Developmental neurotoxicants: Analytical determination and their occurrence in human matrices

RNDr. Eliška Čechová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Vzhledem ke stále se zvyšujícímu počtu dětí s neurovývojovými poruchami roste zájem o studium vlivu efektů neurotoxických sloučenin na zdraví dětí. Tyto látky jsou během raného vývoje přenášeny z matky na dítě, proto bylo vybráno ke studiu mateřské mléko jako neinvazivně odebíraná matrice. Protože jsme exponováni směsmi chemických látek, je žádoucí vývoj multireziduálních metod. Hlavním cílem práce bylo vyvinout a validovat metodu pro současné stanovení přibližně 100 látek s vývojovou neurotoxicitou v mateřském mléce: persistentních organochlorových pesticidů (OCPs), polychlorovaných bifenylů (PCBs), polybromovaných difenyletherů (PBDEs), pyrethroidů, alternativních zpomalovačů hoření (AFRs) a vybraných metabolitů. Vzhledem ke komplexitě matrice mateřského mléka obsahující lipidy s podobnými vlastnostmi jako cílové látky je potřeba pečlivý výběr metodiky přípravy vzorku. K tomuto účelu byla použita nekonvenční metoda čištění, dialýza, která byla poprvé použita při nízkých teplotách a byla aplikována na takto komplexní směs látek. Dialýza nám umožnila detekci i nepersistentních látek přítomných v mateřském mléce ve stopových koncentracích. Vyvinutá metoda byla následně použita pro analýzu více než 500 vzorků mateřského mléka ze tří evropských zemí, Norska, Nizozemí a Slovenska. V rámci zemí byly srovnány koncentrace hlavních skupin látek s vývojovou neurotoxicitou a byla provedena analýza rizik pro tyto skupiny. OCPs and PCBs byly v mateřském mléce přítomny v nejvyšších koncentracích navzdory tomu, že byly zakázány před více než 30lety. Koncentrace persistentních látek v lidských matricích sice vykazují klesající trend, ale i současně přítomné hladiny PCBs a vybraných OCPs mohou stále způsobovat zdravotní rizika, zejména na Slovensku, kde se v minulosti PCBs produkovaly. Koncentrace PBDEs byly nejvyšší v Norsku, což ale může být způsobeno tím, že vzorky byly sbírány dříve v porovnání se vzorky ze Slovenska či Nizozemí. Koncentrace mnoha AFRs v mateřském mléce představovala první data těchto sloučenin detekovaných v lidských matricích vůbec. Bis(2-ethylhexyl)tetrabromoftalát (BEH-TEBP), ktery se nyní používá jako náhrada za Penta-BDE, byl přítomen v nejvyšších koncentracích ze všech analyzovaných AFRs a jeho hladiny byly srovnatelné s hladinami PBDEs. Nejčastější detekovanou skupinou AFRs byly bromobenzeny, které se nacházely ve více než 50% všech vzorků, ale jejich koncentrace byly přibližně o řád nižší než BEH-TEBP. Byla rovněž vypočítána expozice kojenců zpomalovači hoření, kdy byly uvažovány tři hlavní expoziční cesty – kojením, požitím prachu a inhalací vzduchu. Jako hlavní příspěvek bylo zjištěno kojení. Avšak pro BDE 99 a 2-ethylhexyl-2,3,4,5-tetrabromobenzoát (EH-TBB) byl příspěvek z požití prachu až 30%. Výsledky z této studie používající multireziduální metodu poskytly informace oexpozici širokou škálou látek s vývojovou neurotoxicitou pro epidemiologická vyhodnocení. Předběžné výsledky ukazují, že existují pohlavně specifické asociace mezi ranou expozicí organochlorovými pesticidy a chováním ve věku 18 měsíců dítěte.

Abstract:

The growing number of children suffering from neurodevelopmental disorders has led to intensified research into effects of neurotoxic compounds on children‘s health. As many of these compounds are transferred from mother to child during the early development, mother milk was selected as a non-invasive matrix to assess the exposure of both mothers and children. Since humans are exposed to the mixtures of chemicals, the development of multi-class analytical methods is desirable. The main aim of this thesis was to develop and validate a multi-classmethod for the determination of approximately 100 developmental neurotoxicants (DNTs) in human milk. These compounds included persistent organochlorine pesticides (OCPs), polychlorinated biphenyls (PCBs), polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), current use pyrethroids and alternative flame retardants (AFRs) and their selected metabolites. Complex matrix of human milk containing lipids with the similar properties to DNTs required careful selection of the sample preparation techniques. This was realized using a clean-up process of dialysis which was used for the first time at low temperature and it was applied to the analysis of such a complex mixture of compounds. This method also enabled us to detect current-use compounds in trace concentrations which provided novel data on contamination of human matrices in Europe. The method was subsequently used for the analysis of more than 500 human milk samples from three European countries: Norway, the Netherlands and Slovakia. Comparison of the concentrations and human risk assessment was performed with the main DNT groups. Legacy compounds such as selected OCPs or PCBs have been shown to be present in human milk at the greatest concentrations in nearly all milk samples even though they were banned more than 30 years ago. The concentrations of persistent compounds were shown to decline over time, but selected OCPs or PCBs can still pose health risks, especially in Slovakia with high former production of PCBs. PBDE concentrations were the greatest in Norway, but this could be related also to the earlier sample collection. Data on many AFRs were presented here for the first time giving new insights into occurrence of these compounds in human matrices in Europe. Bis(2-ethylhexyl) tetrabromophthalate (BEH-TEBP) used as a replacement of Penta-BDE was present in milk samples at thegreatest concentrations of all analyzed AFRs,which were similar to or exceeding the concentrations of BDE 47 as the congener with the greatest concentration among PBDEs. The most often detected AFRs were bromobenzenes with the detection frequency over 50%,but their concentrations were approximately an order of magnitude lower compared to BEH-TEBP. The infants’ exposure to PBDEs and AFRs was also calculated assuming three main pathways - breastfeeding, dust ingestion and air inhalation. It was shown that intake via breastfeeding was the dominant source for both PBDEs and AFRs, but for BDE 99 and 2-ethylhexyl-2,3,4,5-tetrabromobenzoate (EH-TBB) the contribution from dust ingestion reached up to 30%. The results from this study using the multi-class analytical method have provided exposure information ona broad range of DNTs for an epidemiological evaluation. The preliminary results showed gender-specific associations between early life exposure to organochlorine compounds and behavioural development at the age of 18 months.

Keywords

Developmental neurotoxicants, exposure, flame retardants, multi-class analysis, pesticides, risk assessment Expozice, hodnocení rizik, látky s vývojovou neurotoxicitou, multireziduální analýza, pesticidy, zpomalovače hoření

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 1. 6. 2017
• Supervisor: Ing. Anton Kočan, CSc.
• Reader: prof. MUDr. Milena Černá, DrSc., prof. Ing. Jan Tříska, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry