Humane Schwermetallanalytik im Ultraspurenbereich

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Humane Schwermetallanalytik im Ultraspurenbereich

Praktischer Teil: Ermittlung der Normbereiche für menschliches Haar

Abschlussarbeit

Postgradualstudium Toxikologie der Universität Leipzig

Alexej Ebel

Weiden, 17.12.12

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1 Inhaltsverzeichnis

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ... 4

1. Einleitung und die Problemstellung ... 5

2. Allgemeiner Teil ... 6

2.1 Klassifizierung der Metalle und Metalloide ... 6

2.1.1 Essentielle Metalle ... 7

2.1.2 Toxische Metalle ... 8

2.1.3 Radioaktive Schwermetalle ... 8

2.2 Karzinogen wirkende Metalle und Metallverbindungen ... 8

2.2.1 Wirkungsmechanismen kanzerogener Metallverbindungen ... 11

2.3 Molekulare und ionische Mimikry toxischer Metalle ... 12

2.3.1 Mimikry toxischer Anionen ... 13

2.3.2 Mimikry toxischer monovalenter Kationen ... 14

2.3.3 Mimikry toxischer bivalenter Kationen ... 15

2.3.4 Molekulare Mimikry ... 15

2.4 Toxikokinetik ... 16

2.4.1 Aufnahme von Metallen und Metallverbindungen ... 16

2.4.2 Resorption von Metalle und Metallverbindungen ... 16

2.4.3 Verteilung ... 17

2.4.4 Inaktivierungsmechanismen für toxische Metalle im Organismus ... 18

2.4.5 Ausscheidung ... 18

2.5 Beurteilungswerte ... 18

3. Toxikologie ausgewählter Metalle und Metallverbindungen ... 20

3.1 Aluminium ... 20

3.1.1 Vorkommen und relevante Expositionen ... 20

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2

3.1.2 Toxische Wirkungen ... 20

3.1.3 Referenz- und andere Grenzwerte ... 21

3.2 Blei ... 21

3.3 Cadmium ... 24

3.4 Antimon ... 27

3.5 Thallium ... 28

3.6 Chrom ... 30

3.6.2 Essenzielle und toxische Wirkungen ... 30

3.7 Kobalt ... 32

3.7.2 Essentielle und toxische Wirkungen ... 32

3.8 Nickel ... 33

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3

4. Analytischer Teil ... 35

4.1 Präanalytik ... 35

4.2 Analytik ... 36

4.2.1 Atomabsorptionsspektrometrie ... 37

4.2.1.1 Prinzip der Analysenverfahren ... 37

4.2.2 Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie ... 38

4.2.3 ICP-OES / ICP-AES ... 40

5. Praktischer Teil ... 42

5.1 Multielementanalytik von Haaren mittels ICP-MS CRI ... 42

5.2 Material und Methoden ... 42

5.3 Auswertung und Diskussion der Ergebnisse ... 46

5.3.1 Vergleich mit Literaturwerten ... 48

6. Literaturverzeichnis ... 51

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4 Abkürzungsverzeichnis

AAS Atomabsorptionsspektrometrie AES Atomemissionsspektrometrie As2O3 Arsen(III)oxid

BAR Biologische Arbeitsstoff-Referenzwerte BAT Biologische Arbeitsstoff-Toleranz

BEI Biologikal Exposure Index, der US-amerikanische biologische Wert

BGW Biologischer Grenzwert BLV Biological Limit Value BLW Biologischer Leitwert

Cps Counts per second

DMT1 Dimetalltransporter

EDTA Ethylendiamintetraessigsäure

EKA Expositionsäqivalente für krebserzeugende Arbeitsstoffe GIT Gastrointestinaltrakt

GSH Glutathion

HBM-II-Werte Human-Biomonitoringwerte II HBM-I-Werte Human-Biomonitoringwerte I HD-PE High-Density-Polyethylen

ICP AES Induktiv-gekoppeltes-Plasma-Atom-Emissions-Spektrometrie ICP-MS Induktiv-gekoppeltes-Plasma-Massenspektrometrie

IUPAC International Union for Pure and Applied Chemistry

KG Körper Gewicht

Konz Konzentration

LD50 Letale Dosis

m/z Masse-Ladungs-Verhältnis

MAK Maximale Arbeitsplatzkonzentration

MT Metallothionein

NWG Nachweisgrenze

PET Polyethylenterephthalat PFA Perfluoralkoxy-Polymer PP Polypropylen

PTFE Polytetrafluorethylen

PTWI Provisional tolerable weekly intake RfD Reference dose

RNS Reaktive Stickstoff-Spezies ROS Reaktive Sauerstoffspezies SbCl3 Antimontrichlorid

TWV Trinkwasserverordnung

WHO World Health Organisation

ZNS Zentrales Nervensystem

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5 1. Einleitung und die Problemstellung

Schwermetallintoxikationen gehören zu den ältesten und bekanntesten Fremdstoffintoxikationen. Heutzutage werden akute Intoxikationen mittels toxisch wirkender Metalle und ihren Verbindungen eher eine Seltenheit sein. Am meisten werden diese durch betriebliche Notfallsituationen ausgelöst, haben einen kriminellen Hintergrund oder eine suizidale Absicht. Laut Statistiken der Unfallversicherungen beträgt die jährliche Anzahl der Schwermetallintoxikationen, darunter auch der Arsenvergiftungen ca. 400 in Deutschland [1].

Die chronischen Intoxikationen, welche in geringen Mengen vorliegen, werden im Gegensatz zu ökotoxikologischen Problemstellungen immer öfter im Vordergrund diskutiert. Die toxische Wirkung von Metallen auf den menschlichen Organismus ist ein sehr komplexer Prozess, der noch nicht ganz geklärt ist.

Geringe Mengen von Metallen und deren Verbindungen werden täglich sowohl über die Umwelt mit der Luft, dem Wasser und der Nahrung, als auch mit Medikamenten und Körperpflegemittel in den menschlichen Organismus aufgenommen. Es wird dann von einer Metallbelastung im Bereich von Ultraspuren- bis Spurenmengen gesprochen. Die Aufnahme von mehreren Metallen und ihrer Verbindungen in diesen Mengen ist heutzutage unvermeidbar. In diesen Konzentrationen beeinflussen die Toxine oft die homöostatischen Prozesse des menschlichen Organismus.

Die sprunghaften Fortschritte in der Analysetechnik in den letzten Jahrzehnten führten dazu, dass trotz der ständig verfeinerten analytischen Möglichkeiten, die genaue und präzise Quantifizierung in Spuren- und Ultraspurenbereich in humanen Matrizen eine große Herausforderung für Analytiker darstellt. Dies wird einerseits durch die Vielfalt existierender analytischer Möglichkeiten bei dem Fehlen regelmäßiger Empfehlungen der regulierenden Behörden und andererseits durch immer komplexer werdende, angewandte analytische Techniken hervorgerufen.

Ziel dieser Arbeit ist, einen Überblick über die aus toxikologischer Sicht wichtigsten Metalle und deren Verbindungen im klinisch-toxikologischen Bereich humaner Schwermetallanalytik zu schaffen und die Möglichkeiten sowie die Grenzen der kontaminationsfreien Präanalytik und moderner Analytik zu zeigen.

In praktischem Teil wurden Kopfhaare von 116 beruflich nicht exponierten Personen auf Beryllium, Aluminium, Vanadium, Chrom, Mangan, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Arsen, Selen, Yttrium, Molybdän, Silber, Cadmium, Zinn, Antimon, Barium, Lanthan,

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6 Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Platin, Thallium, Blei, Wismut und Uran untersucht sowie statistisch ausgewertet. Aus dem praktischen Teil sind Referenzwerte für humane Haare zum laborinternen Gebrauch entstanden.

2. Allgemeiner Teil

Der Begriff "Schwermetalle" ist von mehreren und oft widersprüchliche Definitionen in wissenschaftlicher Literatur behaftet. In einem technischen Bericht (IUPAC) über den Begriff "Schwermetall" sind 38 Definitionen, die heutzutage in wissenschaftlicher Literatur verbreitet sind, zu finden [2]. Mehrere Autoren benutzen genauer definierte Begriffe, wie Metalle, Übergangsmetalle, Halbmetalle, Metalle und deren Verbindungen, toxische Metalle, potenziell toxische Metalle, Spurenelemente sowie toxisch wirkenden Spurenelemente, um den Begriff

"Schwermetall" zu umgehen.

In den Fachlexika für Toxikologie findet man folgende Definition.

"Schwermetalle" — zusammenfassende Bezeichnung für Metalle, die eine größere Dichte haben als Eisen (7,87 g/cm³) und die im lebenden Organismus in bestimmten Konzentrationen zu schädlichen Wirkungen führen" [3].

Laut dieser Definition fallen folgende toxikologisch relevante Metalle und Metalloide nicht unter den Begriff "Schwermetall".

Aluminium 2,70 g/cm³, Vanadium 6,11 g/cm³, Chrom 7,14 g/cm³, Mangan 7,47 g/cm³, Indium 7,31 g/cm³, Zinn 7,31 g/cm³, Antimon 6,70 g/cm³, Tellur 6,25 g/cm³, Zink 7,14 g/cm³, Gallium 5,90 g/cm³, Germanium 5,32 g/cm³, Arsen 5,72 g/cm³.

2.1 Klassifizierung der Metalle und Metalloide

Lebewesen haben sich in der Evolution durch ständige Konfrontation und Zusammenspiel mit der anorganischen Materie auskristallisiert. Die komplette Zusammensetzung von Metallen und Metalloiden im lebenden System wird mit ihren bis heute noch nicht vollständig erforschten Prozessen, homöostatisch reguliert.

Alle Metalle und Metalloide des Periodensystems könnten bezüglich ihrer

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7 biologischen Funktion und toxikologischen Relevanz in drei Gruppen unterteilt werden [4]. Im Folgenden wird auf diese drei Klassifizierungen näher eingegangen.

2.1.1 Essentielle Metalle

Die essentiellen Elemente übernehmen den Aufbau des Organismus (Ca), regulieren als Elektrolyte die Osmose aller Körperflüssigkeiten (K, Na) und sind an Stoffwechselvorgängen beteiligt (Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Cr, Mo, Se, Ni, Mo, Mg). Ohne tägliche Aufnahme dieser Metalle würden bestimmte biochemische Reaktionen, die sowohl für normale Entwicklung und Wachstum, als auch für die Aufrechterhaltung des menschlichen Organismus notwendig sind, nicht ablaufen. Allerdings muss unbedingt erwähnt werden, dass eine Überdosierung von allen essentiellen Metallen zu einer toxischen Wirkung für den Organismus führen kann [4] [5] [6].

Essentielle Metalle könnte man zu folgenden biochemischen Strukturen zuordnen:

Metalloporphyrine

(Häm-Eisen-Verbindungen): Hämoglobin, Myoglobin, Zytochrome, Katalase, Peroxidase.

Nicht-Häm-Eisen-Proteine: Transferrin, Ferritin, Hämosiderin, Ferredoxin, Rubredoxin.

Kobalt und Nickel enthaltende Moleküle: Vitamin B12, Methylcobalamine, Coenzym F 430. Die beiden letzten Enzyme sind für die Übertragung von Methylgruppen auf eine Reihe von Metallen wie Hg(II), Te(III), Pt(II) und Au(I) verantwortlich [5].

Metalloenzyme:

Zink enthaltende Proteine (mehr als 300 verschiedene Enzyme): z.B.

Alkoholdehydrogenase, Kohlensäureanhydratase, Carboxypeptidase.

Kupferhaltige Proteine: Ascorbinsäureoxidase, Phenoloxidase, Coeruloplasmin (Transportform für Kupfer im Blut), Cytochrom-c-Oxidase, Cu- Zn-Superoxid-Dismutase, Hämocyanine [7].

Molybdoenzyme: Xanthin-Oxidase, Aldehyd-Oxidase, Sulfit-Oxidase, Nitrat- Reduktase [5].

Selenoproteine: Glutathionperoxidasen, Thioredoxinreduktasen, Thyroxin-Deiodasen [8].

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8 2.1.2 Toxische Metalle

Toxikologisch gesehen zeigen Metalle eine interessante Besonderheit. Die grundlegenden Mechanismen, die essentielle Funktion von Metallen vermitteln (katalysierende Wirkung von Metallen bei Ein-Elektronenübergängen in biochemischen Reaktionen), können zu toxischen Reaktionen führen, indem die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies katalysiert wird. So sind toxische und sogar kanzerogene Wirkungen von essentiellen Metallen in höherer Konzentration zu erkennen [6].

Allgemein gilt, dass nur die ionische Form die toxische Form ist. Außerdem sind leicht diffundierenden Metalle toxischer als schwer diffundierende. Beispiele dafür sind Blei, Quecksilber, Thallium und deren Verbindungen. Die potentielle Toxizität vieler Schwermetalle wird durch schlechte Löslichkeit ihrer Verbindungen vermindert Weiterhin spielen die elektrochemischen Eigenschaften eine große Rolle. Mit der Elektropositivität nimmt die Toxizität in den Untergruppen des Perioden Systems IB (Cu < Ag < Au), IIB (Zn < Cd < Hg) und IIIA (Al < Ga < In < Tl) zu, was die steigende Affinität zu Amino-, Imino- und Sulfhydryl-Gruppen erklärt [5].

2.1.3 Radioaktive Schwermetalle

Radioaktive Isotope liefern durch ihre Strahlenemission zusätzliche Toxizität und könnten auch ohne Aufnahme in den Organismus schädliche Wirkungen verursachen. Als Beispiele sind ⁶⁰Co, ²¹⁰Po, ²²⁶Ra, ²³⁸U, ²³²Th, ²⁴⁴Pu und zu erwähnen [5].

2.2 Karzinogen wirkende Metalle und Metallverbindungen

Bei einer ganzen Reihe von Metallen und Metallverbindungen wurden kanzerogene Wirkungen entdeckt: Als epidemiologisch gesichert gilt die krebsauslösende Wirkung von Arsen, Beryllium, Cadmium, Chromate, Nickel und deren Verbindungen [5]. In Tabelle 1 sind Metalle und Metallverbindungen mit krebserzeugendem Potential zusammengefasst.

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9 Tabelle 1: Einstufung des Krebserzeugenden Potenzials ausgewählter Metalle und ihrer Verbindungen.

Substanzen MAK-Kategorie

Aluminium: Aluminiumoxid, Faserstaub 2

Antimon und seine Verbindungen

2

(ausgenommen SbH3)

Antimontrioxid Sb₂O₃ 2

Antimontrisulfid Sb₂S₃ 2

Arsen: metallisches Arsen, As₂O₃, As₂O₅, H₃AsO₃,

NaAsO₂, Pb₃(AsO₄)₂, Ca(AsO₄)₂, Ca₃(AsO₄)₂ 1 Beryllium: Beryllium und seine anorganische

Verbindungen 1

Blei: Blei und seine anorganische Verbindungen 2

Butylzinnverbindungen 4

Cadmium: Cadmium und seine anorganischen

Verbindungen 1

Chrom: Chrom(VI)-Verbindungen 1

Kobalt: Kobalt und Kobaltverbindungen 2

Wolframcarbid 1

Hartmetall, W und Co (einatembare Fraktion) 1

Nickel: Nickel und seine Verbindungen (einatembare

Fraktion) 1

Molybdän, MoO₃ 3B

Quecksilber: Quecksilber und seine anorganischen

Verbindungen 3B

organischen Hg-Verbindungen 3B

Rhodium 3B

Uran und seine schwerlösliche und lösliche

anorganischen Verbindungen 3A

Selen und seine Verbindungen 3B

Vanadium und seine Verbindungen 2

Titan:K2TiO3,K2TiO5,K2TiO9,K2TiO13,K2TiO17,

Faserstaub 2

Erklärung der MAK-Kategorien (siehe Tabelle 1):

1) Stoffe, die beim Menschen Krebs erzeugen und bei denen davon auszugehen ist, dass sie einen Beitrag zum Krebsrisiko leisten.

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10 2) Stoffe, die als krebserzeugend für den Menschen anzusehen sind, weil durch hinreichende Ergebnisse aus Langzeit-Tierversuchen oder Hinweise aus Tierversuchen und epidemiologischen Untersuchungen davon auszugehen ist, dass sie einen Beitrag zum Krebsrisiko leisten.

3) Vorläufige Eistufung. Stoffe, die wegen erwiesener oder möglicher krebserzeugender Wirkung Anlass zur Besorgnis geben, aber aufgrund unzureichender Informationen nicht endgültig beurteilt werden können.

3A) Stoffe, bei denen die Voraussetzungen erfüllt waren, sie der Kategorie 4 oder 5 zuzuordnen. Für die Stoffe liegen jedoch keine hinreichenden Informationen vor, um einen MAK- oder BAT-Wert abzuleiten.

3B) Aus In-vitro- oder aus Tierversuchen liegen Anhaltspunkte für eine krebserzeugende Wirkung vor, die jedoch zur Einordnung in eine andere Kategorie nicht ausreichen.

4) Stoffe mit krebserzeugender Wirkung, bei denen ein nicht-genotoxischer Wirkungsmechanismus im Vordergrund steht und

genotoxische Effekte bei Einhaltung des MAK- und BAT-Wertes keine oder nur eine untergeordnete Rolle spielen.

5) Stoffe mit krebserzeugender und genotoxischer Wirkung, bei denen unter Einhaltung des MAK- BAT-Wertes ein sehr geringer Beitrag zum Krebsrisiko für den Mensch zu erwarten ist [5] [6].

Essentielle Metalle wie Eisen, Mangan und Zink können in sehr hohen Dosen karzinogen wirken. Am Beispiel von Übergangsmetallen wird deutlich gezeigt, dass ihre essentielle biologische Funktion darin besteht, die Ein-Elektronübergänge zu katalysieren und genau diese Fähigkeit kann die toxische Wirkung hervorrufen. In Experimenten ist darauf hinzuweisen, dass Eisen, Kupfer, Kobalt, Chrom, Nickel und Vanadium reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugen und die DNA schädigen können. Es ist auch bekannt, dass in metallischen und gelösten Formen auch unterschiedliche Wirkungsmechanismen gezeigt werden können.

Radioaktive Metalle sind nicht erwähnt weil sie primär durch ihre strahlende Wirkung karzinogen sind [5].

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11 2.2.1 Wirkungsmechanismen kanzerogener Metallverbindungen In der Toxikologie gehören der oxidative Stress und die Lipidperoxidation zu den grundsätzlichen Mechanismen chemisch-induzierter Zellschädigungen [7].

Wie Abbildung 1 zeigt, bei der Kanzerogenese durch Metallverbindungen ist in den meisten Fällen die direkte Wechselwirkung von Metallionen mit DNA-Bestandteilen von untergeordneter Bedeutung. Eine Ausnahme bilden Chromate, die intrazellulär zu Chrom (III) reduziert werden und potentiell mutagene Addukte bilden [6].

Für die meisten anderen Metallverbindungen spielen eher indirekte Mechanismen entscheidende Rolle (s. Abbildungen 1, 2, 3):

Katalyse der vermehrten Bildung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS, RNS) durch Übergangsmetallionen wie Fe²⁺, Ni²⁺, Cu¹⁺, Co²⁺, Hemmung durch Ni²⁺, Cd²⁺, Arsen, Co²⁺, und Sb³⁺ von DNA-Reparaturprozessen (oft schon in sehr niedrigen Konzentrationen), verminderte antioxidative Abwehr durch eine Glutathionverarmung (z.B. bei Tl⁺), Veränderung der Genexpression sowie Wechselwirkungen mit Signalübertragungsprozessen, Stimulation der Zellproliferation durch Inaktivierung von Tumorsuppressor-Genen). Das führt zur Akkumulation von kritischen Mutationen, Deregulierung der Zellproliferation und damit zur Tumorentstehung [6] [9] [7] [10].

Abbildung 1: Mechanismen der Tumorbildung (H-W Vohr, "Toxikologie“ [6])

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12 Abbildung 2: Metallionen und oxidativer Stress (Von Detmar Beyersmann, Andrea Hartwig [11]).

2.3 Molekulare und ionische Mimikry toxischer Metalle

Unter Mimikry wird hier eine gewisse Ähnlichkeit zwischen physiologischen Strukturen und Strukturen, die keine physiologische Funktion im Körper haben verstanden, aber dank ihrer physikalischen Ähnlichkeit (Ionengröße, Elektropositivität, räumliche- und molekulare Ähnlichkeit) in physiologische Prozesse eingebunden werden [5].

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13 Abbildung 3: Kanzerogene Wirkung von Cr⁶⁺- Verbindungen (H-W Vohr, Toxikologie" [6]).

2.3.1 Mimikry toxischer Anionen

In Abbildung 4 wird gezeigt, dass Metall(oid)e und ihre Verbindungen unter physiologischen Bedingungen als mehratomige Anionen stabil sein können. In dieser Form sind sie sehr ähnlich zu endogenen physiologischen Anionen (z. B.

Sulfat und Phosphat). Dank dieser Ähnlichkeit werden körperfremde mehratomige Metallanionen im physiologischen Zyklus mit eigenen Substraten verwechselt und mit Hilfe verschiedener Anionen transportierenden Carriern (z. B. Anionentransporter des Erythrozyten) in das Zellinnere transportiert.

Arsenat- und Vanadat-Anionen ersetzen nach Eindringen in das Zellinnere bei biochemischen Reaktionen das Phosphat, was zur Hemmung von Na⁺-K⁺-ATPase (bei Vanadat) oder einer Abnahme des ATP-Gehaltes in der Zelle (bei Arsenat) führt. Dies verursacht eine toxische Wirkung [5] [12].

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14 Abbildung 4: Vergleich von geometrischen Strukturen von den physiologischen- und toxischen Anionen (aus "Toxikologie für Naturwissenschaftler" von Günter Fred Fuhrmann [5]).

2.3.2 Mimikry toxischer monovalenter Kationen

Auch toxisch wirkende Kationen können, ähnlich wie die oben beschriebenen Anionen, mit Hilfe von Carriern die Zellmembran passieren. Falls sowohl der Radius als auch die Ladung von toxischen Kationen denen der physiologischen Kationen ähnlich sind (s. Tabelle 2), dann können sie über Natrium-Kalium-Pumpen in das Zellinnere dringen und toxische Effekten auslösen [5] [13].

Tabelle 2: Mimikry mono- und bivalenten Kationen (Aus "Toxikologie für Naturwissenschaftler" von Günter Fred Fuhrmann [5]).

Physiologisches Kation

Radius (pm)

Toxisches Kation

Radius (pm)

Na⁺ 95 Li⁺ 60

K⁺ 133 Tl⁺ 144

Ca⁺⁺ 97 Sr⁺⁺ 113

Ca⁺⁺ 97 Ba⁺⁺ 135

Ca⁺⁺ 97 Pb⁺⁺ 132

Ca⁺⁺ 97 Lanthanoide 103 – 85

Mg⁺⁺ 65 Be⁺⁺ 31

Mg⁺⁺ 65 VO⁺⁺ 65

Zn⁺⁺ 74 Cd⁺⁺ 97

Zn⁺⁺ 74 Hg⁺⁺ 110

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15 2.3.3 Mimikry toxischer bivalenter Kationen

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, sind mehreren toxische Kationen in den physiologischen Prozessen durch die bivalente Mimikry beteiligt. Ein ganz wichtiges essentielles Kation ist hier Ca²⁺, welches in vielen biologischen Prozessen auftaucht.

Das Ca²⁺-Kation wird bei der elektromechanischen Muskelkontraktion, bei der Hämostase als Faktor für den Übergang des inaktiven Prothrombin in aktives Thrombin, bei hormoneller Regulation, in Kalziumpumpen und als sekundärer Transmitter bei der Übertragung von Signalen benötigt. Viele toxische Blei- Wirkungen sind mit kalziumabhängigen Effekten zu erklären [5] [13].

2.3.4 Molekulare Mimikry

Am Beispiel von Methylquecksilber kann das Prinzip von molekularer Mimikry anderer Schwermetalle, die auch wie Quecksilber hohe Affinität zu Thiol-Gruppen haben, erklärt werden (s. Abbildung 5). Nach der Bindung von Methylquecksilber an die schwefelhaltige proteinogene α-Aminosäure Cystein, entsteht ein Methylquecksilber-Cystein Molekül, das strukturell sehr ähnlich Methionin, einer essentiellen α-Aminosäure, ist. Im Methionin-Stoffwechsel führt dieses Molekül sehr leicht zu Verwechslungen [4].

Abbildung 5:. Molekulare Mimikry. Methylquecksilber-Cystein und Methionin (aus

"Toxikologie für Naturwissenschaftler" von Günter Fred Fuhrmann [5]).

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16 2.4 Toxikokinetik

2.4.1 Aufnahme von Metallen und Metallverbindungen

Metalle, Metalloide und ihre Verbindungen werden hauptsächlich oral oder pulmonal aufgenommen. Auch die Aufnahme über die Haut und Schleimhäute kann bei höheren Konzentrationen und (oder) längeren Expositionszeiten erfolgen und zu großen Aufnahmemengen führen. Der Aufnahmeort- und die Art kann zu unterschiedlichen toxischen Mechanismen sowie Erscheinungssymptomen führen.

Abbildung 6: Zelluläre Aufnahme, intrazellulären Verteilung und Bindung von löslichen und Partikel Metallverbindungen (von Detmar Beyersmann, Andrea Hartwig [11]).

Oral aufgenommene Metalle, Metalloide und ihre Verbindungen werden mit der Pfortader zur Leber transportiert, bevor sie andere Organe erreichen. Dort werden sie einer metabolischen Entgiftung unterzogen.

Inhalativ aufgenommene feine Teilchen dagegen landen über den Lungenkreislauf (kleiner Blutkreislauf) in den Körperkreislauf (großen Blutkreislauf) und erreichen damit rasch und direkt lebenswichtige Organe [13] [7].

2.4.2 Resorption von Metalle und Metallverbindungen

Die Resorption von Metallen und Metallverbindungen ist ein sehr komplexer Prozess, der mit der Aufnahme in die Epithelschicht des GITs, der Lunge oder der Haut beginnt. Die Zellen des Epithels liegen sehr dicht aneinander. Der einzige Weg

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17 in das Zellinnere zu gelangen ist die passive Diffusion durch hydrophile Kanälchen (Proteinporen) in der Lipidschicht der Zellmembran oder der aktive Transport durch Membranproteine.

Bei der Resorption spielen folgende Faktoren eine wichtige Rolle:

- Aufnahmeort (GIT, Lunge usw.)

- Löslichkeit. In welchem Abschnitt des Magen-Darm-Trakts das Toxikon nach oraler Aufnahme resorbiert wird, ist vom pH-Wert des Gastrointestinaltraktes abhängig (Magen pH 1-3, Duodenum pH 4,8-8,2, Jejunum pH 6,3-7,3, Ileum pH 7,6)

- Art und Menge (oral aufgenommene Nahrung, inhalativ aufgenommene Teilchen)

- Funktionsfähigkeit biochemischer Mechanismen (Metabolisierung durch Mikroorganismen der Darmflora z. B. Methylquecksilber, Aufnahme von Makrophagen durch Endozytose in Lungenepithel)

- physiologischer Status des Organismus (Alter, Geschlecht, Krankheiten usw.) - Gegenwart anderer Substanzen (Chelatbildner oder Metallionen, die um

Transportmechanismen konkurrieren)

- Durchblutung des Organs und die Verweildauer (Lunge 5,0 l/min*kg; Niere 4,5 l/min*kg; Magen, Darm, Leber 0,75 l/min*kg; Haut 0,05 l/min*kg)

- Organspezifische Unterschiede zur Bindung und Speicherung von Metallen und Metallverbindungen [13] [14].

2.4.3 Verteilung

Die Schwermetallverteilung fängt erst dann an, wenn die Metallionen die Blutkapillaren erreicht haben. Die Verteilung im Körper ist abhängig von Kapillartypen und der Durchblutung des Zielorgans. Die höhere Affinität von Dimetalltransportern (DMT1) zu Metallionen, die in der folgenden Reihenfolge Fe²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺ abnimmt, kann auch die Verteilung beeinflussen [5] [13] [14].

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18 2.4.4 Inaktivierungsmechanismen für toxische Metalle im

Organismus

Der menschliche Organismus besitzt eine Reihe von Adaptationsmechanismen, die die schädlichen Wirkungen von toxischen Metallen und Metalloiden vermindern oder ganz entschärfen können. Dazu gehören:

- reversible Bindungen an Plasmaproteinen oder an nicht essentiellen Metaboliten und damit eine Verminderung der freien Spitzenkonzentration des Toxins im Blut und in den Zielorganen

- Immobilisierung in Knochen, Zähnen, Nägeln, Haaren (z. B. Blei, Cadmium) - induzierbare Proteine wie z. B. Metallothionein [5] [14].

2.4.5 Ausscheidung

Die Exkretion von Schwermetallen läuft überwiegend renal oder fäkal. Die Ausscheidung über Haare, Nägel, Schweiß und Körpersekrete fällt quantitativ nicht ins Gewicht, ist aber sehr wichtig für der Metallanalytik und die Interpretation der Laborbefunde.

Die Exkretion ist von vielen Faktoren abhängig:

- pH-Wert des Urins

- Konzentration von bestimmten Aminosäuren im Urin

- die Ausbildung und Unterbrechung eines enterohepatischen Kreislaufes, z. B.

bei Thallium-Vergiftung

- Altersabhängig, z. B. bei der renalen Ausscheidung von Cadmium - genetisch bedingt, z. B. bei der renalen Ausscheidung von Kupfer - biologische Halbwertszeit kumulierender Schwermetalle. [5] [7] [14] [15]

2.5 Beurteilungswerte

Zur Bewertung der arbeits- und umweltmedizinisch relevanten Metalle stehen folgende Werte zu Verfügung:

Arbeitsmedizinische Grenzwerte:

- MAK – Maximale Arbeitsplatz Konzentration am Arbeitsplatz in Atemluft - BGW – Biologischer Grenzwert

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19 Definition vom GefStoffV: "Der biologische Grenzwert ist der Grenzwert für die toxikologisch-arbeitsmedizinisch abgeleitete Konzentration eines Stoffes, seines Metaboliten oder eines Beanspruchungsindikators im entsprechenden biologischen Material. Er gibt an, bis zu welcher Konzentration die Gesundheit von Beschäftigten im Allgemeinen nicht beeinträchtigt wird." [16].

- BAT – Biologischer Arbeitsstoff-Toleranz

im Jahr 2007 modifizierte Definition. "Der Arbeitsplatzgrenzwert ist der Grenzwert für die zeitlich gewichtete durchschnittliche Konzentration eines Stoffs in der Luft am Arbeitsplatz in Bezug auf einen gegebenen Referenzzeitraum. Er gibt an, bis zu welcher Konzentration eines Stoffs akute oder chronische schädliche Auswirkungen auf die Gesundheit von Beschäftigten im Allgemeinen nicht zu erwarten sind." [17].

Der BAT-Wert bildet in der Regel eine Grundlage des BGWs [16]. BAT-Werte können nicht für die krebserzeugenden Stoffe abgeleitet werden.

- BLW – Biologischer Leitwert

- EKA – Expositionsäquivalente für krebserzeugende Arbeitsstoffe - BAR – Biologische Arbeitsstoff-Referenzwerte

Umweltmedizinische Grenzwerte:

- Referenzwert: Rein statistisch abgeleiteter Wert. In der Regel ist dieser Wert das 95-te Perzentil der Messwerte, aus einer Bevölkerungsstichprobe ohne Bezug auf das Gesundheitsrisiko.

- HBM-I-Werte - Human-Biomonitoringwerte I: Konzentration des Fremdstoffes in bestimmten Körpermedium, bei dessen Unterschreitung keine gesundheitliche Beeinträchtigung auftritt. Dieser Wert wird als ein Kontrollwert mit Vorwarncharakter angesehen.

- HBM-II-Werte - Human-Biomonitoringwerte II: Wert bei dem, bei Überschreitung mit einer Gesundheitsbeeinträchtigung zu rechnen ist. Dieser Wert wird als Maßnahmewert angesehen.

Internationale Grenzwerte:

- BLV – Biological Limit Value: Europäische biologische Grenzwert

- BEI – Biological Exposure Index D: US-amerikanischer biologischer Wert - PTWI – Provisional Tolerable Weekly Intake: Werte der WHO

- RfD – Referenzdosis: Werte der US-EPA [16] [18] [19].

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20 3. Toxikologie ausgewählter Metalle und Metallverbindungen

3.1 Aluminium

3.1.1 Vorkommen und relevante Expositionen

Die Exposition von Aluminium ist aufgrund seiner Verbreitung (dritthäufigste Element der Erdkruste) unvermeidbar. Es liegt in der Natur im pH-Bereich zwischen 4,5 und 8,5 hauptsächlich in Form schwer löslicher Oxide und Silikate vor [20].

Hauptsächlich wird es als natürlich vorkommendes Metall im Trinkwasser gefunden.

In Spuren kommt es in pflanzlichen Lebensmitteln vor. Weitere relevanten Expositionen sind aluminiumhaltige Lebensmittelzusatzstoffe (Stabilisatoren, Antiklumpmittel, Emulgatoren, z. B. in Back- und Süßwaren), aluminiumhaltiges Geschirr (Alu Dosen), Lebensmittelverpackungsmaterial sowie Antacida- und Dialysetherapien [6] [18] [19].

3.1.2 Toxische Wirkungen

Aluminium und Aluminiumverbindungen werden hautsächlich oral und inhalativ aufgenommen. Eine dermale Aufnahme ist nicht bekannt. Die Hauptzielorgane sind die Lunge und das zentrale Nervensystem [21].

Nach hoher, inhalativer Exposition von aluminiumhaltigen Stäuben wurden Lungenfibrosen und obstruktive Atemwegerkrankungen beobachtet.

Toxische Wirkungen des Aluminiums verbunden mit der Hemmung der Resorption von PO43-,

F^-, Ca²⁺, Fe^2+,3+ [14] [22] haben eine Knochenerweichung (Osteomalazie), neurotoxische Wirkungen [23] sowie embryotoxische Effekte im Tierversuch zur Folge [15] [19].

Die Resorption von Aluminium nach oraler Aufnahme beträgt ca. 1 % und inhalativ als Aluminium-haltige Stäuben bis ca. 10 % [22]. Deswegen werden toxische Manifestationen bei beruflich nicht exponierten Personen in der Medizin bei Dialysepatienten (therapeutische Gabe von Aluminiumhydroxid) und bei der Behandlung von Gastritis und Ulzera beobachtet [15] [22].

Nach der Aufnahme verteilt sich Aluminium gleichmäßig zwischen Plasma und Blut.

Im Plasma binden 80 bis 94 % des Aluminiums an Transferrin. Das resorbierte Aluminium wird ausschließlich (ca. 98 %) über die Niere ausgeschieden [23]. Als Antidot wird Deferoxamin eingesetzt [22].

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21 3.1.3 Referenz- und andere Grenzwerte

Serum < 10 µg/l [18]

1 – 3 µg/l [21]

Urin < 20 µg/l [18]

BAT-Wert: 200 µg/l bis 2010

ab 2010 BAT-Wert: 60 µg/g Krea [24]

Luft

Durchschnittliche Belastung : 0,005-0,18 μg/m³.

0,4-8,0 μg/m³ in städtischen und industriellen Bereichen [21].

3.2 Blei

Blei ist in der Umwelt am häufigsten als Bleisulfid in den Oxidationsstufen 0, +2 und +4 verbreitet [14] [15].

Blei hat dank seiner chemisch-physikalischen Eigenschaften und trotz seiner toxischen Wirkung große Verbreitung und Verwendung in vielen Gebieten menschlichen Lebens gefunden. In der heutigen Zeit werden bleihaltige Stoffe mit der Entwicklung neuer Technologien durch alternative Verbindungen und Stoffe ersetzt. Zum Beispiel stellen Bleirohre als Bestandteile der Trinkwasserleitungen noch heute in Europa eine Sanierungsaufgabe in älteren Häusern dar. Bleihaltige Trinkwasserrohre dürfen seit 1973 in Deutschland nicht mehr neu eingebaut werden [25], und alle alten bleihaltigen Trinkwasserrohre sollen bis 2013 ausgetauscht werden [26]. Ab 2013 wird in TWV der Grenzwert für Blei in Trinkwasser auf 10 µg/l herabgesetzt werden [27]. Weiches nitrat-, carbonat- und huminsäurehaltiges Wasser kann toxisch relevante Mengen an Blei aus den Leitungsrohren herauslösen und zu chronischen Vergiftungen führen [14].

Blei und seine Verbindungen haben eine große Verbreitung in Industrie für die Herstellung von Akkumulatoren. Etwa die Hälfte der Bleiproduktion [14] und fast 80 % des für Batterien verbrauchten Bleis besteht heute in Deutschland aus recyceltem wieder gewonnenen Blei [28]. Der Einsatz als Antiklopfmittel findet in Europa keine Anwendung mehr.

(23)

22 3.2.2 Toxische Wirkungen

Nach oraler Aufnahme an anorganischem Blei liegt die Resorption im GIT bei nicht beschädigtem Darmepithel bei Erwachsenen unter 10% und bei Kindern bis zu 50%.

[5] [14]. Wird das Darmepithel beschädigt, steigt die intestinale Resorptionsquote.

Eisen-, Zink-, Kalzium- und Phosphatmangel erhöhen die gastrointestinale Resorptionsrate [29]. Inhalativ wird Blei bis zu 80% resorbiert. Nach der Resorption wird Blei über 90% in Erythrozyten an das Hämoglobin und die Zellmembran reversibel gebunden (Halbwertzeit ca. 12 Tagen [30]). Anorganische Blei- Verbindungen werden in Knochen und Zähnen, indem sie in Hydroxylapatit eingebaut werden, akkumuliert (Halbwertzeit ca. 20 Jahren [5]) [14]. Mobilisiertes Blei kann durch Fieber, Schwangerschaft, Azidose, Frakturen oder Stress freigesetzt werden [5].

Das Blei kann die Blut-Hirn-, und die Plazentarschranke in Form von lipophilen Komplexen passieren [5]. Die Exkretion erfolgt bis zu 75% renal, 15% fäkal und bis zu 10% über Haare, Nägel, Schweiß und Milch [5] [22].

Organische Blei-Verbindungen werden dank ihrer höheren Lipophilie leicht dermal und inhalativ resorbiert und gelangen rasch in das Gehirn (Halbwertzeit ca. 500 Tage) [5] [14].

Blei hemmt die delta-Aminolaevulinsäure-Dehydrase, die Koproporphyrinogen III- Decarboxylase, sowie die Ferrochelatase und blockiert die Synthese des Hämoglobins (s. Tabelle 3). Durch die Verkürzung der Lebensdauer der Erythrozyten ist die schädliche Wirkung von Blei auf die Erythrozyten zu erklären.

Dabei aktivieren Bleiionen Kaliumkanäle, was zu einem vollständigem Kaliumverlust führen kann [5]. Drei grundlegende toxikologische Mechanismen lassen sich bei Blei-Intoxikation formulieren:

- die Substitution von Kalzium-Ionen durch Blei - die Substitution von Zink-Ionen durch Blei

- die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies durch Blei [31].

(24)

23 Tabelle 3: Blut-Bleikonzentrations-Wirkungsbeziehungen nach [32] [33].

3.2.3 Referenz- und andere Grenzwerte Blut Kinder 6 – 12 J. < 60 µg/l [18]

Frauen 25 – 69 J. < 90 µg/l [18]

Frauen BAT < 70 µg/l [24]

Männer 25 – 69 J. < 120 µg/l [18]

HBM-I HBM-II BAT Kinder, Frauen < 45 J. 100 µg/l [34] 150 µg/l [34] 70 µg/l Männer, Frauen > 45 J. 150 µg/l [34] 250 µg/l [34] 400 µg/l

Urin < 27 µg/l [18]

< 20 µg/l [35]

Haar < 10 µg/g [35]

< 5,0 µg/g [36]

Zähnen < 20 µg/g [36]

- PTWI-Wert (provisional tolerable weekly intake):

Männer, Frauen, Kinder: 25 µg/kg KG

- Tolerierbare Aufnahme pro Tag: 3,5 µg/kg KG

- Mobilisationstest: nach 1 g Ca-EDTA, > 1000 µg/24h, Kinder > 600 µg/24h [37]

- MAK-Wert: 0,75 mg/m³(organ. Pb), 0,10 mg/m³(anorgan. Pb) - Trinkwasser (TWV): 25 µg/l, ab 2013 10 µg/l

Blei im Blut, μg/L Medizinisch relevante Wirkungen

>150 Hemmung der delta-Aminolävulinsäure-Dehydratase 100 – 200 Einfluss auf Lernfähigkeit und IQ bei Kindern

200 - 600 Erythrozyten-Protoporphyrin erhöht

ab 400 delta-Aminolävulinsäure und Koproporphyrin im Urin erhöht

500 – 600 chronische Enzephalopathie bei Kindern 600 - 800 periphäre Neuropathie

> 800 chronische Enzephalopathie bei Erwachsenen 700 - 1000 Nierenfunktion eingeschränkt

800 – 3000 akute Blei-Enzephalopathie

(25)

24 3.3 Cadmium

Cadmium ist ein natürlich vorkommendes, leichtflüchtiges Element und kommt in Böden ubiquitär vor. Durch Wechselwirkung mit Huminsäuren reichert es sich in der organischen Substanz des Bodens an, was dazu führt, dass es von Pflanzen aufgenommen wird und somit auch von Mensch und Tier aufgenommen werden kann [5] [38]. Einige Pflanzen und Pflanzenteile akkumulieren das Cadmium.

Höhere Mengen sind in der Tabakpflanze 0,5 bis 2,0 µg/g(TG) zu finden. In Wurzel- und Großblättergemüse, im Mohn, in Sonnenblumenkernen, in Weizen, in Äpfeln, in Kartoffeln und in Wildpilzen kann mehr als 0,1 µg/g(TG) vorhanden sein [5] [18]. Mit der Nahrung nimmt ein Europäer täglich ca. 50 µg Cadmium zu sich [22], wobei die tägliche Aufnahme in Deutschland auf 15 µg abgeschätzt worden ist [38]. Bei rauchenden Personen ist zusätzlich mit einer Aufnahme von 1 bis 3 μg Cadmium pro Tag zurechnen [38].

Cadmium und seine Verbindungen haben große Verbreitung in der Industrie als Antikorrosionsmittel (30 bis 60 % jährliche Produktion), Stabilisierungsmittel für Kunststoffe, als Legierungsbestandteil, als Farbpigment (leuchtende Verkehrsschilder, Plastikfarben) und für die Herstellung von Trockenbatterien und Akkumulatoren [5] [22] [38] [39].

Bei Schweißarbeiten wird Cadmium als einatomiges Gas freigesetzt und reagiert mit Sauerstoff zu Cadmiumoxid [5]. Seine Einträge in der Umwelt finden durch die Verbrennung fossiler Energieträger, über Müll, Klärschlamm und die Verwendung von Phosphatdüngern statt [39].

Cadmium und seine Verbindungen werden in der Lunge als Aerosole, je nach Partikelgröße und Wasserlöslichkeit, zu 25 bis 50% und im GIT, je nach Nahrungszusammensetzung zu 2 bis 8% resorbiert. Bei Kalzium-, Eisen- und Proteinmangel steigt dies bis auf 15% an [5] [15] [18] [22] [38] [39]. Eisenmangel führt zu erhöhter Produktion von Transportprotein (DMT1). Bei Kalziummangel werden endogene Liganden verstärkt gebildet, um die Resorption von Kalzium und Eisen zu erhöhen. Deswegen und dank bivalenter Mimikry wird die Resorption von

(26)

25 Cadmium entsprechend gesteigert [5]. Andererseits sinkt die Cadmium-Resorption bei gleichzeitiger Zufuhr von anderen bivalenten Kationen, da eine erhöhte Konkurrenz um die Metall-Ionen-Transporter stattfindet [38].

Die Cadmiumbelastung von beruflich nicht exponierten Personen erfolgt hauptsächlich über die Nahrungsmittel. Andere Aufnahme-Wege von Cadmium sind im Vergleich zur Aufnahme mit der Nahrung von geringer Bedeutung [38].

Im Blut ist Cadmium zu ca. 90% an die Blutzellen des MT und an andere Peptide oder Aminosäuren mit freier Cysteingruppe gebunden. Der Cadmium-Plasmaspiegel beträgt ca. 10% [38]. Das in GIT resorbierte Cadmium ist überwiegend an Albumin gebunden und wird so zur Leber und zur Niere transportiert. Cadmium induziert hier die Bildung des niedermolekularen Eiweißkörpers Metallothionein und bindet daran [5] [15] [18] [38] [39]. Durch diese Proteinbindung besitzt Cadmium eine Halbwertzeit von 10-30 Jahre und wird sehr langsam ausgeschieden [5] [14] [15].

Das an MT gebundene Cadmium wird im proximalen Tubulus resorbiert und aus der Cd-MT-Verbindung abgespalten, was zu einer Deponierung in den Tubuluszellen führt. In der Nierenrinde wird 30 - 50% und in der Leber und den Muskel etwa bis zu 40% des Gesamtkörperbestandes gelagert [5] [14] [15]. Dank der starken Bindung an MT ist Cadmium kaum plazentagängig [5].

Nach der Geburt steigt der Cadmium-Gehalt stetig an, und erreicht nach 50 – 60 Jahren sein Maximum [14]. Bei beruflich nicht exponierten und nicht rauchenden Personen liegt der Cadmium Wert durchschnittlich bei 24 mg/kg(FG) und bei rauchenden Personen bei 73 mg/kg(FG) in der Nierenrinde [5]. Nierenschäden sind bei der Konzentration von 200 mg/kg(FG) bei 10% und bei 300 mg/kg(FG) bei 50 % der Population zu erwarten [5] [14]. Dann scheint eine Grenze in der Speicherkapazität erreicht zu sein und freigesetztes Cadmium kann irreversibel die Nierentubuli schädigen, wodurch seine renale Ausscheidung zunimmt. Solche Konzentrationen sind höchstens durch eine langjährige berufsbedingte Exposition erreichbar [5].

Bei gesunden Nieren beträgt die renale Ausscheidung < 5% und steigt mit den Nierenschäden an [5] [14].

Das im GIT nicht resorbierte Cadmium wird mit den Faeces ausgeschieden. Die Cadmiumkonzentration im Urin korreliert bei normaler Nierenfunktion mit der in den Nieren gespeicherten Cadmiummengen. Die Cadmiumkonzentration im Blut spiegelt überwiegend die aktuelle Exposition der letzten 3-5 Wochen wieder [38] [40]. Im Urin zeigt sie überwiegend die chronische Exposition an [38].

(27)

26 Das gemeinsame Prinzip der bekannt gewordenen akuten Schädigungen durch Cadmium beruht auf der Eigenschaft seiner Ionen, Proteine in Membrangrenzflächen zu denaturieren. Hierbei löst es über Radikalbildung eine Lipidperoxidation aus [5].

3.3.3 Referenz- und andere Grenzwerte

Blut: HBM-I-Wert

Nicht aktiv rauchende Kinder

(drei bis 14 Jahre) [38]: 0,3 μg/l

Erwachsene Nichtraucher

(18 bis 69 Jahre) [38]: 1,0 μg/l

Blut

Raucher [41] < 1,0 µg/l bis < 3,0 µg/l

BAR (Nichtraucher) [42]: 1,0 μg/l

Urin HBM-I-Wert HBM-II-Wert Nicht aktiv rauchende Kinder (3 bis 14 Jahre) [43]: 0,2 µg/l

Erwachsene Nichtraucher (18 bis 69 Jahre) [38]: 0,8 µg/l

Kinder und Jugendliche [38]: 0,5 μg/l 2,0 μg/l

Erwachsene Nichtraucher(18 bis 69 Jahre) [38]: 1,0 μg/l 4,0 µg/l BAR (Nichtraucher) [41]: 0,8 µg/l

PTWI-Wert: 7 µg/kg KG

Trinkwasser (TVO): 3µg/l ab 2011

BAT-Wert (wegen der karzinogenen Wirkung ausgesetzt) [41]: 15 µg/l (Blut / Urin)

(28)

27 3.4 Antimon

Antimon ist ein seltenes aber aufgrund anthropogener Aktivitäten ubiquitär verbreitetes Halbmetall. Es liegt in mehreren Oxidationsstufen -3, 0, +3, +5 vor, jedoch am häufigsten in Form von Sulfiden und Oxiden in der Oxidationsstufe +3 [15] [44]. Bekannt sind mehr als 3000 metallorganische Antimonverbindungen [18].

Antimon wird dank seiner Vielfältigkeit in vielen industriellen Bereichen eingesetzt. In Metallurgie wird Antimon verwendet, um die Härte von Cu, Pb, Zn zu erhöhen.

Antimon ist in Textilien, Papier und Kunststoffen als Flammschutzmittel, als Katalysator für PET (Getränkeflaschen) und als Farbpigment zu finden [15] [45].

Tabakpflanzen enthalten 0,1 mg/kg TG des Elements [18]. Antimon wird in der Umwelt durch Kohleverbrennung, Verhüttung von Erzen und als Abrieb aus Bremsen und Reifen freigesetzt [18] [45].

Bei nicht beruflich exponierten Personen wird 23 µg Antimon täglich in Deutschland hautsächlich aus den Lebensmitteln aufgenommen [18]. Durch saure Lebensmitteln kann Antimon zudem aus Keramikglasuren und Zinnhaltigen Metallgefäßen herausgelöst werden [45].

Die toxischen Mechanismen von anorganischen Antimonverbindungen sind chemisch den anorganischen Arsenverbindungen sehr ähnlich. Die Toxizität der Antimonverbindungen ist von der Oxidationsstufe und von der Löslichkeit abhängig [46].

Generell gilt für Antimon, dass dreiwertige Antimonverbindungen eine 10-fach höhere toxische Aktivität als fünfwertige, anorganische Antimonverbindungen haben.

Somit sind diese toxischer als organische [15] [4].

Nach oraler Aufnahme, die sehr langsam und gering ist, verteilt sich Antimon in allen Körpergeweben mit höheren Konzentrationen in der Leber, der Gallenblase und den Schleimhäuten des Verdauungstraktes [15] [47].

Dreiwertiges Antimon als stabilste Form, vorwiegend als Sb(OH)3, kann die Zellmembranen leichter passieren und unter physiologischen Bedingungen mit Thiolgruppen eine Reaktion eingehen. Der auf diese Weise verminderte

(29)

28 Glutathionspiegel blockiert die Enzymaktivitäten und hemmt die Reparatur von DNA-Schäden. Der größte Teil des resorbierten Antimons wird innerhalb von drei Tagen renal (überwiegend Sb⁵⁺) zu 80 % und über die Faeces (überwiegend Sb³⁺) zu 20 % ausgeschieden [4] [47] [48].

Bei Expositionen am Arbeitsplatz steht die inhalative Aufnahme von Antimon- haltigen Stäuben und Dämpfen im Vordergrund. Antimon gelangt über die Lunge schnell in das Blut und lagert sich an die Erythrozyten.

3.4.3 Referenz- und andere Grenzwerte Blut

Kinder 3 bis 14 Jahre: < 0,3 µg/l [45]

Erwachsene: < 1,1 µg/l [18]

Urin

Kinder 3 bis 14 Jahre: < 0,3 µg/l [43]

Serum

3.5 Thallium

Thallium kommt dank der guten Wasserlöslichkeit seiner Verbindungen überall in der Natur in geringen Konzentrationen vor. Erhöhte Thallium-Werte können in der Nähe von Zement- und Hüttenwerken, von Kohlekraftwerken und Müllverbrennungsanlagen gemessen werden [49] [50].

Bei nicht beruflich exponierten Personen wird Thallium hauptsächlich über Lebensmittel (Gemüse liefern den größten Betrag) aufgenommen und liegt bei täglicher Aufnahme in nicht belasteten Regionen zwischen 2 und 5 µg. Bekannt ist, dass Pilze und einige Kohlsorten Thallium akkumulieren können [22].

Thallium und seine Verbindungen werden in Elektro-, Optik-, Chemie-, Pyrotechnik-, und Halbleiterindustrie in kleinen Mengen verwendet und seit langer Zeit als Rodentizide eingesetzt [5] [18] [22].

(30)

29 3.5.2 Toxische Wirkungen

Lösliche Thallium-Verbindungen werden leicht über die Lungen und die Haut resorbiert. Oral aufgenommene löslichere Thallium-Verbindungen werden im GIT bis zu 80% rasch resorbiert. Im Körper wird dreiwertiges Thallium zu stabilerem, aber auch toxischerem einwertigem Thallium umgewandelt und mit Hilfe des Eisentransportproteins im ganzen Körper verteilt. Thallium wird in der Niere, der Leber, dem Herz, der Knochen, der Haut, den Nägeln und den Haaren angereichert. Es durchdringt leicht biologische Membranen und kann so die Blut- Hirn-Schranke und die Plazentaschranke passieren [5] [14] [22] [50].

