2a TOKSYKOLOGIA DYMU TYTONIOWEGO

Palenie tytoniu urosło do rangi poważnego problemu zdrowotnego, psychicznego i ekono­micz­nego każdej jednostki z osob­na i po­pu­lacji jako całości.

W Polsce powszechność palenia tytoniu była wysoka. Po 2-ej wojnie światowej sprzedaż papierosów wzrosła dwukrotnie i Pol­ska zajęła w tej kategorii czwarte miejsce na świecie. Obecnie z badań wynika, że najmniejsza konsumpcja tytoniu jest wśród młodzieży i osób po 65 roku życia, osób z wykształceniem wyższym oraz miesz­kań­ców wsi. Alarmującym jest fakt wzrostu ilości papierosów wypalanych dziennie oraz młody wiek począt­ku­ją­cych palaczy. Palenie tytoniu i sam dym tytoniowy wraz z za­war­ty­mi w nim szkodliwymi substancjami jest przyczyną uzależnień psychicznych tzw. nikotynizmu, którego głównym sprawcą jest nikotyna, i far­ma­kologicznych. Jest przyczyną wielu chorób związanych z paleniem oraz niestety przyczyną wielu przedwczes­nych zgonów z po­wodu tych chorób.

Pod względem fizykochemicznym proces palenia tytoniu przebiega w szerokim zakre­sie temperatur. W za­leżności od warun­ków miejsca powstania wyróżniono główny strumień dymu i boczny strumień dymu. Ze względu na skład chemiczny w dymie zidentyfikowano ponad 100 węglowodorów alifatycznych cyklicznych oraz 19 metali ciężkich. Najbardziej toksycznymi są tlenek węgla i nikotyna. Tlenek węgla utrudnia dopływ krwi i skład­ni­ków odżywczych do mięśnia sercowego doprowadzając do jego zawału. Natomiast nikotyna przy­śpiesza pracę serca i wpływa na wzrost ciśnienia tętniczego krwi.

Są różne drogi wydalania składników dymu tytoniowego zależnie od ich właściwości: z powietrzem wydychanym, z mo­czem lub kałem.

Rozpatrując wpływ palenia na zdrowie najbardziej narażone są: dzieci w wieku szko­lnym oraz kobiety w ciąży i przyszłe matki. Obecnie nikotynę i kotyninę można oznaczać w materiale biologicznym metodami: Köninga, chromatografią gazową
i HPLC oraz imu­nochemicznie i radioimmunologicznie.

Ta ostatnia metoda charakteryzuje się wysoką specyficznością (około 100%)i czuło­ścią, ale wadą jest wysoki koszt oznaczeń.

Są różne sposoby walki z nałogiem:

- metody farmakologiczne polegające na zmniejszaniu dawek nikotyny, stosowanie środków homeopatycznych, które zmniejszają głód nikotynowy oraz środków, które mają wywołać negatywne reakcje organizmu (np.: wymioty, nudności).

- metody psychologiczne takie jak hipnoza czy sugestia. Powodzenie tych metod zależy od doświadczenia terapeuty
i mo­tywacji pacjenta oraz długotrwałego systematycznego stosowania.

- akupunktura.

Obecnie zaczyna być moda na niepalenie, która ma wiele przyczyn, nie tylko zdrowotnych, ale również i ekonomicznych i jest to chyba najbardziej skuteczny sposób.

Generacja i składniki dymu tytoniowego.

Dym tytoniowy, podobnie jak dym pochodzący z innych źródeł, jest aerozolem na który składa się faza cząsteczkowa i faza gazowa. Skład chemiczny dymu tytoniowego zależy między innymi od rodzaju tytoniu, temperatury żarzenia, typu papierosa, sposobu zaciągania się, wilgotności, dodatków chemicznych do tytoniu itp. Proces palenia tytoniu przebiega w szerokim zakresie temperatur. Podczas zaciągania temperatura stożka papierosa osiąga średnio 950ºC, natomiast temperatury punktowe w obwodowej strefie palenia mogą sięgać 1050ºC. Temperatura dymu wciąganego do ust waha się w zakresie 25-50ºC, w zależności od długości niedopałka. W palącym się papierosie podczas zaciągania wyróżnia się trzy strefy temperatur: wysokiej (950-600ºC), której jest niewielka ilość wolnego tlenu, około 8% objętości wolnego wodoru i 15% objętości tlenku węgla; pirolityczno-destylacyjnej (600-100ºC) pozbawionej tlenu i niskiej (poniżej 100ºC) zawierającej około 12% objętości wolnego tlenu. Podczas palenia tytoniu zachodzą takie procesy fizykochemiczne i chemiczne jak: destylacja, sublimacja, kondensacja, utlenianie, redukcja, dekarboksylacja, dehydratacja i piroliza warunkujące skład chemiczny dymu tytoniowego.

W zależności od warunków i miejsca powstania dymu wyróżnia się główny strumień dymu i boczny strumień dymu.

Dym z tak zwanego strumienia głównego (dym wciągany ustami palacza) przechodzi w tym przypadku przez specjalny gęsty filtr włókna szklanego, który jest w stanie wychwycić całą niemal fazę cząsteczkową. Fazę tą stanowią cząsteczki substancji nielotnych lub półlotnych, o przeciętnych rozmiarach cząsteczek 0,2- 1,0 *m. Cały dym tytoniowy, a szczególnie faza cząsteczkowa jest niezwykle labilna. W bardzo krótkim okresie czasu aerozol zmienia swoje właściwości chemiczne. Dzieje się tak na skutek koagulacji mniejszych cząsteczek w większe, kondensacji z parą wodną, reakcji chemicznej między wolnymi rodnikami poszczególnych cząsteczek. Mówi się wtedy o starzeniu się dymu.

