Biomonitoring narażenia człowieka na pierwiastki toksyczne

Pierwiastki toksyczne wpływają szkodliwie na organizm ludzki. Narażenie człowieka na nie bada się poprzez biomonitoring na matrycach jakimi są m.in. włosy za pomocą analizy wielopierwiastkowej.

1. Wprowadzenie

Pierwiastki toksyczne, a zwłaszcza metale ciężkie są pierwiastkami, które w organizmie ludzkim nie ulęgają biodegradacji, a w wysokim stężeniu wpływają szkodliwie na nasz centralny układ nerwowy i zakłócają działanie narządów wewnętrznych.[1] Metale ciężkie mogą zostać wprowadzone do naszego organizmu miedzy innymi ze środowiska w którym występują, na drodze pokarmowej lub drogami oddechowymi.[2] Szczególnie w obszarach zurbanizowanych i przemysłowych jesteśmy narażeni na znaczące skażenie powietrza pierwiastkami toksycznymi takimi jak: Cd, Co, Cu, Fe, Hg, Mn, Zn, Al.[3] Na te skażenia narażone są również środowiska wodne, szczególnie poprzez przedostawanie się do nich ścieków komunalnych. Często występującymi jonami są wtedy: Al., Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn.[4] Do monitorowania bioakumulacji toksycznych pierwiastków w organizmie człowieka stosuje się metody pomiaru ich na matrycach jakimi są włosy, paznokcie, krew czy mocz.[5]

2. Materiały i metody

Matrycą do badań narażenia człowieka na pierwiastki toksyczne były włosy. Od uczestników badania pobierano próbki o wadze ok. 0,5 g, z okolicy potylicy, za pomocą nożyczek ze stali nierdzewnej. Włosy pobierane do badań, były uprzednio umyte szamponem Johnson’s Baby i wysuszone. Spośród badanych pierwiastków w szamponie znajduje się jedynie sód.

Próbki badano za pomocą analizy wielopierwiastkowej metodą emisyjnej spektrometrii plazmowej (ICP-OES). Włosy zostały poddane mineralizacji biomasy za pomocą rozkładu mikrofalowego w aparacie tylu Milestone Start D, przy użyciu 5,0cm³ 69% stężonego kwasu azotowego spektralnej czystości. Parametry procesu zostały dobrane tak, aby umożliwiły całkowitą mineralizację tkanki włosów. Piec mikrofalowy zawiera układ teflonowych naczyń ciśnieniowych, wykonanych z materiału polimerowego PFA. Materiał ten oporny jest na działanie stężonych odczynników chemicznych oraz minimalizuje adsorpcję zanieczyszczeń na ściankach naczynia. Po wykonanym procesie, próbki uzupełnia się wodą podwójnie demineralizowaną do masy 50g w systemie Millipore Simplicity.

3. Wyniki i ich omówienie

			Zakres referencyjny
Pierwiastki	średnia [mg/kg]	odchylenie standardowe [mg/kg]	Pertencyl 10,0 [mg/kg]	Pertencyl 90,0 [mg/kg]
Hg	0,18	0,139	0,06	0,36
Ag	0,78	1,476	0,05	1,51
Al	10,93	9,950	4,01	20,51
As	4,70	8,012	0,65	10,91
B	7,95	11,370	0,00	20,82
Ba	3,69	11,925	0,61	6,27
Bi	0,81	1,244	0,00	2,29
Ca	2521,41	1883,003	670,48	5182,21
Cd	0,23	0,213	0,06	0,47
Co	0,90	0,600	0,17	1,46
Cr	0,91	0,747	0,29	1,43
Cu	22,32	30,551	8,36	37,34
Fe	17,42	9,903	7,09	26,84
K	66,21	94,683	21,07	125,56
Mg	113,13	96,166	37,70	223,61
Mn	0,72	0,804	0,16	1,30
Na	468,03	540,724	83,85	960,74
Ni	2,01	2,111	0,49	3,93
P	173,80	95,461	102,89	276,61
Pb	4,68	6,307	0,80	7,51
S	43132,02	4565,395	38628,00	48519,00
Sb	1,43	1,922	0,00	4,05
Sc	1,38	1,217	0,12	3,19
Se	6,56	12,412	0,00	12,04
Si	81,38	85,869	21,54	172,20
Sr	5,66	6,057	1,16	11,91
Ti	1,97	2,794	0,17	4,55
V	0,67	1,151	0,00	1,66
Zn	246,47	167,962	139,81	393,80
Zr	1,93	5,088	0,00	5,29

Tabela 1.

Średnie wartości, odchylenia standardowe i zakresy referencyjne, zawartości pierwiastków we włosach, dla których nie zaobserwowano znaczącej statystycznie różnicy ze względu na płeć, na podstawie badań z zastosowaniem emisyjnej spektrometrii masowej, na 265-osobowej grupie ludzi, w wieku 18-77 lat.

Pierwiastki	Kobiety				Mężczyźni
	średnia [mg/kg]	odchylenie standardowe [mg/kg]	zakres referencyjny		średnia [mg/kg]	odchylenie standardowe [mg/kg]	zakres referencyjny
			percentyl 10,0 [mg/kg]	percentyl 90,0 [mg/kg]			percentyl 10,0 [mg/kg]	pertencyl 90,0 [mg/kg]
Ca	3125,43	1950,069	1030	600	1285,59	870,458	522	2510
Cu	26,50	36,084	8,71	45,8	13,76	8,671	8,22	20,8
K	53,94	46,716	19,9	92,7	91,30	148,595	23	179
Mg	138,68	102,040	48,9	258	60,84	53,306	33,3	104
Mn	0,84	0,902	0,21	1,6	0,48	0,474	0,13	0,83
Pb	4,14	2,905	-	6,99	5,78	10,145	1,08	8,07
Sc	1,83	1,240	0,33	3,6	0,48	0,380	0,01	0,92
Si	96,31	88,958	26,3	204	50,82	70,294	14,1	78,6
Sr	7,05	6,499	2,02	12,7	2,82	3,678	0,747	5,76
Ti	2,30	2,866	0,219	5,33	1,31	2,532	0,103	2,7
Zn	267,30	191,950	481	481	203,85	89,641	139	296

Tabela 2.

Średnie wartości, odchylenia standardowe i zakresy referencyjne, zawartości pierwiastków we włosach, dla których zaobserwowano znaczące statystycznie różnice ze względu na płeć, na podstawie badań z zastosowaniem emisyjnej spektrometrii masowej, na 265-osobowej grupie ludzi, w wieku 18-77 lat.

Niedowaga	HSD (nierówne N); zmn.: Hg (ankiety 2009-10)
	Zaznaczone różnice są istotne z p <0,05
	{1} M=0,15111	{2} M=0,018588	{3} M= 0,17403
W przeszłości {1}		0,546403	0,880056
Brak {2}	0,546403		0,966407
Obecnie {3}	0,880056	0,966407

Tabela 3.

Zawartości Hg we włosach ze względu na występowanie niedowagi na podstawie badań z zastosowaniem emisyjnej spektrometrii masowej, na 265-osobowej grupie ludzi, w wieku 18-77 lat.

Wykres 1.

Zawartości Hg we włosach ze względu na występowanie niedowagi na podstawie badań z zastosowaniem emisyjnej spektrometrii masowej, na 265-osobowej grupie ludzi, w wieku 18-77 lat.

Niedowaga	HSD (nierówne N); zmn.: Fe (ankiety 2009-10)
	Zaznaczone różnice są istotne z p <0,05
	{1} M=16,186	{2} M=17,533	{3} M= 19,229
W przeszłości {1}		0,836780	0,643245
Brak {2}	0,836780		0,871788
Obecnie {3}	0,643245	0,871788

Tabela 4.

Zawartości Fe we włosach ze względu na występowanie niedowagi na podstawie badań z zastosowaniem emisyjnej spektrometrii masowej, na 265-osobowej grupie ludzi, w wieku 18-77 lat.

Wykres 2.

Zawartości Fe we włosach ze względu na występowanie niedowagi na podstawie badań z zastosowaniem emisyjnej spektrometrii masowej, na 265-osobowej grupie ludzi, w wieku 18-77 lat.

