Nitro- and oxyaromatic compounds: environmental cycling and exposure

Abstract

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), ihre nitrierten (NPAHs) und oxidierten (OPAHs) Derivate sind Schadstoffe, die aufgrund ihrer Kanzerogenität, Mutagenität und ihres Potenzials für oxidativen Stress gesundheitsschädlich sind. Viele dieser polyzyklischen aromatischen Verbindungen (PACs) sind langlebig und können in der Atmosphäre über weite Strecken transportiert und verteilt werden. PAKs in der Umwelt werden seit mehreren Jahrzehnten untersucht und überwacht. Im Gegensatz dazu sind die PAK-Derivate noch wenig erforscht, obwohl Toxizität und Bioverfügbarkeit einiger NPAHs und OPAHs vergleichbar oder sogar höher als die der Vorläufer sind. Die PAK-Derivate entstehen bei der unvollständigen Verbrennung von fossilen Brennstoffen und Biomasse, können aber auch sekundär in der Atmosphäre durch die Reaktion der PAKs mit Photooxidantien gebildet werden. Um die Auswirkungen der PACs auf die menschliche Gesundheit zu verstehen, ist umfangreiches Wissen über deren Vorkommen und Konzentrationen in der Umwelt, sowie deren Bioverfügbarkeit und gesundheitlichen Auswirkungen notwendig. Die Konzentration der Schadstoffe wird durch deren Emission, photochemische Bildung, Abbau, und Deposition bestimmt, was z. B. von der Gas-Partikel-Phasenverteilung und der Massengrößenverteilung maßgeblich beeinflusst wird. Diese Dissertation beinhaltet neue Erkenntnisse über die Konzentrationen, die Verteilung, den Verbleib in der atmosphärischen Umwelt und die gesundheitliche Relevanz der PAK-Derivate.

Parent polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), their nitrated (NPAHs) and oxygenated (OPAHs) derivatives are pollutants leading to adverse health effects due to their carcinogenicity, mutagenicity and oxidative stress potential. Many of these polycyclic aromatic compounds (PACs) are long-lived and undergo long-range atmospheric transport. PAHs have been studied and monitored in the environment since decades. In contrast, PAH derivatives are understudied despite comparable or even higher toxicity and bioaccessibility of some NPAHs and OPAHs than their parent PAHs. The air pollutants are formed during incomplete combustion processes of fossil fuels and biomass but can also be formed secondarily in the atmosphere by the reaction of parent PAHs with atmospheric oxidants. In order to understand the implication for human health, the occurrence and levels in the environment as well as the bioavailability and the negative health effects of the pollutants should be known. The concentrations of the pollutants are governed by their emission, photochemical formation, degradation and deposition, which is significantly influenced by, e.g. the gas-particle partitioning and the mass size distribution. This thesis advances the knowledge about the concentrations, cycling, fate in the atmospheric environment and adverse health effects of the PAH derivatives.