The Nordic Expert Group for Criteria Documentation of Health Risks from Chemicals : 138. Microbial volatile organic compounds (MVOCs)

Abstract

Microbial volatile organic compounds (MVOCs) consist of a variety of compounds (mainly alcohols, ketones, terpenes, esters, aldehydes, sulphur and nitrogen compounds) formed as side-products in the primary and secondary metabolism of fungi and bacteria. More than 200 compounds have been identified as MVOCs in laboratory experiments, but none can be regarded as exclusively of microbial origin or specific for certain microbial species. Thus, these compounds also have many other, often much stronger, sources than microbial metabolism in the environment. Furthermore, the techniques chosen for sampling and analysis will effect which MVOCs are detected. In many cases, the typcially 10-15 compounds analysed have been selected beforehand based on previous investigations as well as existing analytical facilities. In this review, the basic physical and chemical properties of 96 typical MVOCs have been summarised. Of these, the 15 MVOCs listed below have most often been analysed and reported in buildings with moisture and microbial damage and sometimes in occupational settings (in agriculture or compost facilities). These were also the MVOCs for which the toxicological and exposure data were gathered in this report: 2-Methyl-1-propanol 1-Octen-3-ol 3-Octanone 3-Methyl-1-butanol 2-Octen-1-ol 2-Methylisoborneol 3-Methyl-2-butanol 3-Methylfuran 2-Isopropyl-3-methoxy-pyrazine 2-Pentanol 2-Hexanone Geosmin 3-Octanol 2-Heptanone Dimethyl disulphide In studies with quantitative MVOC results, single MVOC levels have ranged from a few ng/m3 up to 1 mg/m3 both in indoor and work environments, however, quantitative data from work settings are limited to compost facilities. The comparable data on MVOC levels in the environment published so far are inadequate for drawing reliable conclusions on the MVOC exposure. The main exposure route for MVOCs is absorption through the lungs. Typical MVOCs are rapidly metabolised and excreted in the urine and bile. Generally, MVOCs do not accumulate in tissues to any great extent. The toxicological database is poor for the 15 listed MVOCs. In epidemiological studies on buildings with moisture and microbial damage, MVOCs, in addition to many other microbial agents, have been associated with unpleasant odours, eye and upper airway irritation, unspecific symptoms and even asthma-like symptoms. However, inflammatory responses of single or repeated MVOC exposures have not been unequivocally confirmed in controlled human exposure studies. The most obvious health effect of MVOC exposure is eye and upper airway irritation, due to stimulation of the trigeminal nerves (sensory irritation), which seems to be the critical effect also for many individual MVOCs although there are exceptions (2 hexanone). In human experimental exposure studies, symptoms of irritation have appeared at MVOC concentrations several orders of magnitude higher than those measured under field conditions in indoor environments. This is supported by data from animal studies. According to the database determined by the ASTM mouse bioassay, dose-dependent sensory irritation has been detected for many typical MVOCs. Assuming additivity of the sensory irritation reaction, the irritation responses anticipated from exposure to MVOC mixtures lead to the conclusion that MVOCs : as combinations and concentrations reported so far : are well below the levels needed to cause sensory irritation. Overall, considering the very low levels encountered in the MVOC context, no toxic effects besides irritation, and very seldom also this effect, are expected. On the other hand, the present document covers the toxicological data of only 15 out of more than 200 MVOCs recognised so far. Thus, the conclusions do not necessarily apply to all MVOCs, and not even for all of the 15 compounds evaluated, as there may be more potent compounds and/or other endpoints not yet evaluated. So far, attempts to recognise microbially contaminated buildings or areas, or to verify the success of remedial measures by MVOC measurements have failed because of considerable overlap of the results (both for individual MVOCs and sums of several MVOCs) between suspected and control areas. Thus, in order to identify contaminated buildings by MVOC measurements, MVOCs of purely microbial origin and/or sophisticated data handling procedures are needed.

Mikrobiella flyktiga organiska ämnen (MVOC) består av en mängd olika ämnen (huvudsakligen alkoholer, ketoner, terpener, estrar, aldehyder, svavel- och kväveföreningar) som bildas som biprodukter vid svampars och bakteriers primära och sekundära metabolism. Över 200 ämnen har identifierats som MVOC vid laboratorieförsök, men inga av dessa kan anses ha enbart mikrobiellt ursprung eller vara specifika för en speciell mikroorganism eftersom MVOC har andra, ofta mycket mer betydelsefulla källor i miljön. Även provtagnings- och analysmetodiken har betydelse för vilka ämnen som detekteras. I många fall har antalet ämnen som analyseras begränsats till 10-15 st vilka valts på förhand utifrån tidigare laboratorie- eller fältförsök och på tillgänglig analysutrustning. I det här kriteriedokumentet sammanfattades fysikaliska och kemiska egenskaper för 96 typiska MVOC. Av dessa har följande 15 ämnen oftast analyserats och rapporterats förekomma i byggnader med fukt- och mikrobiella skador samt ibland i arbetsmiljöer (inom jordbruk och kompostering). För dessa ämnen ges exponeringsdata och en toxikologisk översikt. 2-Metyl-1-propanol 2-Okten-1-ol 3-Oktanon 3-Metyl-1-butanol 3-Oktanol 2-Metylisoborneol 3-Metyl-2-butanol 3-Metylfuran 2-Isopropyl-3-metoxi-pyrazin 2-Pentanol 2-Hexanon Geosmin 1-Okten-3-ol 2-Heptanon Dimetyldisulfide I studier med kvantitativa uppgifter om MVOC har nivåerna av enskilda ämnen varierat mellan några få ng/m3 upp till 1 mg/m3 både inomhus och i arbetsmiljöer, även om kvantitativa data från arbetsplatser är sällsynta. Hittills publicerade och jämförbara data på MVOC-nivåer i miljön är för bristfälliga för att man ska kunna dra några långtgående slutsatser om MVOC-exponering. Upptag via lungorna är den huvudsakliga exponeringsvägen för MVOC. Typiska MVOC metaboliseras snabbt och utsöndras i urinen och gallan. Generellt ackumuleras inte MVOC i vävnader och organ i någon större utsträckning. Den toxikologiska databasen är mager för de 15 listade MVOC. I epidemiologiska studier av byggnader med fukt- och mikrobiella skador har obehaglig lukt, ögon- och övre luftvägsirritation samt ospecifika och till och med astmaliknande symtom satts i samband med MVOC och även många andra mikrobiologiska agens. Det har emellertid inte otvetydigt påvisats något inflammatoriskt svar efter enstaka eller upprepade MVOC-exponeringar i kontrollerade humanstudier. Den mest uppenbara effekten av exponering för MVOC är ögon- och övre luftvägsirritation via stimulering av trigeminalnerven (sensorisk irritation), vilket tycks vara den kritiska effekten även för många enskilda MVOC även om det finns undantag (2-hexanon). I exponeringsstudier på människa har irritationssymtom uppkommit vid MVOC-nivåer som är flera tiopotenser högre än de man mätt i inomhusmiljöer. Detta stöds av data från djurstudier. Enligt den databas som bygger på resultat från en djurmodell (ASTM mouse bioassay) har dosberoende sensorisk irritation detekterats för många typiska MVOC. Förutsatt att additivitet gäller för sensorisk irritation av MVOC blir dock slutsatsen att de kombinationer och koncentrationer av MVOC som hittills rapporterats inte ger upphov till denna effekt. Med tanke på de mycket låga nivåer som förekommer i MVOC-sammanhang förväntas inga andra toxiska effekter förutom irritation och således mycket sällan också det. Detta dokument täcker emellertid toxikologiska data för endast 15 av mer än 200 ämnen som anses vara MVOC. Slutsatserna gäller således inte nödvändigtvis alla MVOC, och kanske inte ens de 15 som utvärderats, eftersom det kan finnas mer potenta ämnen och/eller andra effekter som ännu inte utvärderats. Ansträngningar att identifiera mikrobiologiskt kontaminerade byggnader eller områden, eller att verifiera effekten av åtgärder genom MVOC-mätningar, har hittills misslyckats på grund av betydande överlappning mellan misstänkta områden och kontrollområden, både vad gäller nivåer av enskilda MVOC och summan av flera MVOC. För att skadade byggnader ska kunna identifieras med hjälp av MVOC-mätningar behövs MVOC med enbart mikrobiellt ursprung och/eller avancerade databehandlingsmetoder. Nyckelord: hygieniskt gränsvärde, hälsoeffekter, mikrobiella flyktiga organiska ämnen, MVOC, respiratoriska effekter, riskbedömning, sensorisk irritation, toxicitet, översikt