Szybko zwiększające się wymiary cząsteczek istotnie wpływają na sposób ich osadzania się w niedopałku, filtrze, a tak­że błonach wyściełających drogi oddechowe. W miarę wzrostu rozmiaru cząsteczki zachodzi większe prawdo­po­do­bieństwo osadzania się jej na materiale filtracyjnym lub na błonach górnych dróg oddechowych. Z kolei największe prawdopodobieństwo wydostania się wraz z wydechem mają cząsteczki najmniejsze.

Osadzone na filtrze z włókna szklanego substancje, po odjęciu wody i nikotyny stanowią tzw. suchy kondensat dymu tytonio­we­go, krótko nazywany „smołą”. Przechodząca przez filtr faza gazowa również może być kierowana do aparatów i urzą­dzeń określających zawartość w dymie takich gazów jak tlenek węgla, cyjanowodór lub akroleina.

W zależności od sposobu oddziaływania na organizm substancji szkodliwych zawartych w dymie, przyjął się podział na substancje toksyczne, drażniące i kancerogenne. Nie jest to jednak podział ani pełny, ani precyzyjny. Niedokładne jeszcze rozeznanie co do właściwości wielu związków i ich sposobu oddziaływania na organizm, pozwala jedynie na ogólne sklasyfikowanie tych substancji. Dotyczy to szczególnie związków o udowodnionych lub przypuszczalnych właściwościach mutacyjnych.

Dane eksperymentalne odnośnie oddziaływania poszczególnych związków na organizm, w połączeniu z danymi epidemio­lo­gicz­nymi opartymi na działaniu dymu tytoniowego jako całości, pozwalają z wysokim prawdopo­dobieństwem wyznaczyć rzeczywisty zakres oddziaływania na organizm poszczególnych związków lub ich grup.

W skład głównego strumienia dymu wchodzą substancje gazowe - około 87% (faza gazowa dymu: azot około 58% całkowitej masy głównego strumienia, tlen około 12%, dwutlenek węgla około 13%, tlenek węgla około 3,5%, a także wodór i argon łącznie około 0,5%); substancje ciekłe około 5% (faza parowa dymu: węglowodory 40% ogólnej masy substancji wchodzących w skład fazy parowej, woda 20%, aldehydy 14%, ketony 9%, nitryle 6%, alkohole 1,5%, estry 1,0% pozostałe składniki 8,5%) i substancje stałe około 8% (faza cząsteczkowa dymu: mocne kwasy 37,7%, woda 25,0%, słabe kwasy 15,3%, substancje obojętne 16,2% i substancje zasadowe 5,8%).

Boczny strumień dymu powstaje w przerwach między zaciąganiem się w wyniku tlenia się papierosa przechodząc do powietrza z pominięciem ustnika. Boczny strumień składa się z fazy parowej i fazy cząstkowej dymu. Temperatura tlącego się stożka papierosa jest niższa o około 350ºC od temperatury podczas zaciągnięcia. Istotne znaczenie dla składu chemicznego bocznego strumienia, który różni się od głównego strumienia ma brak tlenu w przerwach pomiędzy zaciąganiem. Potwierdzeniem tego są m.in. wysokie stężenia tlenku węgla (3-5 razy większe niż w głównym strumieniu), pirydyny (7-20 razy), tlenków azotu (4-10 razy), amoniaku (40-170 razy) i lotnych N-nitrozoamin (6-100 razy) powstające łatwiej w niższych temperaturach tlącego się papierosa niż w wysokich podczas zaciągania. Wyjątek stanowi cyjanowodór generowany z białek w temperaturze około 700ºC i nie mogący być wydajnie syntetyzowany w temperaturze tlącego się papierosa, którego stężenie w bocznym strumieniu jest około 3-10 razy niższe niż w strumieniu głównym. Obecność wymienionych substancji zasadowych powoduje pH w zakresie 6,7-7,0.

Jeżeli przyjmujemy, że przeciętny palacz z przeciętnego papierosa wchłania ustami 500 mg dymu, to wagowo 70% tej ilości stanowi azot i tlen. Pozostałe 30% to w olbrzymiej większości substancje biologicznie nieobojętne, z czego 22% stanowią gazy takie jak tlenek węgla, tlenek azotu, cyjanowodór, akroleina, natomiast pozostałe 8% to faza cząsteczkowa złożona z przeszło 2300 dotychczas zidentyfikowanych związków chemicznych.

W celu wychwycenia i oznaczenia składników dymu tytoniowego, także w celu unifikacji metod badawczych, skonstruowano specjalne aparaty spalające papierosy i inne wyroby tytoniowe w sposób imitujący zachowanie przeciętnego palacza.

Skład dymu tytoniowego.

NIKOTYNA

Z farmakologicznego punktu widzenia jest najbardziej czynnym składnikiem dymu tytoniowego. Stanowi około 97% wszystkich alkaloidów tytoniu, a zawartość jej w dymie papierosów krajowych waha się od 1 do blisko 2 mg na papieros. Następna w kolejności nikoteina stanowi około 2%, a nikotamina około 0,5% wszystkich alkaloidów. Poza tym w niewielkich ilościach stwierdzono nikotelinę, anabazynę, anatabinę, nikotyrynę. Należy przy tym zaznaczyć, że tylko około 15% nikotyny zawartej w tytoniu dostaje się do płuc palacza. Reszta ulatnia się z tzw. bocznym strumieniem dymu, który wydobywa się bezpośrednio z ognika żarzącego się papierosa (około 20%), lub ulega pirolizie (około 30%). Suche papierosy emitują co najmniej dwa razy więcej nikotyny niż wilgotne.

Nikotyna zawarta w dymie jest błyskawicznie wchłaniana poprzez śluzówkę górnych dróg oddechowych i pęcherzyki płucne. Dostaje się do krwioobiegu płucnego, następnie do aorty przez serce i dalej do krwioobiegu obwodowego. Dostawszy się do naczyń mózgowych drażni szereg receptorów uwalniając takie hormony jak adrenalina, noradrenalina i hormony antydiuretyczne.

Maksymalny poziom nikotyny we krwi nałogowych palaczy wynosi 31 do 41 *g/litr, przy czym poziom ten szybko się zmniejsza na rzecz głównego (nieczynnego farmakologicz-nie) metabolitu nikotyny - kotininy. Po 15-60 minutach poziom kotininy we krwi jest wyższy od poziomu nikotyny. Organami akumulującymi największe ilości nikotyny wydają się być: mózg, gruczoły śliniankowe, nerki, natomiast głównym organem odpowiedzialnym za transformację nikotyny do kotininy jest wątroba. Zarówno kotinina jak i pewne ilości nikotyny są wydalane z moczem, przy czym organizm matek karmiących wydziela również pewne ilości nikotyny do mleka wysysanego przez niemowlę. Nikotyna działa bezpośrednio na zwoje komórek nerwowych układu sympatycznego i parasympatycznego, oraz na połączenia neuromięśniowe. W małych dawkach ułatwia przekazywanie impulsów nerwowych, w większych blokuje, a w odpowiednio dużych paraliżuje przekazywanie impulsów. Niewielkie dawki wpływają na ogół stymulująco na centralny układ nerwowy. Podnoszą aktywność układu oddechowego i naczyniowo-ruchowego. Większe dawki drażnią receptory wywołujące nudności i wy­mioty. W zależności od organizmu mogą wywoływać także odruch pocenia się, osłabienie, biegunkę, kołatanie serca, a na­wet omdlenia.

Wpływ nikotyny na organizm nie wydaje się być jednak tak prosty jak przedstawiono powyżej. Substancja ta może działać w szereg różnych, przeciwstawnych czasem sposobów. Zależy to w dużej mierze od stanu w jakim dany organizm w danej chwili się znajduje.

Jest trucizną równie silną jak kwas pruski. Podana jednorazowo dożylnie powoduje śmierć na skutek porażenia centralnego i obwo­dowego układu nerwowego, głównie paraliżu mięśni oddechowych klatki piersiowej.

Przyjmuje się, że zgon większości dorosłych osobników następuje w kilka minut po wstrzyknięciu lub doustnym podaniu jednorazowej dawki około 60 mg nikotyny. Po przeżyciu 1-4 godzin osobnik taki ma szansę na uratowanie. Po zgonie sekcja zwłok stwierdza odmę płucną i ogólne przekrwienie płuc, obrzęk błon śluzowych ust, krtani, przełyku i żołądka, zmiany mikroskopowe w komórkach wątroby i serca, oraz martwicę nerek.

Jakkolwiek jednorazowa dawka 60 mg uważana jest za letalną, to jednak nałogowi palacze wydają się mieć zwiekszoną tolerancję organizmu. Doswiadczenia wykazują, że dobowa dawka ok. 50 mg nikotyny rozcienczonej w wodzie pitnej nie powoduje u nich tragicznych następstw. Niektóre źródła wymieniają nawet wielokrotnie wyższe dawki dobowe względnie dobrze tolerowane przez organizm.

Z wiadomych powodów, duże zainteresowanie wywołuje sprawa ewentualnych właściwości rakotwórczych nikotyny. Jednakże nie stwierdza się takich właściwości ani dla nikotyny, ani dla jej pochodnych (z wyjątkiem N-nitrozonornikotyny). Dyskusyjne miejsce wydaje się zajmować kotinina. Niektóre dotychczasowe badania potwierdzały inne jednak zaprzeczały rakotwórczości kotininy.

Chroniczne zatrucia nikotyną powodują zaburzenia w rytmie sercowym, zwężenie światła naczyń, zaburzenia gastryczne
i wzro­kowe. Ciągłe dostarczanie organizmowi niewielkich dawek nikotyny powoduje powstanie odruchów uzależnieniowych o podłożu zarówno organicznym jak i psychicznym. Nikotyna jako czynnik psychoaktywny ma właściwości uspokajające, przeciwlękowe, antydepresyjne, poprawiające samopoczucie. Należy jednak dodać, że permanentna ekspozycja na nikotynę znacznie obniża intensywność tych doznań.

TLENEK WĘGLA

Źródłem tlenku węgla (CO) jest termiczny rozkład tytoniu (30%), niecałkowite spalanie składników organicznych tytoniu (36%), redukcja dwutlenku węgla (CO₂) (23%) i inne procesy chemiczne (11%). Źródłem tlenku węgla (CO) jest termiczny rozkład tytoniu (30%), niecałkowite spalanie składników organicznych tytoniu (36%), redukcja dwutlenku węgla (CO₂) (23%)
i inne procesy chemiczne (11%).

Tlenek węgla jest jedną z substancji toksycznych zwany popularnie czadem, wydzielą w ilości 70 mg podczas palenia jednego papierosa, gdzie aż 50 mg zawartych jest w dymie bocznym. Tlenek węgla blokuje hemoglobinę (barwnik krwi), który jest transporterem gazów w organizmie, reaguje z nią w sposób nieodwracalny tworząc związek chemiczny - karboksyhemoglo­binę. Tlenek węgla utrudnia dopływ tlenu i składników odżywczych do mięśnia sercowego, doprowadzając do jego zawału, choroby niedokrwiennej serca, do miażdżycy naczyń tętniczych i nadciśnienia.

Dym tytoniowy zawiera od 1 do 5% tlenku węgla (CO) uważanego za jeden z bardziej niebezpiecznych czynników. Wielkie powinowactwo CO do hemoglobiny krwi, czego wynikiem jest powstanie karboksyhemoglobiny (COHb), w dużym stopniu obniża skuteczność systemu krwionośnego jako nośnika tlenu. U nałogowych palaczy stężenie COHb we krwi dochodzi aż do 15%, co może prowadzić do niedotlenienia wielu tkanek i narządów wrażliwych na brak tlenu, takich jak serce i centralny układ nerwowy. Także niedotlenienie płodu może być przyczyną wielu jego zaburzeń. Stwierdzono na przykład, że w przypadku ciąży CO powoduje często niedowagę dziecka, a także częściej występują powikłania ciążowe. Ostatnio dyskutuje się problem bezpośredniego wpływu tlenku węgla na proces powstawania miażdżycy aorty i naczyń wieńcowych. Jest to na pewno problem złożony i należy tu uwzględnić takie czynniki jak ilość spożywanych tłuszczów, ekspozycja na sytuacje stresowe, obciążenia dziedziczne i wpływ innych składników dymu tytoniowego. U osób już dotkniętych miażdżycą ekspozycja na zawarty w dymie CO może prowadzić do ataków dusznicy bolesnej.

SMOŁA

Termin „smoła” jest umowny i obejmuje swym zakresem, jak wspomniano wyżej, całą fazę cząsteczkową dymu tytoniowego zatrzymaną przez filtr z włókna szklanego lub przez filtr elektrostatyczny.

Faza cząsteczkowa tworzy się w procesie termicznym w czasie spalania tytoniu, na który to proces składają się takie reakcje i zjawiska fizyko-chemiczne jak: piroliza, pirosynteza, utlenianie, redukcja, destylacja, sublimacja, dekarboksylacja, dehydratacja. W wyniku otrzymu­je­my przeszło 2300 zidentyfikowanych dotąd związków chemicznych należących do wszystkich ważniejszych grup: węglowodory alifatyczne i aromatyczne, fenole i ich estry, kwasy, aldehydy, ketony, alkohole, estry alifatyczne, związki azotu, siarki i inne. Zasłużenie największą uwagę przyciągają związki występujące czasem w śladowych ilościach, ale za to biologicznie czynne, uważane za głównych sprawców procesu kancerogenezy. Należy tu cała grupa wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych na czele z takimi klasycznymi kancerogenami jak: benzo(a)piren, dwubenzo(a,h)antracen.

Niektóre wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne nie prowadzą całego procesu kancerogenezy, czyli nie są kompletnymi kancerogenami. Dlatego zaszła konieczność ich podziału na inicjatory nowotworów - odpowiedzialne za proces powstawania uśpionych ognisk w materiale genetycznym poszczególnych komórek i promotory nowotworów - nie mające zdolności inicjowania procesu kancerogenezy, działające tylko w przypadku i w miejscach indukcji przez inicjator. Ponadto rozróżnia się jeszcze kokancerogeny, czyli substancje nie mające w ogóle właściwości rakotwórczych, ale mogące znacznie wzmocnić ten proces, nawet w przypadku wystąpienia śladowych ilości właściwych kancerogenów.

Dobrze znane ze swych rakotwórczych właściwości są także występujące w dymie tytoniowym nielotne N-nitro­zo­ami­ny. Jedna z nitro­zo­amin N-nitrozonornikotyna, będąca pochodną nikotyny lub nornikotyny, powstaje w pro­ce­sie su­sze­nia tytoniu. Ilość powstałej N-nitro­zo­nor­nikotyny ściśle zależy od ilości azotynów oraz pH liści tytoniowych. Przy pH większym niż 4,4 można spodziewać się znacznych ilości tego związku w tytoniu, a także w dymie, jakkolwiek w tym ostatnim stwierdza się zaledwie od jednej dziesiątej do jednej setnej ilości występującej w suszonych liściach. W dymie i kondensacie dymu obecne są także N-nitrozopochodne innych alkaloidów tytoniu. W fazie cząsteczkowej dymu stwierdza się szereg substancji o znanych rakotwórczych właściwościach. Należą one do grup N-hetero-cyklicznych węglowodorów (aza-arenów), fenoli, metali ciężkich i pierwiastków radioaktywnych. Przykładem związków z grupy N-heterocyklicznych węglowodorów są dwubenzo(a,h)akrydyna i dwubenzo(g,c)karbazol. Ilość półlotnych fenoli w kondensacie dymu można znacznie zmniejszyć stosując skuteczne filtry z octanu celulozy. Dotyczy to szczególnie katecholu.

W zależności od rejonu uprawy, nawożenia i technologii wytwarzania wyrobów tytoniowych, dym zawiera zmienne ilości związków metali ciężkich i związków, w których skład wchodzą pierwiastki radioaktywne. Do najgroźniejszych należą związki niklu, szczególnie karbonyl niklu, związki kadmu, natomiast z radioaktywnych - związki polonu 210.

Aby mógł zaistnieć proces kancerogenny, związki rakotwórcze muszą przejść odpowiednie przemiany chemiczne w or­ganizmie. Najczęściej są to reakcje alfahydroksylacji. Dopiero w tym stanie kancerogeny są zdolne do reakcji z ma­kro­cząsteczkami RNA i DNA zapoczątkowując skomplikowany proces rakowacenia tkanek.

Dotychczas sporządzona lista obejmuje blisko 40 związków o udowodnionych właściwościach rakotwórczych, obecnych w dymie.

INNE SUBSTANCJE SZKODLIWE

Należy tu wymienić substancje toksyczne występujące głównie w fazie gazowej, takie jak cyjanowodór, tlenek azotu oraz drażniące jak: akroleina, tlenek siarki, amoniak i formaldehyd. Źródłem cyjanowodoru w dymie są białka i ami­nokwasy liści tytoniowych. Jest on czynnikiem wysoce toksycznym i łatwo wchłanianym przez śluzówkę i skórę. Blokuje aktywność szeregu enzymów oddechowych a także ruch rzęsek wyściełających drogi oddechowe (działanie ciliotoksyczne). Niewielkie ilości cyjanowodoru pod wpływem enzymu rodanazy, ulegają przekształceniu w orga­niz­mie do rodanków usuwanych następnie z mo­czem. Większe ilości mogą być przyczyną zatruć. Dawka śmiertelna dla człowieka wynosi ok. 1 mg cyjanowodoru na kilogram wagi ciała.

Tlenki azotu (NO_x) powstają z azotanów obecnych w surowym tytoniu w trakcie jego spalania. Tlenek azotu jest szybko metabolizowany w żywym organiźmie, przy czym produkty tracą swą toksyczność. Natomiast dwutlenek azotu po dostaniu się do płuc uszkadza błony wyściełające drogi oddechowe, przy czym aż 99% dwutlenku azotu jest zatrzymane w płucach. W połaczeniu z aminami, tlenki azotu są źródłem rakotwórczych nitrozoamin.

Amoniak pochodzi głównie z białek i azotanów liści tytoniowych. Drażni nieprzyjemnie receptory górnych i dol­nych dróg oddechowych i razem z akroleiną jest uznany za wyznacznik smakowego odczucia ostrości dymu tytonio­wego.

Akroleina należąca do grupy aldehydów jest znana ze swych szczególnie drażniących właściwości. Razem z alde­hy­dem octowym, formaldehydem i cyjanowodorem stanowi skuteczny czynnik ciliotoksyczny.

Minione 20-lecie przyniosło wyraźny postęp w dziedzinie poznania składu chemicznego dymu tytoniowego. Było to możliwe dzięki zastosowaniu nowoczesnych technik analitycznych, jak: chromatografia gazowa (GC), cieczowa o wysokiej rozdzielczości (HPLC), pomiar magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) czy absorpcyjna spektro­fotometria atomowa (AAS). W dymie tytoniowym stwierdzono ponad 400 związków chemicznych.

W grupie związków lotnych o dużej aktywności biologicznej obecnych w dymie tytoniowym, należy wymienić pochodne akrylowe i izocyjanianowe. W fazie gazowej, jak i cząstkowej dymu, zidentyfikowano ponad 100 węglowodorów alifatycznychi cyklicznych. Źródłem tych związków są woski pokrywające liście tytoniu. Zawierają one m.in.: alkany, alkohole, kwasy karboksylowe, estry, aldehydy i ketony.

Szczególnie niebezpieczna ze względu na jej silne działanie rakotwórcze, jest grupa związków wielopierścieniowych aromatycznych (WWA) zbudowanych z 3-7 skon­densowanych pierścieni.

Do przedstawicieli tej grupy należą: inden, fluoren, benzo(f)inden, benzo(a)antracen, czy perylen. Źródłem WWA w dymie są cykliczne izopreniody i fitosterole, a także reaktywne rodniki CH^(-) generowane w procesie pirolizy związków organicznych. Stężenie niektórych WWA w dymie papierosów bez filtra jest z punktu widzenia ontogenezy istotnie duże i wynoszą dla antracenu 2,3-23,5 μg/100 papierosów, benzo(a)antracenu 0,4-7,6 μg/100 p, pirenu 5,0-27,0 μg/100 p, czy benzo(a)pirenu 0,5-7,8 μg/100 p.Wśród czynników rakotwórczych dymu tytoniowego nie sposób pominąć N-nitrozoaminy, która powstaje zarówno podczas przeróbki tytoniu, jak i podczas jego palenia. W skład dymu wchodzą alkaloidy pirymidynowe, do których należą przede wszystkim nikotyna (800-3000μg/p.) kotynina (9-57 μg/p) anabazyna, anatobina i inne.

LOTNE ZWIĄZKI AZOTU

Tlenki azotu

Dym tytoniowy zawiera: tlenek azotu (NO), dwutlenek azotu (NO₂) i podtlenek azotu (N₂O). Świeży dym opuszczający ustnik zawiera do 600 μg/papieros tlenku azotu, śladowe ilości podtlenku azotu, natomiast nie zawiera dwutlenku azotu. Źródłem tlenków azotu są azotany, których zawartość w tytoniu może osiągnąć 5% wagowych.

Amoniak

W stożku papierosa azotany ulegają rozkładowi termicznemu do tlenków azotu,z których część jest redukowana do amoniaku. Stężenie jego w bocznym strumieniu wynosi do 14,3 mg/papieros, natomiast w głównym strumieniu 50-130 μg/ papieros. Wysokie pH bocznego strumienia dymu powoduje, że amoniak występuje częściowo w postaci wolnej w fazie pary.

Cyjanowodór, hydrazyna, uretany

Cyjanowodór (HCN) jest jednym z wielu toksycznych składników w fazie pary dymu tytoniowego. Główny strumień dymu komercjalnych papierosów zawiera 160-550 μg HCN/papieros. W bocznym strumieniu jego stężenie waha się w granicach 14-134 μg/pa­pieros.

WĘGLOWODORY

Węglowodory alifatyczne i węglowodory alicykliczne

Źródłem węglowodorów alifatycznych i alicyklicznych są woski pokrywające liście tytoniu. Zawierają one alkany, alkeny, alkohole, kwasy karboksylowe, estry, aldehydy, ketony i alkaloidy.

Węglowodory aromatyczne

Węglowodory aromatyczne jednopierścieniowe reprezentowane są w dymie tytonio­wym przez benzen i toluen.

Stężenie benzenu w głównym strumieniu dymu wynosi 12-48 μg/papieros, zaś w strumieniu bocznym papierosów z filtrem dochodziło do 453 μg/papieros.

Nitroalkany

W głównym strumieniu dymu wykazano obecność następujących nitroalkanów: 2-nitropropanu (0,22-2,2 μg/papieros), nitrometanu (0,19-1,05 μg/p), nitroetanu (0,27-2,2 μg/p), 1-nitrobutanu (0,19-1,4 μg/p) i 1-nitropentanu (<0,05-0,39 μg/p). (Wszystkie dane dotyczą jednego papierosa)

Chloroalkany i chloroalkeny

Dym tytoniowy zawiera 1,3-1,6 ng/papieros chlorku winylu. Filtry zawierające węgiel aktywowany wyraźnie obniżają jego stężenie w głównym się strumieniu. Chlorek metylu występuje w ilości 150-840 μg/papieros.

Inne substancje lotne

Grupie pochodnych akrylowych i izocyjanianowych zidentyfikowano dotychczas akrylonitrylu (10 μg/papieros) i akrylan metylu (3 μg/papieros). Ponadto w głównym strumieniu dymu stwierdzono obecność izocyjanianu metylu w stężeniu 1,5-5,0 μg/papieros.

ZWIĄZKI WIELOPIERŚCIENIOWE

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne

W dymu tytoniowym wykazano obecność 22 naftalenów (5-7 μg/papieros), 7 indenów, azulen, 2 acenaftalenów, 2 benz(o)indenów, 2 benzo(f)indenów i 35 wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) oraz ich pochodnych metylowych

Azaareny

W GS papierosa bez filtra wykazano obecność indolu (13,9 μg/papieros) skatolu (14 μg/p), chinoliny (1,67 μg/p), karbazolu (11 μg/p), oraz innych N-heterocyklicznych węglowodorów (0,1-100 ng/p). Z kondensatu dymu jednego papierosa bez filtra wyizolowano 0,1 ng/p dibenzo(a,h)akrydyny, 2,7 ng/p dibenzo(a,j)akrydyny, 0,7 ng/p 7H- dibenzo(c,g)karbazolu, 80 ng/p 2-amino-alfa-karboliny i 6-8 ng 2-amino-3-metylo-alfa-karboliny. (Wszystkie dane dotyczą jednego papierosa)

ALKOHOLE

W grupie alkoholi niższych wykazano obecność metanolu (90-180 μg/papieros) etanolu (2 μg/p), propanolu-1 (4 μg/p), propanolu-2, butanolu-1 (5 μg/p), butanolu-2 (poniżej 4 μg/p) i 2-metylopropanolu-1 (poniżej 6 μg/p). (wszystkie dane dotyczą jednego papierosa)

Fenole i ich pochodne

W dymie tytoniowym znajduje się ponad 200 fenoli. Całkowite stężenie fenoli w dymie papierosów bez filtra wynosi około 600 μg/papieros.

ALDEHYDY I KETONY

Wśród zidentyfikowanych w fazie parowej dymu 20 lotnych składników i 6 ketonów dominują: aldehyd mrówkowy (3-40 μg/papieros), aldehyd octowy (519-1144 μg/p), aldehyd propionowy (25-116 μg/p), akroleina (11-228 μg/p), aldehyd krotonowy (14-16 μg/p), furfural (45-110μg/p) i aceton (110-560 μg/p). (wszystkie dane dotyczą jednego papierosa)

KWASY KARBOKSYLOWE

Dym tytoniowy zawiera kwasy aromatyczne, m.in. kwas benzoesowy (26-310μg/pa­pieros) i kwas fenylooctowy (18-70 μg/papieros). Kwaśna frakcja fazy cząstkowej dymu zawiera hydroksykwasy, kwasy di- i hi- karboksylowe pochodzące z tytoniu.

AMINY I AMIDY

Najważniejszymi przedstawicielami tej grupy związków w głównym strumieniu dymu z papierosów bez filtra są: metyloamina (4,6-28,7 μg/papieros), etyloamina (0,96-25,5 μg/p) i pirolidyna (0,16-18,3 μg/p).

Estry i laktony

W głównym strumieniu wykazano obecność 73,3 μg/papieros estrów fitosteroli, natomiast w strumieniu bocznym 22,2 μg/papieros tych związków.

Związki pirydynowe, pirolowe i pirazynowe

Związki te powstają z naturalnych składników tytoniu; z alkaloidów, aminokwasów i białek w procesach pirolitycznych. Dotychczas zidentyfikowano 100 związków pirydy­nowych, 15 pirolowych i 35 pirazynowych.

METALE I PIERWIASTKI PRZEJŚCIOWE

Tytoń jako roślina uprawna pobiera z gleby i wód gruntownych wiele składników nieorganicznych, wśród nich najważniejsze są metale lekkie: sód, potas, cez, magnez, wapń, stront, glin, krzem, selen, skand, tytan. W najwię­kszych stężeniach wynoszących odpowiednio 70 i 1,3 μg/papieros występują sód i potas, natomiast stężenia pozostałych metali nie przekraczają ilości nanogramowych. W skład dymu tytoniowego wchodzi 19 metali ciężkich takich jak: tal, ołów, arsen, antymon, bizmut, tellur, polon, lantan, chrom, mangan, żelazo, kobalt, nikiel, miedź, srebro, złoto, cynk, kadm i rtęć. Źródłem tych metali jest zanieczyszczenie środowiska, w którym uprawiany jest tytoń. Większość tych metali nabiera coraz większego znaczenia w toksykologii tytoniu, o czym świadczy wyraźny wzrost reakcji obronnych ustroju u palaczy, manifestujący się indukcją metalotioneiny. Przy omawianiu tego zagadnienia nie sposób pominąć pierwiastków promieniotwórczych, które znajdują się w dymie papierosowym. Są to nuklidy ²¹⁰ Po, ²²⁶ Pa, ²²⁸ Ra, ²²⁸ Th, ²¹⁰ Pb, który jest głównym emiterem cząstek alfa, a ⁴⁰ K cząstek beta.

Niektóre z powyżej wymienionych związków są substancjami kancerogennymi i drażniącymi. Jako główne inicjatory procesu nowotworowego w dymie tytoniowym uważa się:

- policykliczne węglowodory aromatyczne i ich pochodne,

- nitrozoaminy,

- chlorek winylu,

- niektóre metale ciężkie (kadm, nikiel, arsen, ołów)

- izotopy promieniotwórcze (polon 210).

Substancje drażniące wpływają na błonę śluzową oskrzeli, pobudzają gruczoły oskrzelowe do produkcji śluzu, upośledzają ruch rzęsek w drzewie oskrzelowym.

Do tych substancji zaliczamy:

• tlenki azotu,

• amoniak,

• cyjanowodór,

• aldehydy,

• fenole,

• ketony,

• lotne kwasy.

W tabeli 1 zestawiono rodzaje substancji szkodliwych występujących w głównym i bocznym strumieniu dymu oraz ich ilości zawarte w jednym papierosie, a w tabeli 2 przedstawiono wykaz narządów i oddziaływujących na nie szkodliwych substancji obecnych w dymie papierosowym.

Tabela 1. Substancje szkodliwe występujące w dymie tytoniowym.				Tabela 2. Narządy i oddziaływujące nań substancje szkodliwe występujące w dymie tytoniowym.
SKŁADNIK	STRUMIEŃ DYMU			NARZĄDY - SUBSTANCJE ORGANOSPECYFICZNE	ILOŚĆ W DYMIE NA PAPIEROS
		GŁÓWNY	BOCZNY
Substancje smoliste	24,1 mg	11,4 mg
tlenek węgla	53,0 mg	12,0 mg		Przełyk
nikotyna	4,1 mg	0,8 mg		N-nitrozonornikotyna	140 ng
tlenek azotu	2-3 mg	0,2-0,5 mg		Nitrozopiperydyna	0 - 9 ng
				Nitrozopirolidyna	1 - 110 ng
Lotne węglowodory eten	1,2 mg	0,24 mg
								Płuca
propen	1,3 mg	0,18 mg		Polon - 210	0,03 - 1,3 pCi
1,3- butadien	0,4 mg	0,03 mg		Związki niklu	0 - 600 ng
izopren	3,1 mg	0,70 mg		Związki kadmu	9 - 70 ng
Związki aromatyczne Benzo(o)piren	0,23 mg	0,04 mg		Trzustka
								Nitrozoaminy	-
					Nerki i pęcherz moczowy
N-nitrozoaminy Nitrozodwumetyloamina	0,15-0,17mg	0,01-0,04 mg		*-naftyloamina	22 ng
							x-aminofluoren	obecny
				x-aminostylben	obecny
Radioaktywne izotopy Polon ( Po^210 )	0,004 Bq	0,003 Bq		o-toluidyna	obecny
								n-nitrotoluen	21 ng

WPŁYW I DZIAŁANIE DYMU TYTONIOWEGO NA ZDROWIE

Działanie toksyczne

W ostatnich latach został dobrze poznany mechanizm działania dymu tytoniowego na układ krążenia. Nikotyna działa stymulującą na ośrodkowy układ nerwowy, na zwoje wegetatywne oraz na rdzeń nadnerczy i zakończenia nerwów naczyniowych. Oprócz tego efektu stymulującego nikotyna wywiera również wyraźne działanie na układ krążenia. Działanie to manifestuje się częstoskurczem, wzrostem objętości wyrzutowej i minutowej serca. Pociąga to za sobą wzrost zużycia tlenu przez mięsień sercowy oraz zwiększony przepływ krwi przez lewą komorę w sercu, w aorcie, w tętnicach i żyłach centralnych, wzrost oporów naczyń obwodowych i upośledzenie ukrwienia wszystkich narządów.

W układach trawiennych dochodzi do zmian związanych przede wszystkim z dzia­łaniem nikotyny. Nikotyna hamuje wydzielanie trzustkowe stymulowane sekretyką, co prowadzi do zmniejszenia objętości soku i stężenia diwęglanów w dwunastnicy. Nikotyna za pośrednictwem receptorów alfa- i beta- adrenologicznych hamuje przepływ krwi przez trzustkę i dwunastnicę.

OZNACZANIE SIARKOWODORU, TIOLI I CYJANOWODORU W DYMIE TYTONIOWYM

Wykonanie ćwiczenia

Składniki dymu tytoniowego i ich własności fizjologiczne stanowią od szeregu lat przedmiot wnikliwych badań. Dym tytoniowy zawiera smółki tytoniowe w postaci aerozolu oraz składniki gazowe. W literaturze rozróżnia się dym główny, wciągany przez palacza oraz dym boczny, tworzący się w wyniku samorzutnego tlenia papierosa. Skład obu dymów jest różny, ale istotne znaczenie posiada tylko dym główny, ponieważ jest on wciągany w dużym stężeniu do płuc. W dymie tytoniowym występują kwasy i zasady organiczne, nikotyna i inne alkaloidy, aldehydy, estry, węglowodory wszystkich typów, fenole, sterole i wiele innych związków (patrz wyżej).

