Toxikologie relevanter Schwermetalle

5.1.1. Arsen

Bei inhalativer oder oraler Aufnahme kann es zu Störungen des Nervensystems, des Atemtraktes oder der peripheren Blutgefäße (Blackfood Desease). Die Krebsentstehung ist epidemiologisch beim Menschen belegt.

ArsenV (Arsenat) wird zunächst zu Arsen III reduziert und anschließend methyliert. Bei der Krebsentstehung spielen indirekte Mechanismen eine Rolle (Reparaturmechanismen, DNA-Methylierungsmuster . Die kommerzielle Nutzung ist in der BRD auf die Halbleiterfertigung beschränkt.

5.1.2. Blei

Blei wird über die Lungen und über den Darm aufgenommen. Besonders betroffen sind Kinder, die im Alter zwischen zwei Monaten und sechs Jahren bis zu 50 % aufnehmen können; Erwachsene nur 5-10 %.

Wichtigster Verursacher der Pb-Belastung war das Tetraethylblei im Benzin. Ein Verbot hat die durchschnittliche Belastung in der BRD zwischen 1976 und1980 ca. 40 % abgesenkt.

Hemmung der Sulfhydrilgruppen (SH- Gruppen): Meistens wird Pb²⁺ irreversibel an das S-Atom gebunden. SH-Gruppen sind oft Wirkbestandteile der aktiven Zentren von Enzymen, deren Funktion

dadurch gemindert wird [21]. Metallionen können auch die Regulation von essentiellen Ionen – z.B. Ca – stören.

Im Blut wird die Hämoglobinsynthese auf mehreren Stufen gehemmt, was schließlich zu einer Anämie führt. Von besonderer Bedeutung ist die Hemmung der Delta-Aminolaevulinsäure-Dehydrase, und zwar bei einem 20 Mikrogramm Blei pro 100ml 50% Die Delta-Aminolarvulinsäure reichert sich im Blut an und kann im Urin nachgewiesen werden

( Indikator ).

Besonders betroffen sind die Nieren, unsere wichtigsten Exkretionsorgane.

Bleivergiftungen führen zu einer Dysfunktion der proximalen Tubuli (Exkretion oder Rückresorption), zu sekundär erhöhtem Blutdruck und Gichtsymptomen.

Wechselwirkungen von Pb²⁺ und Ca²⁺ führen zu pathologischen Veränderungen des Nervensystems (Nervenleitgeschwindigkeit [11]), besonders bei Kindern kann das auch zu Entwicklungsstörungen führen.

Chronische Bleibelastungen können sich auch auf das Herzkreislaufsystem negativ auswirken [11].

5.1.3. Cadmium

Cadmium ist ein typischer Begleiter von Zink, Kupfer und Blei.

Die Cadmium-II-Salze sind hochgradig toxisch.

Cd hat eine besondere Affinität zu SH-Gruppen (vgl. oben) und zu Entgiftungsmolekülen.

Es kann Enzyme hemmen, zelluläre Redoxgleichgewichte stören oder Spurenelemente (z.B. Zn) aus Enzymen verdrängen

Betroffen sind besonders die Niere, die Leber und das Knochensystem (Osteoporose). Ca und Fe -Mangel führen zu einer erhöhten Cd-Resorption im Darm. Cd wird zunächst in der Leber angereichert und stimuliert dort die Bildung von Metallthioniden. Daran gebunden wird Cadmiun in den proximalen Nierentubuli angereichert. Es kann zu gefährlichen Nierenfunktionsstörungen kommen. Kalzium wird unzureichend

rückresorbiert und deshalb vermehrt aus der Knochensubstanz mobilisiert (Osteoporose). Die HWZ kann 30 Jahre betragen. Jugendliche, Schwangere, Raucher und auch Vegetarier schöpfen den TWI-Wert von 2,5 Mikrogramm/kg bis zu 90 % aus; es besteht ein Handlungsbedarf zur Vermeidung einer weiteren Umweltkontamination.

5.1.4. Kupfer

Kupfer ist ein essentielles Spurenelement, das im Körper homöostatisch konstant gehalten wird. Die Funktionen sind vielfältig: Cu-haltige Enzyme, zum Beispiel in der Atmungskette, spielen bei der Eisenoxidation (Ferrooxidase), der Melaninsynthese oder der Myelinbildung als Katalysatoren eine entscheidende Rolle. Anreicherungen führen innerhalb der Zelle zur Bildung von Sauerstoffradikalen, was zu Zell-Läsionen, Nekrosen und zum programmierten Zelltod führen kann. Anreicherungen führen auch zu schwerwiegenden Lebererkrankungen ( Entzündungen ), oxidativem Stress oder Schädigungen des ZNS. Besonders Säuglinge sind betroffen, weil die biliäre Ausscheidung noch nicht vollständig entwickelt ist.

5.1.5. Nickel

Nickel ist essentiell, wirkt in erhöhten Konzentrationen aber toxisch.

Betroffen sind besonders die Lunge, die Niere und das Immunsystem.

Wirkung: Durch eine S-Bindung am Glutathion können Sauerstoffradikale entstehen, die auch an die DNA binden können. Das erklärt die Kanzerogenität bei einigen Säugern. Außerdem kann Ni die Gen-Regulation und Reparaturmechanismen stören. Ferner kann metallisches Nickel oder Nickeloxid zu Allergien führen. Aerosole (z.B. Stäube), die über die Lunge aufgenommen werden, wurden als krebserregend eingestuft.

Nickelverbindungen sind nur schwach mutagen, sind aber komutagen in Kombination mit anderen Stoffen. Das hann zur Genexpression oder zur Tumorsuppression führen kann. Sie können gelöst wie auch als Partikel

vom Organismus aufgenommen werden ( siehe oben ).

5.1.6. Chrom

Das Übergangselement Chrom kommt in den Oxidationsstufen 0 bis +6 vor.

Es ist essentiell und beeinflusst den Stoffwechsel über die Insulinaktivität der genaue Mechanismus ist unklar.

Toxikologisch relevant sind die Oxidationsstufen III und VI. CrIII [III hochgestellt oder so] wird von den Zellen kaum aufgenommen – obwohl eigentlich toxisch. Anders ist das beim CrVI .

Sulfat- und Chromatanionen sind tetraedisch und besitzen ähnliche Eigenschaften. Chromat kann aufgrund dieser Ähnlichkeit die Membranschranke über die Anionentransporter überwinden ( Mimikry ).

Abb. 3: „Mimikry“

Im Zellinneren wird CrVI zu CrIII durch Ascorbat und/oder GSH reduziert.

Die Zelle kann große Mengen Chromat aufnehmen, weil durch die Reduktion ein Konzentrationsgefälle aufrechterhalten wird. Das ChromIII ist in der Zelle eingeschlossen und verbleibt dort. Bei der Umwandlung entstehen reaktive Intermediate, die zu vielfältigen Störungen führen:

DNA-Addukte, oxidative DNA-Basenschäden, Strangbrüche oder Vernetzungen. Außerdem kann eine Aneuploidie induziert werden CrVI-Verbindungen sind kontaktsensibilisierend, was zu einer Kontaktdermatitis führen kann.

5.1.7. Mangan

Das Übergangselement Mangan kommt in über 100 Mineralien vor. In biologischen Systemen herrschen Mn²⁺ und Mn³⁺ vor. Das Element ist essentiell und wird vom Menschen besonders mit der Nahrung aufgenommen. Getreide, Nüsse und Reis enthalten hohe Werte.

Industriell wird es zum Beispiel bei der Stahlproduktion im Korrosionsschutz eingesetzt. Es wird außerdem Futter – und Düngemitteln zugesetzt.

Mangan ist Bestandteil vieler Enzyme, zum Beispiel der Superoxid.

Dismutase, die die Umwandlung der Superoxidionen zu Wasserstoffsuperoxid katalysiert. In der Photosynthese spielt Mangan eine Rolle bei der Oxidation des Wassers zu Sauerstoff. Außerdem kommt es häufig als Kofaktor und Redoxreaktionen vor.

Wird zu viel Mn aufgenommen, dann kann es zu krankhaften Veränderungen – Manganismus – kommen.

Aufgrund der schlechten Datenlage sind bisher keine verbindlichen Grenzwerte abgeleitet worden. Für beruflich exponierte Personen besteht aber eine Gefahr. Mangan ist deshalb in die Liste der Berufskrankheiten unter der Nummer 1105 – Erkrankungen durch Mangan - aufgenommen worden.

Im Siegerland werden durchweg hohe Mangangehalte registriert (vgl.

Abschnitt Voruntersuchungen).

5.1.8. Zink

Zink ist ein essentielles Element und an vielen Stoffwechselvorgängen besonders im Zusammenhang mit dem Immunsystem, dem Nervensystem oder dem Kohlenhydratstoffwechsel beteiligt. Mangelerscheinungen führen dort zu Störungen, zum Beispiel Diabetes. Eine Überversorgung mit Zink ist bei normaler Ernährung kaum gegeben. Komplikationen kann es durch eine Interferenz mit Kupfer oder Eisen geben. Die Aufnahme wird im Magen-Darm-Trakt kontrolliert; Metallothioneine dienen unter anderen als Zinkspeicher. Zinkhaltiger Rauch kann zu Entzündungen in der Lunge führen (Metallrauchfieber); wasserlösliche Zinksalze führen zu Reizreaktionen der Schleimhäute – besonders der Augen.