Erarbeitung eines analytischen Verfahrens zum Biomonitoring von Naphthalin und dessen Anwendung in der umwelt- und arbeitsmedizinischen Diagnostik

Development of an Analytical Method for Biological Monitoring of Naphthalene and its Application in Environmental and Occupational Medicine

  • Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe sind als ubiquitäre Schadstoffe Bestandteil der Umwelt des Menschen. Darüber hinaus spielen sie in bestimmten Industriezweigen als Arbeitsstoffe eine besondere Rolle. Naphthalin ist der einfachste Vertreter dieser Stoffgruppe. Im Jahre 2001 wurde erkannt, dass Naphthalin im Tierversuch krebserzeugend wirkt und dass man daher davon ausgehen muss, dass Naphthalin auch beim Menschen nennenswert zum Krebsrisiko beiträgt. Die Frage, wie man den Menschen vor Gesundheitsschäden durch Naphthalin schützen kann, ist derzeit noch ungeklärt. Für eine wirksame Individualprävention ist als erster Schritt die Bestimmung der inneren Belastung des Menschen erfordePolyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe sind als ubiquitäre Schadstoffe Bestandteil der Umwelt des Menschen. Darüber hinaus spielen sie in bestimmten Industriezweigen als Arbeitsstoffe eine besondere Rolle. Naphthalin ist der einfachste Vertreter dieser Stoffgruppe. Im Jahre 2001 wurde erkannt, dass Naphthalin im Tierversuch krebserzeugend wirkt und dass man daher davon ausgehen muss, dass Naphthalin auch beim Menschen nennenswert zum Krebsrisiko beiträgt. Die Frage, wie man den Menschen vor Gesundheitsschäden durch Naphthalin schützen kann, ist derzeit noch ungeklärt. Für eine wirksame Individualprävention ist als erster Schritt die Bestimmung der inneren Belastung des Menschen erforderlich. Dies ist umso wichtiger, als das Naphthalin gut über die Haut resorbiert wird, so dass die alleinige Messung dieser Substanz in der Luft die aufgenommene Dosis vermutlich bei weitem unterschätzt. Für eine wirksame Individualprävention ist es deshalb notwendig, nach Parametern zu suchen, mit denen die innere Belastung des Menschen durch Naphthalin wirksam kontrolliert werden kann. Als Parameter für ein Biomonitoring wurden die Naphthalinmetabolite 1-Naphthol und 2-Naphthol im Urin gewählt. Erstes Ziel bestand in der Entwicklung einer analytischen Methode, die es ermöglicht, beide Metabolite gleichzeitig mit hoher Validität in Urinproben zu bestimmen. Dieses Ziel wurde erreicht durch die Anwendung von Hochdruckflüssigkeitschromatographie und Säulenschalttechniken und Fluoreszenzdetektion. Die externe Probenaufarbeitung beschränkt sich auf die enzymatische Hydrolyse und eine Zentrifugation der Proben. Die auf diese Weise in wenigen einfachen Arbeitsschritten hydrolysierten Proben werden system-intern und automatisiert weiter aufgereinigt. Eine Abtrennung der komplexen Matrix gelingt durch die Kombination verschiedener Trennprinzipien auf verschiedenartigen Säulentypen. Sowohl die laborinterne Methodenvalidierung als auch die regelmäßige Teilnahme an einem internationalen Qualitätssicherungsprogramm bestätigten der Methode eine hohe Präzision und Richtigkeit. Das zweite Ziel dieser Arbeit bestand in der Anwendung der neuen Methode zur Erfassung der inneren Naphthalinbelastung von Personen der Allgemeinbevölkerung. Dazu wurden Urinproben von 124 Erwachsenen und 35 Kindergartenkindern auf 1- und 2-Naphthol untersucht. Es zeigte sich, dass das Rauchen einen entscheidenden Einfluss auf die Naphtholausscheidung hat. Raucher zeigten Naphtholkonzentrationen im Urin, die etwa um den Faktor 3 bis 5 höher lagen als bei Nichtrauchern. Für Nichtraucher der Allgemeinbevölkerung wurde aus diesen Daten nach dem Konzept der Humanbiomonitoring-Kommission beim Umweltbundesamt ein Vorschlag für einen neuen Referenzwert in Urin von 35 µg/l für die Summe aus 1- und 2-Naphthol abgeleitet. Die Kindergartenkinder zeigten auf das Körpergewicht bezogen Naphtholkonzentrationen im Urin, die nahezu gleichgroß waren wie die der erwachsenen Nichtraucher. Zur Untersuchung sowohl der inneren als auch der äußeren Naphthalinbelastung am Arbeitsplatz wurden 383 Urinproben und 295 personenbezogenen Luftproben von Probanden untersucht, die in den Bereichen Herstellung von Graphitelektroden (GE), Herstellung von bitumenhaltigen Schalldämpfungsfolien (BT), Herstellung von Feuerfestmaterialien (FFH), Kokerei (KK), Teerdestillation (TD) und Konverterzustellung (KV) beschäftigt waren. Überraschenderweise lag die innere Naphthalinbelastung bei den Nichtrauchern nur in etwa 25% der untersuchten Proben oberhalb der höchsten Hintergrundkonzentration. In den drei Gewerken GE, BT und FFH wurden Naphtholkonzentrationen im Urin gefunden, die sich nicht signifikant von denen der Allgemeinbevölkerung unterschieden. Es zeigte sich hier ein signifikanter Einfluss des Rauchens auf die Naphtholausscheidung im Urin. Beschäftigten im Bereich KK, TD und KV lagen hingegen signifikant über der Hintergrundbelastung. Auf der Basis des 90. Perzentils aller Nichtraucher aller Gewerke wurde nach dem Vorbild des britischen Health and Safety Executive ein Leitwert für das Biomonitoring am Arbeitsplatz von 60 µg (1+2)-Naphthol pro Liter Urin abgeleitet. Zusammenfassend kann man festhalten, dass mit dieser Arbeit der Grundstein gelegt wurde, um sich in weitergehenden Untersuchungen der Aufklärung des ultimalen Schadprinzips des Naphthalins zuzuwenden. Zur Prüfung der These, dass letztlich die beiden Naphthochinone die krebserregenden Metabolite im Naphthalin-Stoffwechsel darstellen, könnte in erster Linie die analytische Erfassung geeigneter DNA-Basen-Addukte einen erfolgversprechenden Weg darstellen. Auf dem Weg zu diesem aus analytischer Sicht sehr hochgesteckten Ziel sollte zunächst geprüft werden, ob und in welcher Form die Naphthochinone an Glutathion binden und ob diese Addukte als Mercaptursäuren im Urin ausgeschieden werden.show moreshow less
  • Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) represent a class of compounds to which humans are ubiquitously exposed from the environment, from cigarette smoke and especially at certain industrial workplaces. Many PAHs are known to exert carcinogenic activity. Since the year 2000 naphthalene poses a problem in environmental and occupational medicine because significant carcinogenic effects have been attached to naphthalene exposure in animal experiments. Naphthalene is therefore assumed as a substance considerably contributing to human cancer risk. It is presently unknown how to protect humans from health risks resulting from occupational and environmental naphthalene exposure. The sole determinatPolycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) represent a class of compounds to which humans are ubiquitously exposed from the environment, from cigarette smoke and especially at certain industrial workplaces. Many PAHs are known to exert carcinogenic activity. Since the year 2000 naphthalene poses a problem in environmental and occupational medicine because significant carcinogenic effects have been attached to naphthalene exposure in animal experiments. Naphthalene is therefore assumed as a substance considerably contributing to human cancer risk. It is presently unknown how to protect humans from health risks resulting from occupational and environmental naphthalene exposure. The sole determination of naphthalene in the air (ambient monitoring) can not provide a sufficient measure of protection from health risks on an individual basis. This is due to the fact, that naphthalene can not only be absorbed inhalatively but also percutaneously by skin contact. It is therefore necessary to scrutinize biomarkers of internal exposure. From the literature urinary naphthols (hydroxynaphthalenes) turned out to be suitable metabolites for biomonitoring purposes. Therefore an analytical method for the simultaneous determination of 1- and 2-naphthol in human urine with an integrated on-line sample preparation was developed. By introducing an automated multidimensional on-line clean-up column-switching HPLC procedure with flourescence detection, time consumption as well as manpower was reduced. Method validation as well as external quality assurance measures showed very good results in terms of accuracy and precision. With this newly developed method it was possible to determine the internal background exposure of subjects from the general population (124 adults and 35 nursery school children occupationally not exposed to naphthalene). The results show that tobacco smoking has a great influence on urinary naphthol levels. Smokers showed (1+2)-naphthol concentrations in urine which were increased by a factor of 3 to 5 in comparison to non-smokers. From these new data a reference value for the general population (non-smokers) of 35 µg (1+2)-Naphthol per litre urine was derived. Nursery school children showed similar urinary concentrations (related to the body weight). In order to elucidate the external and internal exposure of workers who are occupationally exposed to naphthalene 295 personal air monitoring samples and 383 urine samples of employees engaged at all relevant workplaces were investigated in a nation-wide study throughout Germany. Those branches of industry comprised coal-tar distillation, converter reconstruction, coking plants, production of fire proof materials (refractories), production of graphite electrodes and production of bitumen-foils. Surprisingly only 25% of the urinary (1+2)-naphthol concentrations among all non-smoking workers exceeded the highest background value from the general population. Naphthalene exposure in the production of refractories, graphite electrodes and bitumen-foils was found to be in an order of magnitude which also applies for persons occupationally not exposed to naphthalene. Tobacco smoking had a considerable influence on the naphthol excretion in those subjects. In contrast converter reconstruction, coal-tar distillation and coking plant workers exhibited naphthol concentrations significantly above the highest non-smoking control from the general population. According to the procedure carried out by the British Health and Safety Executive (HSE) a biological monitoring guidance value of 60 µg (1+2)-naphthol per litre urine was proposed. This PhD study provides insights into the actual exposure of humans to naphthalene. Biological monitoring guidance and reference values are proposed in order to trigger a discussion about individual health risk prevention strategies for naphthalene in the environmental and occupational medical scope. This PhD study comprises the fundamental basis for further reasearch activities in the field of naphthalene exposure and toxicity. The next step to gain deeper knowledge about the underlying carcinogenic mechanisms could be the biochemical effect monitoring of DNA adducts of the relevant toxic metabolites of naphthalene (e.g. naphthoquinones).show moreshow less

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Metadaten
Author:Ralf Preuß
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-2850
Advisor:Monika Pischetsrieder
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2005
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2005/12/15
Release Date:2005/12/20
Tag:Biological Monitoring; Metabolite; Naphthalene; Naphthol; Urine
SWD-Keyword:Biomonitoring; Harn; Metabolit; Naphthalin; Naphthole
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $