ζωτικής σημασίας για την προστασία της δημόσιας υγείας και την αξιολόγηση της εκτίμησης κινδύνου. Οι ανθρώπινες τρίχες αποτελούν κατάλληλα δείγματα και σημαντικά μέσα για την παρακολούθηση και την αξιολόγηση της έκθεσης του ανθρώπινου οργανισμού σε φαρμακευτικές και άλλες χημικές ουσίες. Η ιδέα της χρησιμοποίησης της ανθρώπινης τρίχας ως δείκτη για την αξιολόγηση της έκθεσης του ανθρώπου σε έμμονους οργανικούς ρύπους (POP) έχει προωθηθεί ιδιαίτερα τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Ένας από τους λόγους για την καθυστερημένη χρήση των συγκεκριμένων βιολογικών δειγμάτων για τη βιοπαρακολούθηση περιβαλλοντικών ρύπων είναι τα χαμηλά όρια ανίχνευσης που πρέπει να επιτευχθούν στις μεθοδολογίες που εφαρμόζονται για την ανάλυση τους.Τα πολυχλωριωμένα διφαινύλια (PCBs) και το 1,1-τριχλωρο-2,2-δις(4-χλωροφαινυλο) αιθάνιο (DDT) και οι μεταβολίτες του είναι μερικοί από τους πιο γνωστά απαντώμενους έμμονους οργανικούς ρύπους. Είναι ιδιαίτερα ανθεκτικές ενώσεις σε βιολογική και χημική αποικοδόμηση και έχουν μεγάλο χρόνο ημίσειας ζωής στο περιβάλλον. Και οι δύο κατηγορίες ενώσεων (DDTs και PCB) βιο-μεγεθύνονται κατά μήκος της διατροφικής αλυσίδας και συσσωρεύονται, στον άνθρωπο και στους ζωικούς ιστούς. Η βιολογική παρακολούθηση DDTs και PCBs για την εκτίμηση της έκθεσης του ανθρώπου απαιτεί πολύπλοκη προετοιμασία του δείγματος και αναλυτικές διαδικασίες με τη χρήση ευαίσθητων οργανολογικών εξοπλισμών για την επίτευξη των επιθυμητών ορίων ανίχνευσης και ποσοτικοποίησης καθώς και για την επίτευξη της απαραίτητης εκλεκτικότητας.Ο σκοπός αυτής της μελέτης ήταν να προσδιορίσει τα PCBs και DDTs σε δείγματα τριχών μετά από την ανάπτυξη νέων μεθόδων που θα εμφανίζουν ικανοποιητική ορθότητα και πιστότητα. Τα PCBs και DDTs προσδιορίσθηκαν σε δείγματα ανθρώπινης τρίχας, από κατοίκους αστικών και αγροτικών περιοχών της Ελλάδας, με την τεχνική της αεριοχρωματογραφία με ανιχνευτή φασματομετρίας μαζών (GC-MS) και την τεχνική της αεριοχρωματογραφίας διπλής εστίασης με ανιχνευτή φασματομετρίας μαζών υψηλής διακρισιμότητας (GC-DFHRMS) μετά από χρήση κατάλληλων τεχνικών εκχύλισης, όπως στερεή-υγρή εκχύλιση και της μικροεκχύλισης στερεάς φάσης υπερκείμενου χώρου (HS-SPME).Πιο συγκεκριμένα, τα πολυχλωριωμένα διφαινύλια (PCBs) εκτιμήθηκαν σε δείγματα ανθρώπινης τρίχας, που προέρχονταν από δύο κύριες γεωργικές περιοχές της Ελλάδας. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με τις τεχνικές της (α) αεριοχρωματογραφίας με ανιχνευτή φασματομετρίας μάζας (GC-MS) και (β) αεριοχρωματογραφίας διπλής εστίασης υψηλής διακρισιμότητας με ανιχνευτή φασματομετρίας μαζών (GC-DFHRMS). Η κύρια αναλυτική διαδικασία περιλαμβάνει την απολύμανση των δειγμάτων τρίχας, την εκχύλιση και τον καθαρισμό των δειγμάτων από διάφορες προσμείξεις. Οι ανακτήσεις των PCBs κυμαίνονταν από 71,2% έως 101,6%, με τις τιμές της πιστότητας, εκφρασμένες σαν % σχετική τυπική απόκλιση να είναι μικρότερες από το 25% για όλους τους υπό προσδιορισμό αναλύτες. Διαφορές στις συχνότητες ανίχνευσης και τις μέσες τιμές των PCB εντοπίστηκαν μεταξύ των εξεταζόμενων περιοχών και μεταξύ των αναλυτικών τεχνικών που εφαρμόστηκαν. Όλα τα δείγματα που εξετάστηκαν από την περιοχή της Πελοποννήσου βρέθηκαν θετικά για κάθε προσδιοριζόμενο PCB, ενώ το ποσοστό του συνόλου των θετικών δειγμάτων κυμάνθηκε από 86,1% (για τα PCB 138) έως 94,4% (για τα PCB 28 και 153) με χρήση της τεχνικής GC-DFHRMS. Τα δείγματα των τριχών από την Κρήτη ήταν λιγότερο