Głównymi składnikami fazy gazowej dymu tytoniowego są: azot, tlen, para wodna, dwutlenek węgla, tlenek węgla. W znacznie mniejszych ilościach występują również: siarkowodór, cyjanowodór, amoniak, tiole, tlenosiarczek i dwusiarczek węgla i liczne inne związki. Spośród składników dymu tytoniowego na uwagę zasługuje siarkowodór i cyjanowodór ze względu na wybitnie toksyczne własności, a w dalszej kolejności również dwusiarczek węgla i tiole. Składniki te można dogodnie oznaczać na drodze tiomerkurymetrycznej, po absorpcji składników dymu w alkoholowym roztworze wodorotlenku sodu, gdzie powstają siarczki, cyjanki, tiolany, ksantogeniany i ester kwasu monotiowęglowego. W takim roztworze można miareczkować siarczki i tiolany 0-hydroksyrtęciobenzoesanem sodowym (HMB) wobec ditizonu po uprzednim wprowadzeniu formaldehydu w celu związania cyjanków. Następne wprowadzenie dwumetyloaminy powoduje rozkład ksantogenianów i estru kwasu tiowęglowego, przy czym z każdego mola powstaje mol siarczku.

Do drugiej próbki wprowadza się formaldehyd i akrylonitryl, co powoduje związanie cyjanków i tioli, po czym miareczkuje się siarczki roztworem HMB. I wreszcie cyjanki można miareczkować roztworem siarczanu niklawego wobec mureksydu (tworzy się kompleks Ni(CN)₄ ) po wprowadzeniu nadmiaru HMB w celu związania siarczków i merkaptanów.

Odczynniki:

roztwór do absorpcji - alkoholowy roztwór 0,75 M NaOH

HMB 4*10^-4 M, roztwór wodny

formalina 3%, roztwór wodny

ditizon roztwór w etanolu

roztwór wodny 1 M akrylonitrylu

roztwór wodny 1 M azotanu amonu

siarczan niklawy 5*10^-4 M, roztwór wodny

mureksyd roztwór wodny

Zestaw do oznaczania (rys. 1) składa się z wodnego urządzenia lewarowego (A) do kontrolowanego zasysania powietrza przy pomocy pompki wodnej podłączanej kranem (F), płuczki kulkowej (B) i 10 cm rurki szklanej (C). W rozszerzonym końcu rurki umieszcza się badany papieros (D). Przepływ powietrza reguluje się za pomocą kranika (E) umieszczonego między płuczką a le­warem. W płuczce znajduje się roztwór do absorpcji. Kranem H spuszczamy roztwór po adsorpcji.

Wykonanie oznaczenia

Do płuczki kulkowej (B) wlać 30 ml roztworu do absorpcji, włożyć papieros do rurki (D) (zaznaczając wcześniej na nim długość, którą spalimy), zapalić go powodując jednocześnie przepływ powietrza. Po zakończeniu palenia zawartość płuczki spuścić do kolby miarowej, opłukać rurkę doprowadzającą dym i płuczkę przy pomocy tryskawki i rozcieńczyć wodą do 50 ml. Pobrać do erlenmajerek 3 próby po 10 ml, które zanalizować następująco:

Do pierwszej próbki dodać 1 ml 3% formaliny i miareczkować roztworem HMB wobec ditizonu od żółtego aż do silnie purpurowego zabarwienia. Wynik V₁ ml odpowiada zawartości siarczków i tioli.

Do drugiej próbki dodać 0,5 ml 3% formaliny i 0,5 ml 1M akrylonitrylu, pozostawić na okres 2-5 minut, po czym miareczkować roztworem HMB wobec ditizonu. Wynik V₂ ml odpowiada zawartości siarczków.

Do trzeciej próbki dodać 5 ml 1 M azotanu amonu i HMB w ilości 1,2 V­₁ tzn. w 20% nadmiarze względem sumy siarczków i tioli. Następnie otrzymany roztwór miareczkować roztworem siarczanu niklawego wobec mureksydu do zmiany barwy czerwonej w żółtą. Następnie sprawdzić, czy po paru minutach czerwone zabarwienie nie powraca i ewentualnie miareczkowanie dokończyć. Wynik V₃ ml odpowiada zawartości cyjanków.

Przy miareczkowaniu 1) dodaje się roztwór formaliny celem zamaskowania cyjanków, zgodnie z reakcją otrzymuje się roztwór cyjanohydryny.

Roztwór akrylonitrylu wprowadzany przy miareczkowaniu 2 maskuje merkaptany według reakcji:

Siarczki i merkaptany oznacza się solą sodową kwasu 0-hydroksyrtęciobenzoesowego (HMB) jak pokazują następujące równania:

Natomiast cyjanki oznaczane roztworem niklu tworzą kompleks według reakcji:

Przy obliczaniu zawartości poszczególnych składników w dymie tytoniowym wprowadzić następujące poprawki empiryczne, uwzględniające również współczynniki reakcji miareczkowania:

V_H2S = 0,833 (V₂ + 0,25) jeżeli V₂ > 2; V_H2S = 0,833 (1,2 V₂ - 0,1) jeżeli V₂ < 2

V_RSH = 1,67 (V₁ - V₂)

V_HCN = 6,66 V₃ jeżeli V₃ > 1,0; V_HCN = 6,66 (1,5 V₃ - 0,3) jeżeli V₃ < 1,0

Oznaczenia wykonać 3-krotnie, spalając różne rodzaje papierosów. Ilości poszczególnych składników obliczyć w μmolach na 1 cm długości papierosa.

Sprawozdanie z ćwiczenia winno zawierać wyniki analiz ujęte w tabelę

Lp.	Nazwa papierosa	Zawartość cyjanków μmol/cm	Zawartość siarczków μmol/cm	Zawartość tioli μmol/cm

Należy także wyciągnąć wnioski z uzyskanych wyników.

Literatura:

M. Wroński, Wiadomości Chemiczne, 1 (1963)

M. Wroński, Chemia Analityczna, 15, 371 (1970)

Toksykologia dymu tytoniowego (w załączeniu)

1

---