Transfer yon Elementen in die Muttermilch

(1)

9 . .

Onglnalarbelten

Verteilung chemischer Elemente in der Nahrung und Milch stillender Miitter

Teil II- Ag, Au, Ba, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Ga, I, La, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pb, Ra, Rb, Re, Ru, Sb, Sr, Te, Th, Ti, U, Y, Zn und Zr ~,2

**Simone Wiinschmann*, Stefan Fr/inzle, Ina Kiihn, Heike Heidenreich, Olaf Wappelhorst und Bernd Markert**

Internationales Hochschulinstitut Zittau, Lehrstuhl Umweltverfahrenstechnik, Fachgruppe Human- und Okotoxikologie, Markt 23, D-02763 Zittau

* K o r r e s p o n d e n z a u t o r i n (wur

DOI: http:lldx.doi.org110.10651uwsf2004.02.072 Zusammenfassung

Ziel und Absicht. Es wurde der Obergang verschiedener Ele- mente aus der Nahrung der Mutter in die Muttermilch untersucht. Die aus der Untersuchung ftir stabile Elemente abgeleiteten Transferfaktoren (TF) Nahrung/Muttermilch werden im Strahlenschutz auf Radionuklide angewendet, um eine m6gli- che Strahlenexposition des S~iuglings dutch den Verzehr yon Muttermilch abzusch~itzen.

Methoden. Insgesamt nahmen in den Jahren 1998-2001 23 Mi~t- ter (mature Laktationsphase) im wesentlichen aus der Euroregion Neif~e (PL, CZ, D) tiber 2-8 Wochen an dieser Studie teil, von denen insgesamt 8805 Lebensmittel- und Muttermilchproben analysiert wurden. Die Ermittlung der t~glichen Element- aufnahme erfolgte hierbei mittels Duplikatmethode.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen. Anhand der ermittelten TF der Elemente Ag, Au, Ba, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Ga, I, La, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pb, Ra, Rb, Re, Ru, Sb, St, Te, Th, Ti, U, Y, Zn und Zr zeigten theoretische Oberlegungen, dass der Uber- tritt der Metallionen in die Frauenmilch in komplexierter Form erfolgt und dass der TF mit der relativen Stabilit~it der Komple- xe ansteigt. Daher kann vermutet werden, dass eine Gef~ihrdung des gestillten Kindes dutch die toxikologisch relevanten Elemente wie Cd, abet auch Ba nicht zu befiirchten ist.

Ausblick. Durch die zwischen dem TF fiir ein Element und Aufnahmemengen anderer bestehenden Beziehungen lassen sich Strategien der Fernhaltung yon fissiogenen Radionukliden entwi- ckeln, die effektiver sind als die klassische isotopische Verdim- nung; Iodtabletten sind aber auch hier von breiterem Nutzen.

Schlagw6rter: Lebensmittelanalyse; Makroelement; Mutter- milch; Spurenelemente; Transferfaktoren

Einleitung

Als empirischer Parameter dient in dieser Untersuchung der sogenannte T r a n s f e r f a k t o r N a h r u n g / M u t t e r m i l c h (TF), der den l]bergang yon chemischen Elementen aus der miitterlichen N a h r u n g in die M u t t e r m i l c h kennzeichnet. Er wird dabei definiert als K o n z e n t r a t i o n in der Frischsubstanz M u t - termilch [lag/kg] im Verh~iltnis zur t//glichen Z u f u h r des Ele- mentes [lag/d] unter Gleichgewichtsbedingungen. Insgesamt standen fiir diese Untersuchung 7510 Lebensmittel- und 1295

Abstract

Transfer of Selected Elements from Food into Human Milk Goal and Scope. The transfer of various chemical elements from maternal food into human milk was investigated. Transfer factors (hereafter TF) food/mother's milk were taken to represent those nuclides pertinent to radiation protection in order to esti- mate possible radioactive burdens of breast-fed babies.

Methods. A total of 23 mothers, mainly from the Euroregion Neisse (PL, CZ, D; all being in their mature phases of lactation), took part in this study (1998-2001), for time periods between two to eight weeks (8805 samples were analyzed). The diurnal uptake of elements was determined by the duplicate method.

Results and Conclusions. TF values determined for Ag, Au, Ba, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Fe, Ga, I, La, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pb, Ra, Rb, Re, Ru, Sb, St, Te, Th, Ti, U, Y, Zn, Zr were theoreti- cally analyzed with the following result: metal ions transfer into mother's milk mainly in coordinated states (i.e. bound to ani- onic ligands), with TF values which increase according to com- plex stabilities. Therefore it can be assessed that neither Cd nor Ba, both forming only weak complexes, pose hazards to breast- fed children.

O u t l o o k . There are relationships between transfer factors per-

taining to certain elements and the amounts of others consumed by the mother; i.e. (changes in) consumption of one element influence the transfer towards women's milk of another element.

Accordingly, strategies can be developed to keep off hazardous substances - including fissiogenic radionuclides - from milk which is far more efficient than traditional isotopic dilution;

however, iodide tablets are useful here, too.

Keywords: Food analysis; human milk; macro elements; trace elements; transfer factors

M u t t e r m i l c h p r o b e n von 23 M i i t t e r n aus der E u r o r e g i o n Neif~e (Dreil~indereck Republik Polen, Tschechische Repub- lik und Deutschland) zur Verfiigung, bei der das Element 1Teil h Iod (WCInschmann et al. 2002)

2 Dieser Artikel enth&lt Teile des Projektes 'Transfer von Elementen in die Muttermilch' im Auftrag des Bundesarntes fL~r Strahlenschutz, Die Ver- antwortung fLir den Inhalt liegt jedoch allein bei den Autoren. Ausf0hrli- chere Informationen finden sich in WOnschmann S, Fr&nzle, S & Marked B (2004): Transfer von Elementen in die Muttermilch. Methoden, Modellie- rungen, Empfehlungen, ecomed verlagsgesellschaft

(2)

Originalarbeiten Transfer yon Elementen in die Muttermilch

Iod bereits in Wiinschmann et al. (2002) eingehend disku- tiert wurde.