επιβαρυμένα (άθροισμα πολυχλωριωμένων διφαινυλίων = 0,61 και 1,47 pg/mg) σε αντίθεση με τα δείγματα της Πελοποννήσου (άθροισμα πολυχλωριωμένων διφαινυλίων = 24,68 και 38,74 pg/mg) όπως προσδιορίστηκαν τόσο με GC-DFHRMS όσο και με GC-MS. Τα PCBs με υψηλό βαθμό χλωρίωσης έδωσαν χαμηλότερες τιμές συγκέντρωσης σε σύγκριση με τα αντίστοιχα PCBs με χαμηλό βαθμό χλωρίωσης και στους δύο πληθυσμούς. Επίσης, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ γυναικών και ανδρών. Η τεχνική GC-DFHRMS παρείχε υψηλότερο ποσοστό θετικών δειγμάτων και χαμηλές διάμεσες τιμές για PCBs, λόγω της υψηλότερης ευαισθησίας και τις μικρότερες παρεμποδίσεις από ισοβαρικά ιόντα σε σύγκριση με την τεχνική GC-MS και, ως εκ τούτου θεωρείται ως ένα ισχυρό εργαλείο για τέτοιες εκτιμήσεις σε δείγματα τριχών.Επιπλέον, με την παρούσα εργασία επιτεύχθηκε να αναπτυχθεί μια ταχεία και οικονομική μέθοδος που χρησιμοποιεί την τεχνική της μικροεκχύλισης στερεάς φάσης υπερκείμενου χώρου (HSSPME) για την εκχύλιση και τον ταυτόχρονο προσδιορισμό των PCBs-DDTs από τα δείγματα τρίχας, καθώς και για την βιοπαρακολούθηση τους. Συνολικά 72 δείγματα τριχών της κεφαλής συλλέχθηκαν από παιδιά που ζουν σε αστικές και αγροτικές περιοχές του νησιού της Κρήτης. Διακόσια χιλιοστόγραμμα δείγματος τρίχας χωνεύθηκαν υπό αλκαλικές συνθήκες και θερμάνθηκαν για 30 λεπτά στους 90 ° C, ενώ μία ίνα 65 μm τύπου PDMS / DVB εκτέθηκε εντός του υπερκείμενου χώρου του φιαλιδίου. Τα αναλυτικά χαρακτηριστικά της μεθόδου (χρόνος επώασης, ταχύτητα ανάδευσης, ανάκτηση, πιστότητα, επίδραση της μήτρας, γραμμικότητα και εκλεκτικότητα) εξετάστηκαν. Οι ανακτήσεις για τα DDTs σε εμβολιασμένα δείγματα τριχών υπολογίστηκαν από 42,3% για το opDDD σε 87,1% για το opDDE, ενώ οι ανακτήσεις των ομοειδών PCB κυμάνθηκαν από 52,6% για το PCB138 έως 96,6% για το PCB28. Η μέθοδος αυτή εφαρμόστηκε για την ανάλυση δειγμάτων τρίχας. Παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές (ρ = 0,001), της συνολικής περιεκτικότητας σε DDTs (sumDDTs), καθώς και των συχνοτήτων ανίχνευσης θετικών δειγμάτων (p = 0,020) μεταξύ των περιοχών που εξετάστηκαν. Επιπλέον, σημαντικές διαφορές στις συγκεντρώσεις των ομοειδών PCB παρατηρήθηκαν για το PCB52 (p <0,001) και το PCB28 (p = 0,017), μεταξύ των αστικών και των αγροτικών περιοχών. Η εφαρμογή της HSSPME για τη βιοπαρακολούθηση των DDTs και PCBs αποδείχτηκε και εφαρμόστηκε με επιτυχία στην ανάλυση των εμβολιασμένων και μη εμβολιασμένων δειγμάτων τρίχας. Η HSSPME βρέθηκε να είναι σημαντικά απλούστερη και ταχύτερη διαδικασία σε σχέση με άλλες προηγούμενες διαδικασίες επεξεργασίας βιολογικών δειγμάτων. Ανακεφαλαιώνοντας, όλες οι μέθοδοι αποδείχθηκαν να είναι ακριβείς, αφού όλες οι ανακτήσεις που ελήφθησαν ήταν υψηλότερες από 42% και οι %σχετικές τυπικές αποκλίσεις μικρότερες από 25%. Από τη συγκεκριμένη μελέτη αποδείχτηκε ότι η τεχνική GC-DFHRMS εμφανίζει υψηλότερη ευαισθησία και λιγότερες παρεμποδίσεις σε σχέση με την τεχνική GC-MS και, ως εκ τούτου θεωρείται ως ένα ισχυρό εργαλείο για τέτοιες εκτιμήσεις σε δείγματα τριχών. Επιπλέον, η τεχνική εκχύλισης HSSPME αποδείχτηκε να είναι σημαντικά απλούστερη και ταχύτερη διαδικασία από τις υπόλοιπες μεθόδους προκατεργασίας βιολογικών δειγμάτων. Τέλος, όλα τα δείγματα τρίχας που εξετάστηκαν από την Πελοπόννησο βρέθηκαν θετικά για κάθε προσδιοριζόμενο PCB, ενώ τα δείγματα από την Κρήτη εμφάνισαν μικρότερες περιεκτικότητες. Δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ γυναικών και ανδρών.