Niedowaga	HSD (nierówne N); zmn.: Ca (ankiety 2009-10)
	Zaznaczone różnice są istotne z p <0,05
	{1} M=2433,6	{2} M=2525,1	{3} M= 2723,8
W przeszłości {1}		0,977695	0,895625
Brak {2}	0,977695		0,949621
Obecnie {3}	0,895625	0,949621

Tabela 5.

Zawartości Ca we włosach ze względu na występowanie niedowagi na podstawie badań z zastosowaniem emisyjnej spektrometrii masowej, na 265-osobowej grupie ludzi, w wieku 18-77 lat.

Wykres 3.

Zawartości Ca we włosach ze względu na występowanie niedowagi na podstawie badań z zastosowaniem emisyjnej spektrometrii masowej, na 265-osobowej grupie ludzi, w wieku 18-77 lat.

Spośród pierwiastków toksycznych, których zawartość w organizmie nie jest zależna od płci (tabela 1.), największe stężenie ma glin – średnio 10,93 mg/kg. Powyżej 50% większe stężenie u kobiet wykazują pierwiastki: Cu, Mg, Sr (tabela 2.). Pierwiastkiem toksycznym dla organizmu, występującym w większej ilości u mężczyzn jest ołów – 5,78 mg/kg (tabela 2.). Badania stężenia rtęci we włosach pokazują, iż nie ma statystycznie znaczącej różnicy zawartości tego pierwiastka u osób, u których występowała oraz nie występowała niedowaga (tabela 3.). Statystycznie znacząca różnica stężenia, przy kryterium jakim jest niedowaga, nie występuje również w pierwiastkach nietoksycznych jakim są m.in. wapń i żelazo (tabela 3.)

4. Wnioski

Biomonitoring stężenia składników mineralnych w organizmie człowieka, jest powszechnie stosowaną i skuteczną metodą do wykazania narażenia człowieka na toksyczne pierwiastki. Aby szczegółowo poprowadzić badania prowadzi się je na zróżnicowanej populacji ludzi, o m.in. różnym wieku, płci, stylu życia, miejscu zamieszkania czy nawyków żywieniowych. Wśród wielu matryc, na których prowadzone mogą być badania stężenia składników, włosy posiadają najwięcej zalet: są to matryce nieinwazyjne, łatwe do przechowywania, transportu i obróbki, wykazano też, że poziom niektórych składników we włosach w porównaniu do innych matryc jest najwyższy. [6,7]

Literatura

[1] Malik N. R., Zeb N., Assessment of environmental contamination using feathers of Bubulcus ibis L., as a biomonitor of heavy metal pollution, Pakistan, Ecotoxicology, 2009, 18, 522-536

[2] Islam E., Yang X., He Z., Mahmood Q., Assessing potential dietary toxicity of heavy metals in selected vegetables and food crops, Journal of Zhejiang University-SCIENCE B (Biomedicine & Biotechnology), 2007, 8, 1-13

[3] Kalbande D.M., Dhadse S.N., Chaudhari P.R., Wate S.R., Biomonitoring of heavy metals by pollen in urban environment, Environmental Monitoring and Assessment, 2008, 138, 233-238

[4] Samecka-Cymerman A., Kempers J, Biomonitoring ofwater pollution with Elodea Canadensis a case study of three small polish rivers with different levels of pollution, Water, Air, and Soil Pollution, 2003, 145, 139-153

[5] Kim M., Kim K., Biomonitoring of Lead and Cadmium in the Hair and Fingernails of Elderly Korean Subjects, Biological Trace Element Research, 2011, 143, 794–802

[6] Zhu Q., Chen J., Zheng M., Chen L., Liu J., Tian J., Huang W., Yang X., Mineral Elements in the Hair of Amblyopic Children, Biological Trace Element Research, 2011, 141, 119-125

[7] Gil F., Hemandez F.A., Marquez C., Femia P., Olmedo P., Lopez-Guamido O., Pla A., Biomonitorization of cadmium, chromium, manganese, nickel and lead in whole blood, urine, axillary hair and saliva in an occupationally exposed population, Science of the Total Environment, 2011, 409, 1172-1180