Die aus der Untersuchung stabiler Elemente abgeleiteten TF werden im Strahlenschutz auf radioaktive Isotope angewendet, um die Strahlenexposition eines Sfiuglings durch den Verzehr von Muttermilch zu berechnen. Dabei wird unter- stellt, dass sich die Biokinetik radioaktiver und stabiler Iso- tope eines Elementes nur geringfiigig unterscheidet. Radio- aktive Isotope sind, sofern sie nicht extrem langlebig sind, im Vergleich zu den stabilen Isotopen wegen ihrer geringen Stoffmenge als 'Verunreinigung' zu betrachten. Es kann davon ausgegangen werden, dass das Transport- und Ober- gangsverhahen eines radioaktiven und eines stabilen Isoto- pes (des gleichen Elementes) in der Nahrung und in der Muttermilch gleich sind (Ausnahme Tritium).

Aus der 'Verdiinnung' der radioaktiven Isotope dutch stabile Isotope des gleichen Elements resuhiert eine lineare Be- ziehung zwischen der tfiglichen Aufnahme eines radioaktiven Isotops mit der mi~tterlichen Nahrung und dessen Kon- zentration in der Muttermilch. Dies gilt unabh~ingig von einer eventuellen hom6ostatischen Regulierung des Element- gehahs in der Muttermilch, sofern die t~igliche Zufuhr stabiler Isotope gleich bleibt.

Bei stabilen tsotopen muss diese lineare Transferbeziehung, insbesondere in bestimmten Konzentrationsbereichen oder unter dem stets gegebenen Einfluss anderer Komponenten, nicht zutreffen. Dies er6ffnet zus~itzliche Handlungsperspek- tiven: wenn die vermehrte Zufuhr eines bestimmten Elements (Zn, Fe, I etc.) den Obertritt anderer, insbesondere toxischer wie Cd, Pb oder Ba in die Muttermilch hemmt, kann dies

dazu genutzt werden, den Sfiugling durch Supplementation bei der Mutter zu schiitzen, selbst wenn der dafiir Ausschlag gebende Mechanismus nicht bekannt ist.

Dies ist eine handlungsorientierte Dimension der Untersu- chungen; formal gesehen lie6e sich anstelle eines einzelnen Zahlenwerts fi~r den TF selbstverst~indlich auch ein Poly- nom h6heren (mindestens zweiten) Grades angeben, das diese Zusammenh/inge explizit numerisch beriicksichtigt. Die An- gabe solcher Polynome bediirfte aber noch einer breiteren Datenbasis. Daher wird hier am 'einfachen' TF fest gehalten.

1 Material und M e t h o d e n

Das Probenahmegebiet (Euroregion Neif~e (PL, CZ, D)) sowie die Gewinnung der diglichen Lebensmittel- und Mutter- milchproben (die Erfassung der Nahrungsaufnahme erfolgte mit der Duplikatmethode) wurden bereits ausfiihrlich im I.

Teil dieser Arbeit (Wiinschmann et al. 2002) sowie in den Arbeiten von Wappelhorst et al. (2000, 2002) dargelegt.

1.1 Probandinnen

lm Projektzeitraum nahmen 23 Probandinnen fiir je 2 bis 8 Wochen an den Untersuchungen teil. hi Tabelle 1 sind der je- weilige Probenahmezeitraum, Wohnort, Alter und die Anzahl der Kinder angegeben. Tabelle 1 enth~ilt auf~erdem das Alter des gestillten Kindes, dessen Geburtsgewicht und Geburtsgr6t~e.

Das Durchschnittsalter der durchweg nichtrauchenden Pro- bandinnen betrug 29 Jahre. Die Schwangerschaften und Entbindungen verliefen komplikationslos. Wfihrend des Un- tersuchungszeitraumes wies der jiingste gestilhe S~iugling ein

Tabelle 1: Angaben zu den am Projekt beteiligten Mettern und Kindern Pro-

banden

A a

B D

E a F a

G a H ja I

K a

L M N O P Q

R a T a

U V a W a Y Z

Angaben zur Probandin Probenahmezeitraum

in Wochen 3,6 2,0 2,0 4,0 2,0 2,6 8,0 6,1 4,0 2,0 2,0 2,0 4,0 2,0 4,0 2,0 2,0 1,6 2,3 2,0 2,0 2,0 2,0

Wohnort Alter Anzahl weiterer Kinder D~Jrrhennersdorf (D) 29 1

H6rnitz (D) 29 1

Swierzawa (PL) 27 0

Olbersdorf (D) 33 1

Olbersdorf (D) 33 4

Waltersdorf (D) 33 2

Bogatynia (PL) 38 2

Waltersdorf (D) 28 1

Olbersdorf (D) 24 1

Sohland (D) 27 0

Bad Oldesloe (D) 30 0

G6rlitz (D) 26 1

Bogatynia (PL) 37 2

Bogatynia (PL) 25 0

Bogatynia (PL) 30 1

Zittau (D) 24 1

Olbersdorf (D) 35 2

Novy Bor (CZ) 23 0

Delligsen (D) 28 1

Zittau (D) 25 0

Bogatynia (PL) 27 1

Sch6nbach (D) 34 3

Schlegel (D) 24 0

a: Probandinnen, bei denen zusAtzlich das Element Iod (W0nschmann et al.

Alter in Monaten b

0,6 3,3 2,5 1,0 6,0 7,0 2,8 8,2 6,6 1,8 4,4 3,5 16,4 11,3 6,8 1,4 4,9 5,6 3,6 1,7 1,5 1,0 0,4

Angaben zum Kind Gebu~sgewichtmg I

4150 4220 3500 3210 3320 3660 2800 2980 4040 2480 3610 2900 3200 4300 3800 3600 3780 4050 3200 3570 3500 3140 3040

Geburtsgr6Be in cm

54 53 54 51 52 53 5O 5O 52 49 52 49 52 54 61 5O 52 53 52 52 54 46 48 2002) gemessen wurde; b: zu Beginn des Untersuchungszeitraumes

UWSF - Z Umweltchem Okotox 16 (3) 2004 169

(3)

Alter von 2 Wochen und das/ilteste gestillte Kind ein Alter von 71,2 Wochen auf. Die untersuchten Mfitter befanden sich somit in der maturen Laktationsphase (ab dem 14. Tag nach der Geburt). Mfitter, die sich in der kolostrumen (die ersten 5 Tage nach der Geburt) oder transitorischen Lakta- tionsphase (6-10 Tage nach der Geburt, Bates und Prentice 1994) befanden, konnten aufgrund fehlender Bereitschaft nicht fiir dieses Projekt geworben werden.

1.2 Probenvorbereitung und analytische Messung

Die homogenisierten Lebensmittel- und Muttermilchproben wurden mit je 4 ml Salpeters/iure und je 2 ml Wasserstoff- peroxid (suprapur) in einer Mikrowelle (MLS ETHOS plus II 1000/10s, Microwave Lab System GmbH, Leutkirch) druckunterstiitzt aufgeschlossen. Die Probeneinwaage ffir Lebensmittel betrug dabei 0,4-2,5 g (je nach Lebensmittel- art) und 0,4 g ffir die Muttermilch. Die instrumentelle Mes- sung wurde mit einem Massenspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) bzw. bei den Elementen P und Fe mit einem Emissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) durchgefiihrt. Die Qualit~ts- kontrolle erfolgte fiber Blindwertmessungen und mitgefiihr- te Referenzmaterialien 3 (Fecher 1995, Iyengar 1998, Markert 1996, Schiifirmann & Markert 1998).

1.3 Statistische Auswerlung der Daten

Die ermittelten Konzentrationen der untersuchten Lebens- mittel- und Muttermilchproben waren entweder normal- verteilt (Iod) oder lognormalverteilt (alle Elemente aufler Iod).

Bei normalverteilten Gr6t~en wurde das arithmetische Mit- tel, bei lognormalverteihen Gr6fgen das geornetrische Mittel ffir die weitere Auswertung der Daten verwandt. Werte, die unterhalb der Nachweisgrenze lagen, wurden durch den halben Wert ihrer Nachweisgrenze substituiert und in die Statistik mit einbezogen (Hecht 2000).

1.4 Berechnung des Transferfaktors

Der Transferfaktor (TFa) eines Tages wird vereinfacht durch das VerMltnis der Elementkonzentration in der Muttermilch eines Tages (bezogen auf Frischgewicht) und der durchschnittlichen Elementaufnahmemenge des gleichen Tages wiedergegeben (G1, 1).

TG-

c ( M M a ) F G (G1. 1)

E A a

wobei TFa:

c(MMd)FG:

EAd:

Transferfaktor Nahrung/Muttermilch eines Tages [d/kg]

Elementkonzentration in der Muttermilch eines Tages bezogen auf Frischgewicht [pg/kg]

Elementaufnahme der Mutter w~ihrend eines Tages [tag/d]

3 Peach leaves (1547 NIST), Pine needle (1575 NIST), TEA (GBW 08505), Apple leaves (1515 NIST), Tomato leaves (1573 NIST), Skim Milk Powder (CRM 063R), Hay Powder (CRM 129)

2 Ergebnisse

2.1 Qualitiitssicherung der Daten 2.1,1 Referenzmaterialien

Die ffir die Qualit/itskontrolle (neben der Blindwertmessung) eingesetzten Referenzmaterialien innerhalb der Messreihen zeigten ffir die Elemente Ag, Ba, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Fe, I, Mn, Mo, P, Pb, Rb, Sb, St, U und Zn zufriedenstellende Er- gebnisse (Abweichungen zwischen Mess- und Referenz- bzw.

Richtwert bis 15%). H6here Abweichungen (15-80%) zwischen dem Mess- und dem Referenz- bzw. Richtwert konnten bei den Elementen Cu, Ni, La, Ti und Th feststellt wet- den. Ffir die Elemente Au, Ga, Nb, Ra, Re, Ru, Te, Y und Zr standen keine Referenz- bzw. Richtwerte zur Verffigung.

2.1.2 Naehweis- und Bestimmungsgrenze

Die ermittelten Konzentrationen der Elemente Ba, Co, Cu, Ga, La, Mn, Mo, Ni, P, Pb, Rb, Sr, Ti, Y und Zn lagen in fiber 95 % der untersuchten Lebensmittel- und Muttermilch- proben oberhalb der Bestimmungsgrenze (BG).

In den Lebensmittelproben konnten die Elemente Cd, Ce, Cr, Cs, Fe, I, Th, U und Zr nur zu 63-87% oberhalb der BG bzw. zu 72-97% oberhalb der Nachweisgrenze (NG) nachgewiesen werden, w~ihrend in den Muttermilchproben die ermittehen Messwerte dieser Elemente bei 55-100% der Proben oberhalb der BG bzw. bei 98-100% oberhalb der NG lagen. Das Element Ag konnte lediglich in 36% der Lebensmittelproben oberhalb der BG bzw. in 69% oberhalb der NG nachgewiesen werden, w~ihrend in den Muttermilch- proben 97% der Messwerte oberhalb der BG lagen. Die Messwerte der Elemente Au, Nb, Sb und Ru lagen in 14- 37% der Lebensmittelproben oberhalb der BG bzw. in 25- 88 % oberhalb der NG, w~ihrend bei den Muttermilchproben 5-56% der Messwerte oberhalb der BG und 43-100% oberhalb der NG nachgewiesen werden konnten. Die gemesse- nen Werte der Elemente Ra, Re und Te lagen zu 100% unterhalb der BG.