Thallium wird sehr langsam (ausgeprägter enterohepatischen Kreislauf) mit einer Halbwertzeit von mehr als zwei Wochen hauptsächlich über Urin (ca. 70%) und Faeces (ca. 30%) ausgeschieden. Damit ist Thallium ein typisches Kumulationsgift, da seine Elimination im Vergleich zu einer chronischen Exposition gering ist. Die monovalente Mimikry in Oxidationszahl und Radius von Thallium- und Kalium-Ionen wird für die Toxizität von Thallium verantwortlich gemacht. Wie andere Schwermetalle hat Thallium eine höhe Affinität zu Thiolgruppen, was zu einer Verarmung des Glutathionvorrats führen kann. [5] [14] [22] [50].

Zur Entgiftung wird unlösliches Eisen(III)-Hexacyanoferat(II) verabreicht, was zur Unterbrechung des enterohepatischen Kreislaufs, und damit zur Steigerung der Ausscheidung führt [22].

3.5.3 Referenz- und andere Grenzwerte Blut < 0,6 µg/l [ [18]

Serum < 0,3 µg/l [18]

Urin < 0,3 µg/l [18]

< 0,5 µg/l, Kinder von 3 bis 14 Jahren < 0,6 µg/l [50]

HBM-I-Wert HBM-I-Wert Urin für die Gesamtbevölkerung : 5 μg/l [16] ---

RfD-Wert (Oral Reference Dose) 0,080 μg/kg KG und Tag

(31)

30 Eine tolerierbare tägliche Thallium-Zufuhr von ca. 6 μg, für einen 70 kg schweren Mensch, entspricht einer Urinkonzentration von ca. 3 μg/l [50].

Tabelle 4: Referenz, Belastungs- und toxische Werte für Thallium [51].

Probenmatrix Erwachsene ohne Belastung, µg/l

erste klinische Symptome, µg/l

Schwere Intoxikation, µg/l

Vollblut < 2,0 3,0 – 5,0 > 200

Urin < 1,5 4,5 – 80 > 500

Serum < 2,0

Haare < 0,02µg/g Nägel < 0,2 µg/g

3.6 Chrom

Von den möglichen Chrom-Oxidationsstufen zwischen -2 bis +6, sind Cr(III)- und Cr(VI)-Verbindungen am meisten verbreitet und von toxikologischem Interesse.

Chrom wird überwiegend bei der Herstellung von Edelstählen (über 12%

Chromgehalt), zur Hartverchromung (Beschichtung ca. 500µm), als Pigment in Rostschutzlacken, in Holzschutzmittel und bei Ledergerbung (bis 16 g/m²) verwendet [5] [14] [15] [22] [52]. Eine weitere Expositions-Quelle sind Implantate und Prothesen die bis zu 28% Chrom enthalten [53].

3.6.2 Essenzielle und toxische Wirkungen

Cr(III) ist ein essentielles Spurenelement und beeinflusst Glukose- und Lipid- Metabolismus über die Insulinaktivität [5] [15] [54]. An Tierexperimenten wurden Wachstumsbeeinträchtigungen bei Chrommangel gezeigt [55]. Cr(III) wird oral gering (ca. 0,5 - 1%) und inhalativ von 10 (Partikel < 50 µm) bis 50% (< 2,5µm) resorbiert. Organisch gebundenes Cr(III) wird in Form des Glucose-Toleranzfaktors zwischen 10 und 25 % resorbiert [5] [54].

(32)

31 Cr(III) kann die Erythrozytenmembran nicht durchdringen und wird im Plasma zu 85% an Transferrin, zu 6% an Albumin und zur ca. 8% an anderen Proteinen gebunden [5] [54].

Chrom(VI)-Verbindungen werden besser inhalativ (bis 70% je nach Verbindung [22]

und sowohl dermal als auch oral (Chromat ca. 2%) aufgenommen [22]. Im Magen wird Cr(VI) rasch zu Cr(III) reduziert. Unter physiologischen Bedingungen (pH 7,4) liegt es als eine Mischung aus Chromat (CrO42–

) - und Hydrogenchromat (HCrO4 -) - Ion vor und seine Oxidationsstärke wird leicht vermindert. Dank anionischer Mimikry werden sie leicht über unspezifische Anionen-Kanäle mit der Hilfe von Phosphat- und Sulfat-Anionen-Austausch-Carrieren in das Zellinnere transportiert und dort durch Glutathion nicht-enzymatisch mit der Bildung von radikalischem Sauerstoff und Schwefelverbindungen zu Cr(III) reduziert (s. Abbildung 3). Bis zur Hälfte des die Zelle durchdringenden Chroms wird an DNA und RNA gebunden und hemmt somit die DNA-Synthese. Das aus Zellen austretende Cr(III) wird hauptsächlich an Transferrin gebunden und renal ausgeschieden. Nicht resorbiertes Chrom wird mit den Faeces ausgeschieden [5] [54]. Chrom(VI)-Verbindungen wirken hautsensibilisierend, embryo- und fetotoxisch und weisen eine postnatale Entwicklungstoxizität auf [54]. Chromate sowie Dichromate verursachen Verätzungen der Haut und Schleimhäute und bei chronischer Exposition führen diese zu Allergisierung der Haut [14].

3.6.3 Referenz- und andere Grenzwerte Blut

Cr(VI) in Erythrozyten: < 0,7 µg/l [18]

Serum

Cr(III): < 0,4 µg/l [18]

Urin < 1,5 µg/l [18]

Cr gesamt, BAR: < 0,6 µg/l [56]

Tägliche Höchstdosis in Nahrungsmittel wird 250 µg/Tag empfohlen [14].

(33)

32 3.7 Kobalt

Kobalt gehört zu essentiellen Spurenelementen (Bestandteil Vitamin B12), und liegt am häufigsten in den Oxidationsstufen +2 und +3 in Umwelt vor. Kobalt- Verbindungen werden in Metall-, Keramik-, Glas- und Schmuckindustrie eingesetzt [14] [57].

Kobalt-Chrom Legierungen, die bis zu 64 % Kobalt enthalten, werden in der orthopädischen Chirurgie und Traumatologie zur Herstellung von Implantaten und Prothesen angewendet [58] [59]. Aus Legierungen kann Kobalt durch Korrosion oder über Abrieb freigesetzt werden und allergische Reaktionen auslösen [60].

3.7.2 Essentielle und toxische Wirkungen

Als essentielles Spurenelement ist Kobalt an Vitamin B12-abhängigen Stoffwechselreaktionen beteiligt. Oral aufgenommene Kobalt-Verbindungen werden gut im GIT resorbiert. Bei täglicher Aufnahme von über 20 mg Kobalt werden toxische Effekten an Haut, Lunge, Leber, Herz und Nieren beobachtet. Inhalative Aufnahme von kobalthaltigen Stäuben und Aerosolen führen zu Fibrosen und werden im Bezug auf Tierversuche krebserzeugend (Kategorie 2) eingestuft [15]. Oft werden durch das Kobalt allergische Hautreaktionen ausgelöst.

Kumulations-Effekte für Kobalt sind in signifikanten Größen nicht bekannt, renal wird bis zu ca. 80% ausgeschieden [14].

3.7.3 Referenz- und andere Grenzwerte

Blut < 0,9 µg/l [18]

Serum < 0,4 µg/l [18]

Urin < 1,0 µg/l [18]

(34)

33 3.8 Nickel

Nickel gehört zu essentiellen Spurenelementen und ist hauptsächlich in seinen Verbindungen in der Oxidationsstufe +2 verbreitet. Nickel wird für die Herstellung von rostbeständigem Stahl in der Metallurgie verwendet, wobei über 3000 Nickellegierungen bekannt sind [14] [18] [22]. Für die Herstellung von Batterien, Pigmenten, Werkzeuge, Schmuck (Nieten, Reißverschlüssen, Piercing) und Münzen hat Nickel seine Verbreitung gefunden [15] [61]. Bei nicht beruflich exponierten Menschen wird Nickel überwiegend (ca. 95 % [14]) mit der Nahrung aufgenommen, wobei in den pflanzlichen Lebensmitteln deutlich höhere Werte (1-13 mg/kg [61] zu finden sind. Diese sind vom Nickel-Gehalt im Boden abhängig.

Die Nickelkonzentration im Trinkwasser in Deutschland liegt zwischen 5 und 20 µg/l [61], die Luft in Europa ist im Mittel mit 10 ng/m³ belastet und eine Zigarette liefert weitere 2 ng Nickel [22]. Fossile Brennstoffe können bis zu 100 mg/kg enthalten [61].

Nickel und anorganische Nickelverbindungen in Form von Stäuben und Aerosolen werden als krebserzeugend für den Menschen eingestuft. Lösliche Nickel- Verbindungen passieren sehr langsam die Zellmembran, was ihre kanzerogene Wirkung vermindert. Mittel- und schwerlösliche Nickel-Verbindungen zeigen höheres kanzerogenes Potenzial, wobei mittellösliches Nickel(II)-sulfid und Nickel(III)-sulfid zu den stärksten heutzutage bekannten Kanzerogenen gehören.

Schwerlösliche Nickel-Partikel werden phagozytiert und gelangen dadurch in großen Mengen in die Zelle, wo sie sich langsam lösen. Die kanzerogene Wirkung von Nickel-Verbindungen ist auf indirekte Wirkungsmechanismen zurückzuführen.

