Expozice chemickým látkám a jejich zdravotní rizika v lidské populaci

Mgr. Libor Šulc, Ph.D.

Doctoral thesis

Exposure to chemicals and their health risks in human population

Abstract:

Lidská populace je chronicky exponována širokému spektru chemických látek a jejich směsí, a to často v nízkých koncentracích. Možné dopady na zdravotní stav jsou pak mnohdy neznámé a jejich odhalení je jedním z cílů současné epidemiologie. Pesticidy jsou jedovaté látky, které perfektně vyhovují výše popsaným kritériím. Jsou aplikovány ve velkém, a to hlavně za účelem ochrany plodin před hmyzem, plísněmi, plevelem a dalšími škůdci. Jejich používání sice zajišťuje vyšší sklizeň, ale také umožňuje průnik pesticidů do všech složek životního prostředí a bioty. Díky tomu může dojít k expozici pesticidům i u necílových organismů, a to včetně lidské populace. Městská kvalita ovzduší zahrnuje další skupinu rozmanitých chemických látek, kterým jsou lidé chronicky exponováni. Nicméně především ve větších městech může v jejich částech, jako jsou dálniční uzly, či průmyslové oblasti, docházet k expozici vyšším koncentracím. Právě různé aspekty expozice pesticidům a vlivy kvality městského ovzduší na lidské zdraví byly předmětem této práce. Společná mezinárodní kohortová studie zahrnující dospělé a děti byla provedena současně v České republice, Maďarsku, Lotyšsku, Nizozemsku a Španělsku v průběhu roku 2020. Tato studie si kladla za cíl získat nová data popisující míru expozice pesticidům v evropské populaci. Důležitým aspektem byly i rozdíly v expozicích mezi dospělými a dětmi, mezi ročními obdobími a zemědělskými a nezemědělskými oblastmi. Expozice pesticidům, zdravotní rizika, expoziční cesty a možný vztah s oxidativním stresem a metylací DNA byly dále studovány pouze v rámci české populace. Dále byla provedena ekologická studie zaměřená na město Brno. Tato část práce si kladla za cíl popsat trendy ve znečištění ovzduší a respiračních a kardiovaskulárních onemocněních mezi lety 2010 a 2018. Pro stejné období bylo provedeno i stanovení odhadu vlivu znečištění ovzduší na zdravotní stav populace. Evropská populace je obecně exponována poměrně širokému spektru pesticidů, z nichž nejčastěji se vyskytujícími jsou Acetamiprid a Chlorpropham. Jasně zřetelné tendence v expozici pesticidům mezi ročními obdobími či oblastmi na úrovni ostatních zkoumaných evropských států nebyly nalezeny. Česká populace je běžně exponována Tebukonazolu a to bez ohledu na věk, roční období nebo zkoumanou oblast. Expozice Chlorpyrifosu je zajímavá tím, že v České populaci byly naměřeny vyšší koncentrace tohoto pesticidu. Nicméně stanovená zdravotní rizika spojená s expozicí pesticidům jsou stále v přijatelné rovině. I když environmentální expozice pesticidům je celkem běžný jev, dieta je mnohem důležitějším faktorem, a to především v případě Tebukonazolu a Chlorpyrifosu. DNA metylace a oxidativní stres byly asociovány nejen s těmito pesticidy, ale i s pyretroidy. V tomto ohledu je zásadní vliv již zmíněného Tebukonazolu na de-metylaci DNA. Mnoho předchozích studií již popsalo negativní vliv kvality ovzduší na lidské zdraví. Srovnatelné výsledky byly nalezeny i pro brněnskou populaci. Mimo jiné byl pozorován negativní vliv jemného prachu, oxidu dusičitého a benzenu na výskyt bronchitidy, respiračních a kardiovaskulárních hospitalizací. Zde stojí za zmínku fakt, že v současné době neexistuje příliš mnoho důkazů o negativních vlivech ambientního benzenu. Tyto výsledky tudíž mohou přispět ke snaze o navazující výzkum takových vlivů. Tato práce vyzdvihuje význam lidského biomonitoringu v kontextu chemických směsí a současnou problematiku znečištění ovzduší ve městech. Obě záležitosti jsou spojeny s nárůstem lidské populace a urbanizací. I když jsou oba fenomény intenzivně zkoumány, dá se očekávat, že

Abstract:

do budoucna bude zájem o tuto problematiku stoupat, a to jak v řadách vědecké obce, tak široké veřejnosti.

Abstract:

Humans are constantly exposed to various chemical compounds and their mixtures oftentimes at low concentrations. The possible health impacts of such exposure are mostly unknown and are one of the topics of modern epidemiology. Current-use pesticides are a group of poisonous chemicals that exactly fit the above-mentioned characterisation. They are applied at large mainly to protect crops from insects, fungi, weeds, and other types of pests. This results in greater crop yield but also their permeation into all components of the environment and biota. This may lead to exposure in non-target species including the human population. Urban air quality is another topic of interest that includes diverse chemicals, where exposure in humans is chronic. However, especially in larger cities, exposure to higher concentrations may take place in certain parts of the city such as traffic nodes or industrial areas, etc. Aspects of exposure to pesticides and the impacts of urban air quality on human health were studied in this work. An aligned multinational cohort study with adults and children was conducted in the Czech Republic, Hungary, Latvia, the Netherlands, and Spain in 2020. This study aimed to bring new information on exposure patterns with respect to pesticides in the European population, and differences among age groups, seasons, and agricultural and non-agricultural areas. Further, the pesticide exposure patterns, health risks, exposure pathways, and associations with oxidative stress and DNA methylation were investigated in the Czech Republic. Finally, an ecological study was conducted in Brno city. This study aimed to describe trends in air pollution and respiratory and cardiovascular health conditions from 2010 to 2018. The impacts of air pollution on these health conditions were estimated for the same period and population. As the results showed, the European population is generally exposed to a relatively wide spectrum of pesticides, with Acetamiprid and Chlorpropham most often detected. No clear patterns in pesticide exposure between seasons or agricultural and non-agricultural areas were observed on the European level. Interestingly, the Czech population is broadly exposed to Tebuconazole regardless of age, season, and area. Exposure to Chlorpyrifos is also noteworthy due to the high concentrations detected in the Czech population. Nonetheless, health risks associated with the measured pesticides were within safe limits. Even though environmental exposure to pesticides is relatively common, diet is a more important exposure pathway, especially in the case of Tebuconazole and Chlorpyrifos. DNA methylation and oxidative stress were associated with exposure to these pesticides, but also to pyrethroids. The influence of Tebuconazole on DNA demethylation is notable. Several previous works pinpointed the adverse effects of air quality on human health. Similar results were found for the population of Brno city. Among other factors, exposure to particulate matter, nitrogen dioxide, and benzene were found to have a negative influence on the development of bronchitis, and respiratory and cardiovascular hospitalizations in Brno city. It is worth mentioning that evidence of the adverse effects of ambient benzene is scarce and these results may contribute to further efforts to study such effects. This work highlights the importance of human biomonitoring regarding chemical mixtures and the contemporary issue of urban air quality. Both matters are associated with increasing human population and urbanization, and although they are being thoroughly investigated, a surge in interest among the scientific community and the general public can be expected in the future.

Keywords

Hodnocení expozice, Pesticidy, Zdravotní rizika, Kvalita ovzduší, Expozóm, Exposure assessment, Pesticides, health risk, Air quality, Exposome

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 2. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 18. 5. 2023
• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Čupr, Ph.D.
• Reader: Prof. Milena Horvat, PhD, Assoc. Prof. Ulrike Gehring, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology