Zusammenfassung Ziel der Studie: Biomonitoring-Untersuchungen sollen zeigen, ob der Volumenbezug oder die Kreatininkorrektur der Ausscheidung von Quecksilber in Spontanurinproben die tatsächliche stoffliche Belastung besser beschreibt. Arbeitshypothese: Wegen der langsamen Biokinetik von Quecksilber können bei gleichbleibender äußerer Exposition kurzfristig keine großen Schwankungen der inneren Exposition auftreten. Zur Kontrolle der Belastung am Arbeitsplatz sollte daher für die Quecksilberkonzentration in Spontanurinproben die Bezugsgröße herangezogen werden, die die Variabilität der Ergebnisse durch äußere Einflüsse wie z.B. unterschiedliche Flüssigkeitszufuhr minimiert. Methoden: 4 langjährige Mitarbeiter aus einem Betrieb der Chloralkali-Elektrolyse nach dem Amalgamverfahren gaben über 6 Wochen Spontanurinproben ab, in denen Quecksilber und Kreatinin bestimmt wurde. Mit Hilfe von graphischen und statistischen Auswertungen wird die Streuung der individuellen Quecksilber-Ausscheidungen sowie die Abhängigkeit der Quecksilber- von den Kreatininwerten untersucht. Ergebnisse: Die Streuung der volumenbezogenen individuellen Quecksilberwerte wird durch die Kreatininkorrektur deutlich verringert. Mehr als 60 % der Variabilität der volumenbezogenen Quecksilberwerte wird durch die Kreatininwerte bestimmt. Dagegen besteht kein Zusammenhang zwischen der Kreatinin- und der kreatininkorrigierten Quecksilber-Ausscheidung. Schlussfolgerung: Die Quecksilber-Ausscheidung in Spontanurinproben wird erst durch die Kreatininkorrektur zu einem Biomarker, der die tatsächliche stoffliche Belastung verlässlich beschreibt. Aus- und Bewertung der Quecksilber-Ausscheidung im Urin sollten ebenso wie die diesbezüglichen biologischen Grenzwerte auf den Kreatiningehalt bezogen werden. Schlüsselwörter: Biomonitoring, Quecksilber im Urin, Kreatininkorrektur Summary Aim of the study: To determine whether quantification of internal mercury dose via spot urine samples is more reliably characterized by expressing mercury excretion relative to urine volume or creatinine concentration. Hypothesis: Due to the long biological half-life of mercury, variability in internal body burden, and consequently in urinary excretion rates, is expected to be minimal over short time intervals. A measure that significantly reduces extraneous variability (e.g., variability due to differential rates of liquid intake prior to urine collection) would be a preferable choice for monitoring the control of workplace exposures to mercury. Methods: Mercury and creatinine values were determined in spot urine samples collected over a 6-week period in 4 long-term employees assigned to a chloralkali production facility using the amalgam process. Graphical and statistical regression analyses were performed to assess the scatter of individual mercury concentrations and the interrelationship between mercury and creatinine concentrations. Results: The scatter of creatinine-corrected mercury concentrations in samples from the same individual was substantially reduced compared to that of volume corrected samples. Based on regression analysis, more than 60 % of the variability in mercury concentrations per unit volume of urine was explainable by urinary creatinine concentration. Conclusion: Our results demonstrate that more precise monitoring of occupational exposure to mercury can be achieved utilizing creatinine adjustment and suggest that control limits should similarly be based on creatinine adjustment. Key words: Biomonitoring, urinary mercury, correction for creatinine
Einführung
Quecksilber gehört zu den sieben bereits im Altertum bekannten Metallen2 und besitzt noch heute technische Bedeutung für verschiedenartigste Anwendungen3. Lange bekannt ist aber auch seine gesundheitsschädliche Wirkung4. So stellt Ramazzini5 bereits 1700 fest, dass wir alle wissen, welche furchtbaren Krankheiten sich Goldschmiede durch Quecksilber zuziehen. Er beschreibt die gesundheitlichen Auswirkungen insbesondere des Einatmens der Quecksilberdämpfe, die wir heute als chronische Intoxikation bezeichnen würden, die damals aber die Folgen der normalen Tätigkeit von Feuervergoldern waren. Aus seinen Beobachtungen zieht Ramazzini bereits vor mehr als 300 Jahren die Erkenntnis, dass eine Expositionsminderung eine Verringerung der gesundheitlichen Beeinträchtigungen bewirkt.
Heute ist es unser Ziel, die Arbeitsplätze so zu gestalten, dass die berufliche Tätigkeit keine negativen Auswirkungen auf die Gesundheit hat. Dazu ist es nicht notwendig, eine Exposition gegenüber allen chemischen Substanzen völlig auszuschließen, sondern so zu begrenzen, dass gesundheitsschädliche Wirkungen nicht eintreten. Für viele Substanzen gibt es umfangreiche medizinische und toxikologische Erkenntnisse über die Höhe der Stoffbelastung, die im oben genannten Sinne unbedenklich ist und auf deren Basis entsprechende Grenzwerte6,7,8 evaluiert wurden.
Problemstellung
Bei einer Exposition gegenüber Quecksilber und seinen anorganischen Verbindungen hat sich seit Jahrzehnten die Bestimmung von Quecksilber im Urin zur Objektivierung der gesundheitsrelevanten Belastung bewährt. Die Gründe hierfür liegen insbesondere in der Erfassung der Akkumulation im Körper und der weitgehenden Spezifität für eine berufliche Belastung, aber auch in der einfachen und nicht-invasiven Probennahme. Bereits im Jahr 1980 wurde von der Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe ein valides Analysenverfahren publiziert9 und 1982 ein zugehöriger Biologischer Arbeitsstoff-Toleranzwert (BAT) von 200 µg Hg / L Urin evaluiert10, der definitionsgemäß vor Gesundheitsschäden im Berufsleben schützen soll6. Aufgrund neuer Erkenntnisse erfolgte 1998 eine Reevaluierung und Absenkung des BAT auf 100 µg/L Urin, 2005 auf 30 µg/L Urin10. Der in der TRGS 903 von 2006 publizierte Biologische Grenzwert (BGW) wurde der jüngsten Absenkung des BAT (noch) nicht angepasst und liegt bei 100 µg/L Urin8. Diese arbeitsmedizinischen Grenzwerte werden durch die Human-Biomonitoring-Werte (HBM-Werte)11 für den umweltmedizinischen Bereich ergänzt. Bei Belastungen über dem HBM-II-Wert von 20 µg/g Kreatinin kann eine gesundheitliche Beeinträchtigung nicht ausgeschlossen werden, so dass Handlungsbedarf im Sinne einer Expositionsminderung und einer umweltmedizinischen Betreuung besteht11.
An dieser Stelle soll weniger auf die geringen Unterschiede in den Beträgen als auf die in den Einheiten der beiden Grenzwerte hingewiesen werden. Während der erstgenannte Volumenbezug aufweist, wird der zweite kreatininkorrigiert angegeben. Bei dem früheren BAT und noch gültigen BGW von 100 µg/L Urin war Volumen- oder Kreatininbezug angesichts der Expositionsverhältnisse in den Betrieben zur Chloralkali-Elektrolyse nach dem Amalgamverfahren der BASF Aktiengesellschaft in Ludwigshafen nur von untergeordneter Bedeutung, weil die tatsächlichen Belastungen deutlich niedriger sind. Bei der jetzt vorgenommenen Reevaluierung kann das aber entscheidend sein, weil einzelne Spitzenwerte in der Größenordnung des neuen BAT liegen. Die Problematik soll an zwei fiktiven, aber realitätsbezogenen Urinproben mit Kreatininwerten von 0,8 und 1,6 g/L und Quecksilberwerten von 24 und 32 µg/L verdeutlicht werden. In der ersten Probe ist der neue BAT von 30 µg/L Urin eingehalten, in der zweiten leicht überschritten. Kreatininkorrigiert betragen die Quecksilberwerte 30 bzw. 20 µg/g Kreatinin. Wenn man wie im Addendum zur BAT-Begründung von Quecksilber einen mittleren Kreatiningehalt im Humanurin von 1,2 g/L unterstellt10, entspräche der neue BAT einer Quecksilber-Ausscheidung von 25 µg/g Kreatinin. Dieser Wert ist in der ersten Probe überschritten, in der zweiten aber eingehalten. Was ist nun richtig oder präziser ausgedrückt welche Bezugsgröße der Quecksilber-Ausscheidung im Urin gibt die stoffliche Belastung realitätsnäher wieder?
Ein wissenschaftlich in keiner Weise anzugreifender Ausweg bei der Frage der Bezugsgröße ist das Sammeln von 24h-Urin, weil so aus Urinvolumen und Konzentration des Biomarkers die tatsächlich über einen Tag hinweg ausgeschiedene Stoffmenge zweifelsfrei ermittelt werden kann. Dieses Vorgehen lässt sich jedoch nur in experimentellen Studien, nicht aber in der beruflichen Routine verwirklichen. Neben logistischen und hygienischen Problemen mit großen Sammelgefäßen ist es nahezu ausgeschlossen, hier wirklich die gesamte Urinmenge vollständig zu erfassen, weil zumindest einzelne Proben mit großer Wahrscheinlichkeit vergessen werden. Es bleibt also nur der Ausweg, das Biomonitoring mit Spontanurinproben durchzuführen und die Frage nach der richtigen Bezugsgröße für uringängige Biomarker zu lösen, was durch Kenntnis des renalen Ausscheidungsprozesses des jeweiligen Stoffes möglich ist12,13. Für Substanzen, die wie das Kreatinin in der Niere überwiegend glomerulär filtriert und nicht oder kaum tubulär rückresorbiert werden, ist die Kreatininkorrektur ein probates Mittel, um schwankende Urinvolumina auszugleichen. Die durch den Kreatininwert dividierte volumenbezogene Konzentration der jeweiligen Substanz im Urin stellt eine gute Maßzahl für die tatsächlich ausgeschiedene Menge und damit für die stoffliche Belastung dar. Der Volumenbezug würde hier bei hohen Kreatininwerten eine zu hohe, bei niedrigen eine zu niedrige Belastung vortäuschen. Bei Stoffen, die in einem hohen Maße tubulär rückresorbiert werden, ist dagegen das Urinvolumen die Bezugsgröße der Wahl. Die Kreatininkorrektur würde hier zu einer Verfälschung in dem Sinne führen, dass bei hohen Kreatininwerten die tatsächliche Belastung zahlenmäßig erniedrigt und bei niedrigen erhöht wird. Wie die Kommission Human-Biomonitoring ausführt, liegt das tatsächliche Ausmaß der tubulären Rückresorption für die verschiedenen Substanzen irgendwo zwischen kaum und hoch, so dass die Korrektur nicht durch den Kreatiningehalt selbst, sondern durch eine entsprechend zu wählende Potenz des Kreatiningehaltes vorzunehmen wäre, wobei die Hochzahl eine positive Zahl kleiner als 1 ist13. Diese von der Theorie her bestechende Vorgehensweise hat jedoch keinen Eingang in die Praxis gefunden. Die Empfehlungen lauten daher üblicherweise, für uringängige Biomarker im Befund neben dem volumenbezogenen Analysenwert immer auch den für Kreatinin anzugeben und nur solche Proben auszuwerten, deren Kreatininkonzentrationen im Bereich von 0,52,5 g/L liegen12,13. Während die Kommission Human-Biomonitoring hinsichtlich der Bezugsgröße für jeden Biomarker eine Einzelentscheidung befürwortet13, bevorzugt die Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe allgemein den Volumenbezug und empfiehlt die Kreatininkorrektur nur für bestimmte Substanzen in besonders begründeten Fällen12.