2.2 Elementaufnahmemengen Ober die mOtterliche Nahrung und Elementkonzentrationen in der Muttermilch

Durchschnittlich nahmen die Probandinnen pro Tag 3,0 kg (Minimum 1,0 kg, Maximum 7,4 kg) feste und flfissige Le- bensmittel zu sich (20% mehr als nicht stillende Mfitter, Becker et al. 1996). In Tabelle 2 sind die ermittelten Element- konzentrationen bzw.- aufnahmemengen fiber die Nahrung (LM) und die ermittelten durchschnittlichen t/iglichen Ele- mentkonzentrationen in der Muttermilch (MM) der untersuchten Probandinnen zusammengestellt.

Die geringsten Elementaufnahmemengen von <10 pg/d konnten fiir die Elemente Th, Ru, U, Nb, La, Au, Sb, Ag, Ce, Y trod Cs ermittelt werden, die ebenfalls in der Muttermilch relativ geringe Konzentrationen zwischen 0,02-0,15 pg/kg aufwiesen (Ausnahmen: Ag mit 0,7 pg/kg und Cs mit 2,2 lag&g).

H6here Elementaufnahmemengen zwischen 10 und 100 pg/d wurden fiir die Elemente Cd, Co, Zr, Ga und Pb ermittelt.

In der Muttermilch wiesen die Elemente Cd, Ga und Co

(4)

Originalarbeiten Transfer yon Elementen in die Muttermilch

Tabelle 2: T&gliche Elementaufnahmemengen mit Lebensmitteln (pg/d) sowie ermittelte Elementkonzentrationen in Lebensmitteln (LM) und in der Muttermilch (MM) (pg/kg). FOr Iod ist der arithmetische, for alle 0brigen Elemente der geornetrische Mittelwert angegeben. RSD: relative Standardabwei- chung (Variationskoeffizient for led, geometrische Standardabweichung for alle 0brigen Elemente); n.b.: nicht beurteilbar. Reihenfolge der Elementauftragung nach zunehmender Aufnahmemenge

Ele- LM RSD LM RSD MM RSD

ment [pg/d] + [%] [pg/kg] + [%] [pg/kg] + [%]

Th 0,7 80 0,3 60 0,02 30

Ru 1,1 110 0,4 80 0,03 200

U 1,5 60 0,6 40 0,03 60

Nb 2,5 45 0,8 50 0,04 25

La 2,5 50 0,8 40 0,07 30

Au 3,2 53 1,1 41 0,10 100

Sb 3,5 400 1,3 350 0,1 80

Ag 4,3 600 1,5 450 0,7 70

Ce 4,5 40 1,6 30 O, 1 40

Y 4,2 40 2,4 40 0,2 70

Cs 8,0 40 2,7 40 2,2 50

Cd 14 28 4,7 25 0,2 70

Co 17 60 6,0 70 0,8 50

Zr 19 300 6,6 250 1,3 230

Ga 21 50 7,4 30 0,5 40

Pb 77 65 25 70 2,5 50

Ele- LM

ment [pg/d]

Mo 110

I 166

Cr 150

Ni 250

Ba 700

Cu 1200

Sr 1400

Rb 2400

Mn 3500

Ti 4150

Zn 9800

Fe 9700

P 1200.103

Ra n.b.

Re n.b.

Te n.b.

RSD LM RSD

• [%] [p~kg] + [%]

60 40 35

35 50 35

100 50 70

50 80 40

50 240 40

40 416 20

40 500 30

30 730 35

50 1150 35

30 1480 30

30 3450 20

30 3500 31

30 4073.102 20

MM RSD

[pg/kg] + [%]

0,6 80

80 30

10 50

14 30

5,0 45

195 50

40 30

440 30

5,0 30

280 35

820 100

230 55

115.103 20 n.b.

n.b.

Konzentrationen zwischen 0,2 und 0,8 pg/kg auf, wfihrend die Konzentrationen von Zr und Pb in der Muttermilch im Bereich zwischen 1,3 und 2,5 pg/kg lagen.

Fiir die Elemente Mo, I, Cr, Ni und Ba konnten Aufnahme- mengen iiber die Nahrung zwischen 100 und 1000 pg/d ermittelt werden. In der Muttermilch lag Mo lediglich mit einer Konzentration von 0,6 pg/kg vor, wiihrend Cr und Ni Konzentrationen zwischen 10 und 14 !~g/kg aufwiesen. Ba lag im Bereich von 5,0 pg/kg. Fiir das Anion Iod wurden durchschnittlich 80 pg/kg in der Muttermilch ermitteh.

T~igliche Elementaufnahmemengen im Milligrammbereich (1-10 mg/d) konnten f~ir die Elemente Cu, Sr, Rb, Mn, Ti, Zn und Fe ermitteh werden, wobei die h6chste Aufnahme mit durchschnittlich 1,2 g/d das Element P aufwies. In der Muttermilch lag Mn lediglich mit 5,0 und Sr mit 40 pg/kg vor, w~ihrend Cu, Ti und Fe in einem/ihnlichen Konzentra- tionsbereich zwischen 195-280 pg/kg und Rb und Zn mit jeweils 440 und 820 pg/kg ermitteh werden konnten. P lag als einziges Element mit 115 mg/kg im Milligrammbereich in der Muttermilch vor.

2.3 Vergleich der ermittelten Elementaufnahmemengen Ober die mLitterliche Nahrung und Elementkonzentratlon in der Muttermilch mit Literaturangaben

Es ergaben sich quantitative Unterschiede zwischen den in der vorliegenden Studie ermittelten Elementaufnahme- mengen iiber die Nahrung und den in der Literatur gefunde- nen Angaben fiir die Elemente Au, Cr, Pb, Ru, Ti und Zr (Literaturangaben i]ber Aufnahmemengen von Ag, Ce, Ga, La, Nb, Th, U und Y fanden sich nicht). Hierbei konnten in der Literatur geringere Aufnahmemengen fiir Ti (0,8 mg/d,

Binder 2000), Au (1 pg/d, Gregory et al. 1990), Cr (26 lag/d, Becker et al. 1996), Pb (28 lag/d, Becker et al. 1996) und h6here Aufnahmemengen fiir Ru (4 pg/d, Ysart et al. 1999) und Zr (50 ~lg/d, Binder 2000) ermittelt werden. Im Ver- gleich zu Literaturangaben fanden sich ~ihnliche Aufnahme- mengen fiir die Elemente Ba, Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, P, Rb, Sb, Sr und Zn (Binder 2000, Miiller et al. 1993, Ysart et al. 1999, DGE 2000, Illing et al. 1993, Becker et al. 1996, Anke et al. 1991, Bertram 1992).

Zwischen den in der vorliegenden Studie ermittelten Kon- zentrationen in der Muttermilch und den in der Literatur gefundenen Angaben ergaben sich quantitative Unterschie- de fiir Ti, Ni, Rb und Cr (Literaturangaben fiber Konzentra- tionen von Ce, Ga, Nb, Ru, Th, U, Y und Zr fanden sich nicht). Die ermittehen Konzentrationen von Ti und Ni lagen in der vorliegenden Studie 45fach bzw. 17fach h6her als die ermittelten Konzentrationen nach Krachler et al. (2000).

In der Literatur fanden sich h6here Konzentrationsbereiche fiir Cr (24 pg/l, Krachler et al. 2000) und Rb (720 pg/kg, Krachler 1998) im Vergleich mit den in dieser Studie ermittehen Werten (10 und 440 lag&g), w~ihrend fiir die Elemen- te Ag, Ba, Cd, Cs, Cu, Fe, La, Mn, P, Pb, Sb, Sr und Zn keine deutlichen Unterschiede gefunden wurden (Caroli et al. 1994, Krachler et al. 1998, 2000, WHO 1989).

2.4 Experimentell ermittelte Transferfaktoren Nahrung / Muttermilch

Werden die in der Tabelle 3 ermittelten elementspezifischen TF nach ihrer H6he des Ubergangs aus der miitterlichen Nahrung in die Muttermilch klassifiziert, so ergibt sich fol- gendes (chemisches) Clustering:

(5)

Tabelle 3: Elementspezifische Transferfaktoren (TF) for den 0bergang aus der Nahrung in die Muttermilch. FOr iod ist der arithmetische, for alle 0brigen Elemente der geometrische Mittelwert angegeben. Die Schwankungsbreite bezieht sich auf die auf Ta( esbasis ermittelten Transferfaktoren. RSD:

relative Standardabweichung (Variationskoeffizient for Iod, geometrische Standardabweichung for alle 0bri(

Element TF

[d/kg]

Ra n.b.

Re n.b.

Te n.b.

Mn 0,001

Mo 0,005

Ba 0,007

Cd 0,014

Nb 0,016

U 0,018

Y 0,021

Ga 0,022

Th 0,022

Fe 0,023

Ce 0,025

Ru 0,025

Sr 0,027

+RSD Minimum/Maximum

[%] [d/kg]

70 0,0003-0,1

130 0,0001-0,08

60 0,00008-0,1

80 0,001-0,4

40 0,0009-0,4

70 0,002-0,7

80 0,001-0,8

70 0,004-0,2

80 0,001-0,6

110 0,0008-0,4

80 0,003-1

240 0,0005-2,4

45 0,002-0,1

Element TF

[d/kg]

La 0,030

Au 0,032

Pb 0,033

Sb 0,035

Co 0,046

Ni 0,054

Cr 0,065

Zr 0,065

Ti 0,067

Zn 0,077

P 0,095

Ag 0,152

Cu 0,156

Rb 0,200

Cs 0,271

I 0,560

en Elemente); n.b.: nicht beurteilbar +RSD Minimum/Maximum

[%] [d/kg]

200 0,004-11

140 0,001-1

60 0,002-1

65 0,0003-5

80 0,0003-8

50 0,002-0,4

60 0,0006-3

1 O0 0,001-4

80 0,01-0,7

120 0,01-0,7

40 0,03-0,5

250 0,002-23

70 0,02-0,8

40 0,02-1

35 0,01-2

40 0,1-2

1.) TF [d/kg] < 0,02

2.) 0,02 < TF [d/kg] < 0,06

3.) 0,06 < TF [d/kg] < 0,15

4.) TF [d/kg] > 0,15

Ba, Cd, Mn (zweiwertige Metall- ionen mit nur relativ labilen Kom- plexen) sowie Nb, Mo, U (hohe Oxidationsstufen);

die meisten untersuchten Elemente (Ce, Co, Fe, Ga, La, Ni, Pb, Ru, Sb, Sr, Th, Y);

P, Ti, Zr, Cr, Zn (iiberwiegend mittlere Oxidationsstufen [+ III oder + IV]; Zn z§ ist essentiell und bildet m~if~ig stabile Komplexe);

Rb, Cs, Ag, Cu, I (insbesondere einwertige Kationen und Anionen).

Die Klassifikation der ermittelten elementspezifischen TF nach chemischen Kriterien ergab grobe Hinweise auf eine m6gliche Abh/ingigkeit vonder jeweiligen biologisch stabilen Oxidationsstufe: Ag, Rb, Cs, Cu > Zn > andere zweiwertige Metalle > Cr, Ga, La, Ce, Ti, Zr > Mo, Nb, Th und U. Diese Einteilung deutet darauf hin, dass stabile einfach geladene Kationen leicht und Oxoanionen von Metallen kaum transportiert werden.

Eine weitere Betrachtung der Mittel- und Maximalwerte der TF fiir Metalle zeigte, dass diese um so h6her sind, je stabiler die Koordinationskomplexe dieser Metalle sind (Verbin- dungen der entsprechenden zwei- und dreifach positiv gelade- nen Metallionen mit Molekiilen wie Aminosiiuren, Milchs/iure, Polyphosphaten etc.). Fiir diese Koordinationskomplexe exis- tiert eine empirische Stabilit/itsreihenfolge (Irving-Williams- Stabiliditsfolge 4, Irving & Williams 1953 [Ba < Sr < Ca < Mg

4 Die Irving-Wiliiams-Reihe gibt die relativen Stabilit&ten gleichartiger (1:1-;

d.h. ein Zentralion, ein Ligand, vier Wassermolek01e) Komplexe zweiwer- tiger Metallionen M 2§ mit zweiz&hnigen Liganden wie Glycinat, Oxalat, Ethy- lendiamin, Lactat oder 1,10-Phenanthrolin wieder. Sie bezieht sich ur- spr0nglich nur auf die 3d-0bergangsmetallionen Mn....Zn sowie die Erdal- kalimetalle Mg...Ba, wurde aber seit ca 1955 auf weitere zweiwertige Ionen erweitert (Cd, Hg, Pb, Platinmetalle). Die stabilsten Komplexe sind dabei fast immer die von Cu(ll), der absolute Unterschied zwischen den StabilitY.ten z.B. der Cu(il)- und der Ba(ll)-Komplexe (um die beiden Extreme zu nennen) h&ngt vonder Art des Liganden ab: er ist bei schwefelhaltigen Liganden am grSBten, bei reinen Sauerstoffdonoren (Lactat, Oxalat) am geringsten

= Mn(II) < Fe(II) < Co(II) < Ni < Cu(II) >> Zn; Cd < Cu(II) = Pb(II)]), die sich in der Reihung der TF nach ihrer Gr6t~e widerspiegelt. In Abb. 1 wurde der TF der Elemente Ba, St, Mn, Fe, Cd, Co, Zn, Pb, Ni und Cu gegen die Stabilit~it der Komplexe einer Aminos~iure, hier Glycin s (Kiss et al. 1991), aufgetragen. Wird die ermittelte Sequenz der TF (Mn < Ba <

Cd < Fe = Sr < Pb < Co < Ni < Cu >> Zn; Ni < Zn) mit der Reihung der Stabilit~itsreihenfolge nach Irving & Williams verglichen, so zeigen lediglich Mn und Pb eine Ausnahme.

Abb. 1 : Beziehung zwischen der (ersten) Komplexbildungskonstante des jeweiligen Glycinatometallkomplexes {[M"(glyc)] § und des elementspezifischen Transferfaktors in die Muttermilch. Von links nach rechts steigt die Stabilit&t der Glycinatokomplexe an. Die Konzentration freier Amino- s~,uren in Muttermilch d0rfte (im Gegensatz zu denen von Lactose [auch Zucker komplexieren in neutraler und alkalischer L6sung Metallionen] und Peptiden/Proteinen) gering sein; anderenfalis w&re ihr pH-Wert deutlich niedriger (Pufferwirkung der AS; pH in diesem Fall ca. 6,0 start 6,9) und sie w0rde deutlich bitter schmecken. Die Komplexbildungstendenz fL~r andere Liganden ist in den Trends aber gleich

5 Glycin dient als Modell, well es a) die einfachste Aminos~ure darstellt, die h6chste Zahl an Komplexbildungskonstanten bekannt ist, b) weder hydrophobe Wechselwirkungen auftreten (die Komplexbildung beeinflussen k6nnten) noch c) (anders als bei Cystein, Histidin, Asparagins&ure etc.) keine zus&tzlichen potentiellen Ligandenfunktionen im Molek01 vor- handen sind

(6)

Originalarbeiten Transfer yon Elementen in die Muttermilch

Die ~,hnlichkeit der beiden Reihungen legt nahe, dass der Ubertritt der Metallionen in die Frauenmilch (iiberwiegend) in komplexierter Form erfolgt. Aus dieser Hypothese sowie aug der Ladungs-(Oxidationsstufen-)abh~ingigkeit der TF wurde ein empirisches Modell fiir den TF entwickelt. Weil die Konzentration von Fetten, Aminos~iuren und anderen Kom- plexbildnern in der Milch mit der Laktationszeit zuriickgeht, werden stark komplexbildende Metalle wie Cu, Zn oder Ni mit 1/ingerer Stilldauer in geringerem Marl in die Milch transportiert. Dies wirkt sich u.U. auf den Transfer von Metallionen, die nicht oder nur stark erschwert als freie Ionen iibertreten, in die Milch aus. Man stellt bei Cu, Zn und Ni einen erheblichen Abfall des TF mit der Zeit fest, d.h. gerade bei denjenigen zwei- wertigen Metallen, die die relativ stabilsten Komplexe bilden, w/ihrend bei gering komplexbildenden Elementen (Erdalkali- en, Cd) kein Effekt (kein Zusammenhang zwischen Laktations- alter und TF) erkennbar ist. Diese letzt genannten Elemente liegen offenbar gr6rltenteils (ca. 90-95 %) als freie Ionen vor und werden, wenn auch ineffektiv (TF = 0,01), in dieser Form, d.h. unabhfingig von der dortigen Ligandenkonzentration in die Milch iiberfiihrt (nur einwertige freie Ionen passieren leicht in die Milch (Rb, Cs)). Der Anteil freier Ionen kann durch Ligan- denverminderung dann nicht mehr erh6ht werden. Trotz der statistischen Streutmg der ermittelten Werte fiir die TF kann die oben beschriebene fJbereinstimmung mit der Irving-Williams- Stabilit/itsfolg6 als aussagef/ihig gelten, da die relativen Stan- dardabweichungen bis auf Zn deutlich kleiner als 100% sind.

Far eine formal strenge Behandlung des TF wfire es notwen- dig, fiir alle in die Berechnung des TF eines Elements einge- henden Zahlenwerte Auftragungen gegen die Aufnahmemen- gen aller iibrigen Elemente zu erstellen; in praxi kann allerdings angenommen werden, dass Verfinderungen bei nicht essentiellen Elementen im Ultraspurenbereich ohne Riick- wirkungen bleiben (der TF von P oder Fe als Mengenelemen- ten wird wahrscheinlich nicht messbar dadurch beeinflusst, ob die Mutter 2 oder 4 tag Uran/d verzehrt). Anders stellt sich die Situation dar, wenn die Aufnahmemenge von Ele- menten mit essentiellen Speziationsformen starken Schwan- kungen unterworfen ist (z.B. diejenige von Co); diese Schwan- kungen werden sich auf den Stoffwechsel und den Transport/

Transfer anderer Elemente ~ihnlich auswirken wie eine plan- voile Supplementation.

