Entwicklung und Anwendung analytischer Methoden zum Biologischen Monitoring und ...

192 Pages·2005·1.6 MB·German

Entwicklung und Anwendung analytischer Methoden zum
Biologischen Monitoring und Biochemischen Effektmonitoring
von aromatischen Aminen im Rahmen arbeits- und
umweltmedizinischer Fragestellungen

Den naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

zur
Erlangung des Doktorgrades

vorgelegt von
Tobias Weiß
aus Gronau/Leine
Als Dissertation genehmigt von den naturwissenschaftlichen Fakultäten der Universi-
tät Erlangen-Nürnberg

Tag der mündlichen Prüfung: 21.11.2005

Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. D.-P. Häder
Erstberichterstatter: Prof. Dr. R. van Eldik
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. J. Angerer
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Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin der Friedrich-
Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg unter Betreuung von Prof. Dr. Jürgen Angerer in der Zeit
von Dezember 1999 bis Januar 2004 angefertigt.

Meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr. Jürgen Angerer danke ich für die freundliche Überlassung der
interessanten Themenstellung sowie für die allzeitige Möglichkeit zum intensiven Gedankenaustausch
sowohl über chemisch-analytische als auch arbeits- und umweltmedizinische Fragestellungen. Wei-
terhin möchte ich mich herzlich bedanken für seine stete Förderung.

Herr Prof. Dr. Rudi van Eldik aus dem Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universi-
tät betreute diese Arbeit seitens der Naturwissenschaftlichen Fakultät II. Für die regen Diskussionen
mit ihm und seinem analytischen Arbeitskreis danke ich herzlich. Darüber hinaus möchte ich mich an
dieser Stelle ausdrücklich für seinen Einsatz zur Förderung der interdisziplinären Forschung innerhalb
der Universität bedanken.

Meinen Doktorandenkollegen möchte ich Dank sagen für die die vielen angeregten Diskussionen und
wertvollen Hinweise sowohl in unseren Doktorandenseminaren wie auch sonstigen Gesprächen. Ins-
besondere Heiko Udo Käfferlein, Jochen Hart, Bernd Rossbach und Axel Krämer waren mir als Kolle-
gen der ersten Zeit eine große Hilfe. Mein ganz besonderer Dank gilt Mariano Gonzales, Holger Koch,
Thomas Schettgen und Nicole Gaidischki. Sie begleiteten mich nahezu über die ganze Zeit am Institut
und waren stets Ansprech- und Diskussionspartner zu beruflichen wie aber auch privaten Angelegen-
heiten.

Herrn Johannes Müller gilt mein besonderer Dank. Bei technischen Problemen bzgl. der Kapillar-
gaschromatographie und der Massenspektroskopie war er stets eine große Hilfe. Frau Kathleen Meier
und Herrn Jan Irmler danke ich für ihre tatkräftige Unterstützung insbesondere bei der routineseitigen
Kontrolle der Reagenzienleerwertproblematik. Frau Kerstin Kress danke ich für technische Optimie-
rung der Hämoglobinisolierung für die Routine und Frau Annette Braun für Ihre Unterstützung bei der
Isolierung des Hämoglobins.

Allen anderen Mitarbeitern des Instituts danke ich für die vielfältigsten Unterstützungen und das nette
Arbeitsklima.

Allen noch einmal herzlichen Dank für die äußerst schöne Zeit!

Ich danke dem Forschungszentrum Karlsruhe für die finanzielle Unterstützung im Programm "Leben
und Gesundheit (BW-PLUS)", ohne die die Arbeiten dieser Dissertation nicht möglich gewesen wären.

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Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis 8
1 Einleitung 10
1.1 Expositionskontrolle 10
1.1.1 Ambient Monitoring 11
1.1.2 Biological Monitoring 12
1.1.2.1 Dosismonitoring 13
1.1.2.2 Biochemisches Effektmonitoring 14
1.1.2.2.1 Biochemisches Effektmonitoring unter Verwendung von Hämoglobin-
Addukten im Blut 16
1.1.2.3 Biologisches Effektmonitoring 17
2 Zielsetzung der Arbeit 17
3 Aromatische Amine 18
3.1 Parameterauswahl 19
3.2 Eigenschaften aromatischer Amine 19
3.3 Vorkommen und Verwendung 21
3.4 Aufnahme, Verteilung, Metabolismus 25
3.5 Toxikologie 33
3.5.1 Akute und chronische Toxizität 33
3.5.2 Mutagenität 35
3.5.3 Kanzerogenität und Blasenkrebs 35
3.6 Bestimmung aromatischer Amine im Urin 38
3.6.1 Grundlage des Verfahrens 38
3.6.2 Geräte, Chemikalien und Lösungen 38
3.6.2.1 Geräte 38
3.6.2.2 Chemikalien 39
3.6.2.3 Lösungen 40
3.6.2.4 Vergleichsstandards 41
3.6.2.5 Qualitätskontrollmaterial 42
3.6.2.6 Interne Standards 43
3.6.3 Probennahme und Probenvorbereitung 43
3.6.3.1 Probennahme und Lagerung 43
3.6.3.2 Probenaufarbeitung 43
3.6.4 Gaschromatographisch-massenspektroskopische Arbeitsbedingungen 45
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Inhaltsverzeichnis
3.6.5 MS – Arbeitsbedingungen 45
3.6.6 Analytische Bestimmung 46
3.6.7 Kalibrierung 48
3.6.8 Berechnung des Analysenergebnisses 48
3.6.9 Standardisierung und Qualitätssicherung 48
3.6.10 Beurteilung des Verfahrens 49
3.6.10.1 Präzision 49
3.6.10.2 Richtigkeit 50
3.6.10.3 Nachweisgrenzen 51
3.6.10.4 Störeinflüsse 51
3.6.11 Diskussion der Methode 53
3.7 Bestimmung aromatischer Amine im Blut als Addukte am
Hämoglobin 59
3.7.1 Grundlage des Verfahrens 59
3.7.2 Geräte, Chemikalien und Lösungen 59
3.7.2.1 Geräte 59
3.7.2.2 Chemikalien 60
3.7.2.3 Lösungen 61
3.7.2.4 Vergleichsstandards 62
3.7.2.5 Interne Standards 64
3.7.3 Probennahme und Probenvorbereitung 65
3.7.3.1 Probennahme 65
3.7.3.2 Lagerung 65
3.7.3.3 Erythrozytenisolierung 65
3.7.3.4 Hämoglobin-Isolierung 66
3.7.3.5 Probenaufarbeitung 67
3.7.4 Gaschromatographisch-massenspektroskopische Arbeitsbedingungen 68
3.7.5 MS – Arbeitsbedingungen 68
3.7.6 Analytische Bestimmung 69
3.7.7 Kalibrierung 70
3.7.8 Ermittlung der Reagenzienleerwerte 71
3.7.9 Berechnung des Analysenergebnisses 71
3.7.10 Standardisierung und Qualitätssicherung 71
3.7.11 Beurteilung des Verfahrens 72
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Inhaltsverzeichnis
3.7.11.1 Präzision 72
3.7.11.2 Richtigkeit 73
3.7.11.3 Nachweisgrenzen 74
3.7.11.4 Störeinflüsse 74
3.7.12 Diskussion der Methode 76
3.8 Methodenanwendung bei beruflich exponierten Arbeitnehmern 84
3.8.1 Biologisches Monitoring als Instrument zur Etablierung von
Schutzmaßnahmen bei beruflicher Belastung durch 4,4’-Methylendianilin
(MDA) 84
3.8.1.1 Einleitung 84
3.8.1.2 Kollektive und Methoden 84
3.8.1.3 Ergebnisse und Diskussion 85
3.8.2 Untersuchungen zur Frage der inneren 2-Naphtylaminbelastung bei
Arbeitern aus der Strangpechherstellung unter Anwendung von
Biologischem Monitoring und Biochemischen Effektmonitoring 88
3.8.2.1 Einleitung 88
3.8.2.2 Kollektive und Methoden 88
3.8.2.3 Ergebnisse und Diskussion 90
3.8.3 Untersuchungen zur Effektivität von Schutzmaßnahmen bei beruflicher
Belastung durch Trinitrotoluol (TNT) 96
3.8.3.1 Einleitung 96
3.8.3.2 Kollektive und Methoden 96
3.8.3.2.1 Analytik aromatischer Amine im Urin (Biologisches Monitoring) 98
3.8.3.2.2 Analytik der Hämoglobin-Addukte aromatischer Amine (Biochemisches
Effektmonitoring) 98
3.8.3.2.3 Biologisches Effektmonitoring 100
3.8.3.3 Ergebnisse und Diskussion 100
3.9 Methodenanwendung bei umweltbedingten Expositionen 106
3.9.1 Belastung der Bevölkerung der Bundesrepublik Deutschland mit
aromatischen Aminen 106
3.9.1.1 Einleitung 106
3.9.1.2 Kollektive und Methoden 111
3.9.1.2.1 Kollektive 111
3.9.1.2.2 Analytik aromatischer Amine im Urin (Dosismonitoring) 111
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Inhaltsverzeichnis
3.9.1.2.3 Analytik von Cotinin im Urin (Dosismonitoring) 111
3.9.1.2.4 Analytik der Hämoglobinaddukte aromatischer Amine (Biochemisches
Effektmonitoring) 112
3.9.1.2.5 Auswertung 112
3.9.1.3 Ergebnisse und Diskussion 112
3.9.1.3.1 Biological Monitoring (Dosismonitoring) 112
3.9.1.3.2 Biochemical Effect Monitoring 121
3.9.1.3.3 Korrelation Biochemical Effect Monitoring, Biological Monitoring 131
3.9.1.3.4 Quellenbetrachtung und Modellrechnung 134
3.9.1.3.5 HERP-Index 144
3.9.1.4 Schlussfolgerungen 147
4 Gesamtzusammenfassung 151
5 Literatur 156
Anhang

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Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis

2NA 2-Naphtylamin
34DClA 3,4-Dichloranilin
35DClA 3,5-Dichloranilin
3ClA 3-Chloranilin
4A26DNT 4-Amino-2,6-dinitrotoluol
4A5NT 4-Amino-5-nitrotoluol
4ADP 4-Aminodiphenyl
4ClA 4-Chloranilin
AA Aromatische Amine
ADI Acceptable daily intake
BAT Biologischer Arbeitsstofftoleranzwert
BgVV Bundesinstitut für gesundheitlichen Verbraucherschutz und Veterinär-
medizin (Jetzt Bundesamt für Risikobewertung (BfR)
BLW Biologischer Leitwert
DNA Desoxyribonukleinsäure
DTA Duldbare tägliche Aufnahme
ECD Elektroneneinfangdetektor
ED Elektrochemischer Detektor
EI Elektronenstoßionisation
EKA Expositionsäquivalente für krebserzeugende Arbeitsstoffe
g Erdbeschleunigung
GC Gaschromatographie, Gaschromatograph
HFBA Heptafluorbuttersäureanhydrid
HPLC Hochdruckflüssigkeitschromatographie
HRMS Hochauflösende Massenspektrometrie
IS Interner Standard
KG Körpergewicht
MAK Maximale Arbeitsplatzkonzentration
MS Massenspektroskopie
MSD Massenselektiver Detektor
m-T m-Toluidin, 2-Methylanilin
MW Mittelwert
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Abkürzungsverzeichnis
n Anzahl
NA Naphtylamine
NAT N-Acetyltransferase
NCI Negative chemische Ionisation
NR Nichtraucher
o-A o-Anisidin, 2-Methoxyanilin
o-T o-Toluidin, 1-Methylanilin
PFPA Pentafluorpropionsäureanhydrid
PSM Pflanzenschutzmittel
p-T p-Toluidin, 3-Methylanilin
R Raucher
RT Raumtemperatur
SIM Single Ion Monitoring
SPE Festphasenextraktion
TRGS Technische Richtlinie für Gefahrstoffe
TRK Technische Richtkonzentration
TIC Total Ion Count
UBA Umweltbundesamt

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Expositionskontrolle
1 Einleitung
1.1 Expositionskontrolle
Die Arbeits- und Umweltmedizin hat vornehmlich die Aufgabe der gesundheitlichen
Prävention von Arbeitnehmern am Arbeitsplatz bzw. von beruflich unbelasteten, aber
über die Umwelt Schadstoff-exponierten Menschen. Um diese Aufgabe zu erfüllen,
bedient sich die Arbeits- und Umweltmedizin verschiedener Strategien zur Expositi-
onskontrolle.
Im Bereich der arbeits- und umweltmedizinischen Toxikologie stellt das Biological
Monitoring eine Maßnahme der Individualprävention dar, bei der das Ausmaß der
Schadstoffbelastung des Menschen und der daraus resultierenden gesundheitlichen
Beanspruchung abgeschätzt wird (Zielhuis 1980; Angerer & Gündel 1996; Kommis-
sion Human-Biomonitoring des Umweltbundesamtes 1996; Schaller & Angerer
1998).
Beim Biological Monitoring unterscheidet man heute zwischen dem Dosismonitoring,
dem Biochemischen Effekt Monitoring und dem Biologischen Effektmonitoring. Das
Dosismonitoring befasst sich mit der Bestimmung der Schadstoffe bzw. ihrer Metabo-
liten in Körperflüssigkeiten. Als biochemisches Effektmonitoring wird die Quantifizie-
rung von Reaktionsprodukten mutagener Substanzen mit der Erbsubstanz bezeich-
net. Als Surrogat für die DNA werden dabei Proteine bzw. deren Addukte mit muta-
genen Substanzen betrachtet. Von einem biologischen Effektmonitoring sprechen
wir, wenn erste Reaktionen des Körpers auf die Schadstoffbelastung messbar sind,
z.B. die Veränderung von Enzymaktivitäten (Induktion/Inhibition) oder auch geneti-
sche Parameter. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die verschiedenen Mess- und
Kontrollstrategien der Arbeits- und Umweltmedizin. Dabei steigt die prädiktive Bedeu-
tung innerhalb des Biological Monitoring im Hinblick auf die gesundheitlichen Auswir-
kungen vom Dosismonitoring über das biochemische Effektmonitoring zum biologi-
schen Effektmonitoring an (Angerer 2001, Angerer 2003).

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