Sie zeigen, obwohl schwach mutagene, deutlich höhere komutagene Eigenschaften, die auf die Inaktivierung von DNA-Reparaturmechanismen zurückzuführen sind.

Vergiftungen durch den Verzehr von Lebensmittel sind nicht bekannt [15]. Die Resorption im GIT aus Nahrungsmitteln beträgt ca. 15 % und aus Trinkwasser 8 bis 50 %, wobei bei einem leeren Magen höhere Werte erzielt werden. Die Ausscheidung von oral aufgenommenen Nickel erfolgt überwiegend über Fäzes [61].

(35)

34 Inhalativ aufgenommenes Nickel in leichtlöslichen Verbindungen wird bis zu 90 % renal mit einer Halbwertzeit von 1 bis 1,5 Tage eliminiert [61].

Metallisches Nickel weist eine sensibilisierende Wirkung bei Hautkontakt auf und kann allergische Reaktion in der Epidermis auslösen, die sich durch Aufnahme nickelreicher Nahrungsmittel verschlimmern kann [14]. Man schätzt, dass 10 bis 20 % der Bevölkerung gegen Nickel sensibilisiert sind [62].

3.8.3 Referenz- und andere Grenzwerte Serum < 2,8 µg/l [ [18]

Blut < 3,3 µg/l [18]

Urin < 1,7 µg/l [ [18]

Erwachsene, BAR < 3,0 µg/l [56]

Kinder < 4,5 µg/l [43]

HBM-Werte für Nickel im Urin können nicht abgeleitet werden, weil für Stoffe mit krebserzeugender Wirkung unmöglich gesundheitlich unbedenkliche Grenzwerte definiert werden können. Auch für die sensibilisierende Wirkung können derzeit keine gesundheitlich unbedenklichen Schwellenwerte abgeleitet werden [61].

(36)

35 4. Analytischer Teil

Ein analytischer Prozess besteht aus Präanalytik, Analytik und Postanalytik. Die schwächsten Glieder dieses Prozesses sind wohl der präanalytische und der postanalytische Teil.

4.1 Präanalytik

Präanalytische Fehler lassen sich nie vollständig eliminieren, aber durch strenge organisatorische Maßnahmen können diese deutlich reduziert werden [63]. Die wichtigsten präanalytischen Schritte und organisatorischen Maßnahmen, betreffend Metallanalytik, werden hier aufgeführt:

Vorbereitung zur Probenahme

Erkundigung im Labor nach aussagekräftigem Probenmaterial (z. B. Blut, Serum, Plasma, Urin, Stuhl, Sputum, Haar, Gewebe, Ejakulat, Punktat); nach benötigter Mindestprobenmenge; nach Notwendigkeit der Probenkonservierung; nach geeigneten Probengefäße (z. B. Glasröhrchen sind wenig geeignet; für Hg- Bestimmung wegen Adsorption an Probengefäß [64], für Ba-Bestimmung wegen höheren Ba-Konzentrationen im Glas) und Zusatzmittel.

Probenahme (Gewinnung-, Teilung-, Trennung- des Probenmaterials) Möglichst kontaminationsfreie Probenahme (saubere, staubfreie Luft).

Aufbewahrung und Transport das Probenmaterial

Probenmaterial immer im geschlossenem Gefäß aufbewahren und transportieren.

Beurteilung zur Analyseeignung des Probenmaterials

Überprüfung im Labor. Es folgen die ersten drei präanalytischen Schritte. Richtiges Probenmaterial und Probengefäß? Genügend Probenmenge? Zustand der Probe (hämolytisch, heterogen, war eingefroren, Zeit zwischen Probenahme und Probeneingang z.B. bei Cr(VI) im Erythrozyten, etc.). Wird eine Ablehnung festgestellt, so muss dies dokumentiert werden und eine Entscheidung getroffen werden, ob eine Analyse sinnvoll ist oder neues Untersuchungsmaterial angefordert werden soll [65].

(37)

36 Probeverteilung, Transport und Aufbewahrung im Labor

Probengefäß immer geschlossen aufbewahren und transportieren. Am Originalgefäß keine Eingriffe durchführen, die die Zusammensetzung und Stabilität der Probe verändern (z. B. Blut im Originalgefäß einfrieren, das Plasma von Erythrozyten abpipettieren oder Plasma enteiweisen). Wenn dies passiert, dann unbedingt am Probengefäß kennzeichnen.

Probenvorbereitung

Analyt spezifische Arbeitsschritte (z.B. verdünnen, puffern, extrahieren, konzentrieren, aufschließen). Nach Möglichkeit, die Probenvorbereitung und die Probenanalyse räumlich trennen. Bei der Probenvorbereitung neben Analysengeräten mögliche Kontaminationsquellen erkennen und eliminieren (z. B.

Probenvorbereitung für Palladiumanalytik im Raum, wo Palladium-Modifier in Routine bei GR-AAS, Graphitrohr- Atomabsorptionsspektrometrie, angesetzt wird).

Nach Möglichkeit immer vom Originalgefäß die Probenvorbereitung durchführen. Bei pathologischen Werten unbedingt Bestätigungsanalyse aus Originalprobe durchführen. Probenvorbereitung und die Messung möglichst durch gleiche Hände laufen lassen [66].

Stabilität der Bezugslösungen

Alle Bezugslösungen haben begrenzte Haltbarkeit, die von verschiedenen Faktoren beeinflusst werden. Das ist unter anderem die Konzentration der Lösung (je konzentrierter desto länger ist die Haltbarkeit in mg/l bezogen auf Monate und in g/l bezogen auf Jahre) und die Gefäßwandadsorption (ist vom pH-Wert der Lösung, vom Gefäßmaterial und dem Analyt selbst stark beeinflussbar). Generell gilt: je niedriger der pH-Wert desto weniger Adsorption an das Wandgefäß. Je glatter die Oberfläche des Gefäßes ist, desto niedriger ist die Wandadsorption, wobei sich am besten HD-PE, PP, PTFE und PFA Materialien bewährt haben. Bei den Metallen Hg, Mo, Ag, Au, Pb und Ta ist eine erhöhte Wandadsorption zu erwarten [66].

4.2 Analytik

Der heutige Stand der Entwicklung der analytischen Chemie macht es möglich, die kleinsten Konzentrationen in ng und pg pro Kilogramm ohne Aufkonzentrierung der Probe zu detektieren. Wenn im 19. Jahrhundert die Konzentration als „ Spuren“

bezeichnet wurde, wurde von einer Größenordnung von mg/kg ausgegangen. Mitte

(38)

37 des 20. Jahrhunderts konnten die Konzentrationen bis µg/kg detektiert werden und seit Ende des 20. Jahrhunderts ist in der analytischen Chemie der Begriff

"Ultraspuren" verbreitet. Dabei spricht man von Konzentrationen ab ng bis pg pro Kilogramm.

In dieser Arbeit werden die häufig angewandten analytischen Methoden, wie AAS, ICP-MS und ICP AES zusammengefasst.

In besprochenen Konzentrationsbereichen wird empfohlen die gesamte Probenvorbereitung und Messung unter "Reinraum"-Bedingungen durchzuführen.

4.2.1 Atomabsorptionsspektrometrie

Atomabsorptionsspektrometrie war sehr lange Zeit im Bereich humaner Spurenanalytik eine der häufigsten Analysentechniken, die in den unterschiedlichsten Varianten zum Einsatz kam. Die Wichtigsten davon sind:

- F-AAS – Flammen- Atomabsorptionsspektrometrie - GR-AAS – Graphitrohr- Atomabsorptionsspektrometrie - Hydrid-AAS – Hydrid- Atomabsorptionsspektrometrie

- Die Atomabsorptionsspektrometrie in Verbindung mit der Kaltdampf- Absorption

- HR-CS-AAS - Hochauflösende AAS mit kontinuierlicher Strahlungsquelle Im Spurenbereich findet F-AAS keine praktische Verwendung, da heute nur noch in wenigen Laboratorien Zink und Kupfer im Urin gemessen werden (NWG ca. 10-20 µg/l). Typische Nachweisgrenzen sind in Tabelle 5 zu finden. Zu den größten Nachteilen der AAS-Techniken gehören lange Analysezeiten und oft aufwendige Probenvorbereitung. Ebenfalls können nur Monoelement-Analysen durchgeführt werden [16].

4.2.1.1 Prinzip der Analysenverfahren

Das Prinzip der AAS basiert auf der Eigenschaft der Materie die Lichtenergie angeregter Atome aus dem Grundzustand zu absorbieren. Nach der Atomisierung, die durch Zufuhr höheren Temperaturen mit Hilfe von Flammen oder elektrischen Impulsen stattfindet, bildet sich eine Atomwolke. Durch diese Atomwolke wird Licht bestimmter Wellenlänge eingestrahlt. Lichtquanten werden absorbiert und die Atome in den angeregten Zustand überführt. Dabei wird die Intensität der Lichtabschwächung detektiert und in ein messbares elektrisches Signal umgewandelt.