Diese Wechselwirkungen lassen sich empirisch ohne jede bio- chemische oder anderweitige Modellvorstellung erfassen und direkt handlungsleitend dafiir einsetzen, die ungewollte Auf- nahme von Elementen wie Pb, Cd etc. zu vermindern. Ne- ben der Supplementation essentieller Elemente wie Fe, Zn oder I kann nach dem oben Gesagten auch die nicht toxischer wie Sr treten.

Trotz der einleitend geschilderten Problematik meist physi- ologisch bedingter Vorg~inge ist der in dieser Studie ermittelte 'einfache' TF als Basisbezugsgr6rle fiir weiterfiihrende Untersuchungen geeignet

3 Bewertung der ermittelten Transferfaktoren

Aus den Messreihen ergibt sich, dass der Transferfaktor (TF) als Kennzahl- d.h. wenn der TF durch einen einzelnen Zahlen- faktor abgebildet wird, nicht durch eine Funktion, das Nicht- linearit~iten oder/und den Einfluss anderer Elemente auf die Obertragung eines Elements in die Muttermilch beriicksichti- gen k6nnte - bestimmte Ph~inomene nicht wieder gibt:

- Die Konzentration eines Elementes in der Muttermilch kann hom6ostatisch geregelt und damit in gewissen Gren- zen unabhfingig vonder tfiglichen Aufnahme sein. In die- sen Ffillen spiegelt der TF die Variation der t~iglichen Auf- nahme des Elements wider.

- Der TF kann mit fortschreitender Laktation absinken (Cu, Ni, Zn) oder ansteigen (Ga).

- Ein Element kann die Aufnahme eines anderen verst/irken (synergistischer Transport), hemmen (Antagonismus) oder

- zwischen beiden kann eine komplexere Beziehung beste- hen (in diesem Falle treten Maxima oder Minima des TF als Funktion der Aufnahmemenge des zweiten Elements auf), d.h. es resultieren parabelfihnliche Fufiktionen TF(M ) vs. Aufn.(M. ' Mutter, oral), z.B. in den Substanzpaaren Zn/Fe (parabolisch) oder Cd; Pb/Fe (Maximum in der Mitte der Funktion).

- Der TF gibt die zeitliche Verschiebung zwischen Extremer- eignissen der Aufnahme eines Elements und der daraus resul- tierenden Konzentration in der Muttermilch nicht wieder.

Fiir mindestens drei essentielle Elemente sowie mehrere weitere findet man dennoch einen relativ konstanten TF (Nb, St, P, Rb, Cs, I, Pb, Cr). Die genaue Kenntnis der Ursachen der Wechselwirkungen, die zu Abweichungen des TF fiih- ren, ist schwer zu erlangen, aber auch nicht erforderlich.

4 Schlussfolgerungen

Bei einigen toxikologisch bedenklichen Elementen kann vermutet werden, dass deren relativ geringe Komplexbildungs- tendenz bzw. Komplexstabilit~it den Transferfaktor (TF) in so kleinen Grenzen h~ilt, dass nur ein geringer Bruchteil des von der Mutter aufgenommenen Elements in die Mutter- milch iibergeht. Dies gilt insbesondere fiir Cd und Ba. Durch empirische Modelle und Korrelationen mit etablierten Re- geln der bioanorganischen Chemie k6nnen die TF auf nicht untersuchte Elemente erweitert werden. Der hier ermittelte elementspezifische TF kann als Grundlage verwendet werden, um die potentielle Strahlenexposition gestillter S~iug- linge zu berechnen.

5 Empfehlungen und Ausblick

Eine etablierte Methode der Minderung von Radionuklid- aufnahmen - bMang allerdings nur im Sinne isotopischer Verdfinnung von 131I geplant bzw. angewandt - ist die Gabe yon lod-Alkaliiodid-Tabletten. Da jedoch die Transferfak- toren zahlreicher Elemente von den Zufuhrmengen anderer abh~ingen, ist eine gegeniiber der isotopischen Verdiinnung teils sogar effektivere Strategie in gezielten Gaben von I, Fe oder Zn zu sehen, die die Aufnahme (den TF) anderer Ele- mente wie Cd, Pb, Sr erheblich beeinflussen bzw. vermindern. Zugleich bessert sich durch diese Wechselwirkungen der Zinkstatus des gestillten S~iuglings. Ein Ziel weiterer Arbeiten ist die umfassende Charakterisierung dieser Wech- selwirkungen fiir die Gesamtheit der hier untersuchten Ele- mente, um m6glichst praxisnahe Empfehlungen herleiten zu k6nnen.

(7)

Danksagung. Wir bedanken uns beim Bundesamt for Strahlenschutz Kir die finanzielle UnterstOtzung im Rahmen des Forschungsprojekts

t

'Transfer von Elementen in die Muttermilch'.

Literatur

Anke M, Groppel B, Krause U, Arnhold W, Langer M (1991): Trace element intake (zinc, manganese, copper, molybdenum, iodine and nickel) of humans in Thuringia and Brandenburg of the FRG. J Trace Electrolytes Health Dis 5, 69-74

Bates CJ, Prentice A (1994): Breast Milk as a Source of Vitamins, Essential Minerals and Trace Elements. Pharac Ther 62, 193-220

Becker K, N611ke P, Hermann-Kunz E, Krause C, Schenker D, Schulz C (1996): Umwelt-Survey 1990/1991 Band III: Zufuhr von Elementen und Schadstoffen mit der Nahrung (Duplikate und diet History) in den alten Bundesliindern, Umweltbundesamt

Bertram HP (1992): Spurenelemente: Analytik, 6kotoxikologische und me- dizinisch-klinische Bedeutung. Urban & Schwarzenberg, Miinchen, Wien, Baltimore

Binder H (Hrsg.) (2000): Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Ver- lag Stuttgart, Leipzig

Deutsche Gesellschaft fiir Ern~ihrung (DGE) (2000): Referenzwerte fiir die N~ihrstoffzufuhr. http://www.dge.de

Caroli S, Alimonti A, Coni F, Petrucci F, Senofonte O, Violante N (1994): The assessment of reference values for elements in human biological tissues and fluids: a systematic review. Crit Rev Anal chem 24, 363-398

Fecher P (1995): ICP-OES und ICP-MS. In: Matter L (Hrsg.) Lebensmittel- und Umweltanalytik mit der Spektroskopie. VCH-Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 63-110

Gregory EL, Foster K, Tyler H, Wiseman M (1990): The Dietary and Nutri- tional Survey of British Adults (London: The Stationery Office) Hecht H (2000): Die Bewertung yon Inhaltsstoffen in geringen Mengen. In:

Anke M, Miiller R, Sch~ifer U (Hrsg.) (2000) Mineralstoffe. Mengen-, Spuren- und Ultraspurenelemente in der Prevention. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart 22-45

Illing H, Anke M, Kr~iuter U (1993): Iron intake in Germany. In: Anke M, Meissner CI~ Mills CF (eds.) Trace Elements in Man and Animals. TEMA 8 Irving H, Williams RJP (1953): The Stability Series for Complexes of Diva-

lent Ions. J Chem Soc 3192-3210

Iyengar GV, Subramanian KS, Woittiez JRW (1998): Element analysis of biological samples - principals and practice, CRC-Press, New York Kiss T, S6vlig6 I, Gergely A (1991): Critical Survey of the Stability Constants

of Complexes of Glycine. Pure and Applied Chem 63, 597-638 Krachler M, Shi Li F, Rossipal E, Irgolic J (1998): Changes in the Concen-

trations of Trace Elements in Human Milk during Lactation. Trace Ele- ments Med Biol 12, 159-176

Krachler M, Prohaska T, Koellensperger G, Rossipal E, Stingeder G (2000):

Concentrations of Selected Trace Elements in Human Milk and in Infant Formulas Determined by Magnetic Sector Field Inductively Coupled Plasma- Mass Spectrometry. Biological Trace Element Research 76, 97-112 Markert B (1996): Instrumental Element and Multi-Element Analysis of

Plant Samples - Methods and Applications. John Wiley & Sons', Chich- ester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore

Miiller M, Anke M, Thiel C, Hartmann E (1993): Zur Cadmiumaufnahme Erwachsener in den neuen Bundesl~indern. Ern~ihrungs-Umschau 40 (6) 240-243

Schiiiirmann G, Markert B (eds.) (1998): Ecotoxicology. Wiley & Sons, Inc.

and Spektrum Akademischer Verlag, New York, Heidelberg

Wappelhorst O, Kiihn I, Heidenreich H, Markert B (2000): Transfer yon Elementen in die Mutrermilch. Abschluflbericht des Forschungsvorhabens StSch 4155 im Auftrag des Bundesamtes fiir Strahlenschutz, Neuherberg Wappelhorst O, Kiihn I, Heidenreich H, Markert B (2002): Transfer of Se- lected Elements From Food Into Human Milk. Nutrition 18 (4) 316-322 World Health Organization (WHO) (1989): Minor and Trace Elements in

Breast Milk. World Health Organization, Geneva

Wiinschmann S, Fr~inzle S, Kiihn I, Heidenreich H, Markert B (2002): Vertei- lung chemischer Elemente in der Nahrung und Milch stillender Miitter.

Teil I: Ind. UWSF - Z Umweltchem Okotox 14 (4) 221-227

Wiinschmann S, Fr~inzle S, Markert B (2004): Transfer von Elementen in die Mutrermilch. Methoden, Modellierungen, Empfehlungen. ecomed verlagsgesellschaft

Ysart G, Miller P, Crews H, Robb P, Baxter M, De L'Argy C, Lofthouse S, Sargent C, Harrison N (1999): Dietary exposure estimates of 30 elements from the UK Total Diet Study. Food and Contaminants 16 (9) 391-403

Eingereicht: 04. duni 2003 Akzeptiert: 09. Januar 2004 OnlineFirst: 5. Februar 2004

Buchankiindigung

Transfer von Elementen in die Muttermilch Methoden, Modellierungen, Empfehlungen

Autoren: Simone Wiinschmann, Stefan Fr&nzle, Bernd Markert (2004) Verlag: ecomed verlagsgesellschaff, Juni 2004. Justus-von-Liebig-Str. 1,

D-86899 Landsberg (http://www.ecomed-medizin.de) ca. 130 Seiten, Hardcover, Preis ca, EUR 29,00 ISBN 3-609-16240-6

S i m o n e W f i n s c h m a n n 9 S t e f a n F r i n z l e 9 B e r n d M a r k e r t

Transfer v a n E l e m e n t e n in die M u f f e r m i l c h

Methoden 9 Modellierungen 9 Empfehlungen

Der 0bergang verschiedener chemischer Elemente aus der Nahrung der Mutter in die Muttermilch sowie die Elementzu- fuhr des Kindes eber die Muttermilch wurde in einem For- schungsprojekt am Lehrstuhl Umweltverfahrenstechnik des Internationalen Hochschulinstitutes (IHI) Zittau in Kooperati- on mit dem Bundesamt f0r Strahlenschutz untersucht. In den Jahren 1998 bis 2002 nahmen 23 MLitter aus der Euroregion NeiBe (PL, CZ, D) 0ber einen Untersuchungszeitraum von zwei bis acht Wochen an dieser Studie teil. Die erhaltenen Daten und die von hieraus abgeleiteten Kausalzusammen- h&nge bilden inzwischen die Basis konkreter strahlenschutz- rechtlicher Entscheidungen, die erstmals den Aufnahmepfad Muttermilch ber0cksichtigen und regeln. Dazu z~.hlen Erkennt- nisse zum erweiterten Nutzen von Iodtabletten sowie Emp- fehlungen zur Schadstoffvermeidung mittels neuer Ans&tze.