Ziele der Studie und Arbeitshypothese
Da es über den Ausscheidungsprozess von Quecksilber in der Niere keine ausreichenden Erkenntnisse gibt, die als eindeutige Entscheidungsgrundlage zur Frage Volumen- oder Kreatininbezug für den Biomarker Quecksilber im Urin dienen können, soll versucht werden, aus den Biomonitoring-Daten von beruflich exponierten Beschäftigten die entsprechenden Rückschlüsse zu ziehen. Dies erscheint möglich, weil wegen der langsamen Biokinetik von Quecksilber (Halbwertszeit im Urin ~40 Tage10) insbesondere bei gleichbleibender äußerer Exposition kurzfristig keine großen Schwankungen der inneren Exposition auftreten können. Der Bezugsgröße, aus der bei zeitlich engmaschiger Probennahme geringere Unterschiede der individuellen Quecksilberwerte resultieren und die zu einer geringeren Abhängigkeit im Idealfall zu einer Unabhängigkeit der Quecksilber- von den Kreatininwerten führt, ist für die Praxis und die Evaluierung von Grenzwerten der Vorzug zu geben.
Methoden
Vier langjährige Wechselschicht-Mitarbeiter (12 h Tagschicht, 24 h frei, 12 h Nachtschicht, 48 h frei) in einem Betrieb der Chloralkali-Elektrolyse nach dem Amalgamverfahren, die an vergleichsweise expositionsträchtigen Arbeitsplätzen beschäftigt sind, gaben über 6 Wochen nach Möglichkeit in jeder Schicht, teilweise zweimal pro Schicht (Schichtanfang und -ende) Spontanurinproben zur Bestimmung von Quecksilber und Kreatinin ab. Alle Proben werden unabhängig von ihrem Kreatiningehalt ausgewertet.
Der quantitative Nachweis von Quecksilber erfolgte nach der von der Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe empfohlenen Methode per Atomabsorptionsspektrometrie (Kaltdampftechnik)14, der von Kreatinin mit einem enzymatisch-photometrischen Testsystem (enzymatische Umsetzung zu Kreatin, Sarkosin und Glycin, photometrische Bestimmung des dabei entstehenden Wasserstoffperoxids nach dessen Umsetzung zu einem Chinoniminfarbstoff)15. Im Zeitraum der hier vorgestellten Untersuchungen hatten wir für beide Parameter durchweg gültige Zertifikate über die erfolgreiche Teilnahme an den Ringversuchen für toxikologische Analysen in biologischem Material, organisiert im Auftrag der Deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e.V. von Institut und Poliklinik für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin der Universität Erlangen-Nürnberg.
Ergebnisse und Diskussion
Zur Feststellung der relevanten Bezugsgröße für den Biomarker Quecksilber im Urin haben die vier ausgesuchten Mitarbeitern insgesamt 47 Urinproben abgegeben, die alle zur Auswertung herangezogen werden. Die Kreatininwerte sind durchweg größer als 0,5 g/L, drei größer als 2,5 g/L. Die Quecksilber-Ausscheidungen liegen im Bereich von 642 µg/L bzw. 622 µg/g Kreatinin. Drei Proben überschreiten den neuen BAT von 30 µg/L Urin. Beschreibung und Auswertungen der Analysenergebnisse hinsichtlich der Frage nach der aussagekräftigeren Bezugsgröße finden sich in Tabelle 1.
Die Standardabweichungen der volumenbezogenen Quecksilber-Ausscheidungen der einzelnen Personen liegen im Bereich von 3448 % der individuellen Mittelwerte, die der kreatininkorrigierten sind mit 1927 % deutlich geringer. Ein ähnliches Bild ergibt sich beim Vergleich der Unterschiede von jeweils zwei zeitlich unmittelbar aufeinander folgenden Proben. Diese Differenzen betragen bei Betrachtung der volumenbezogenen Ergebnisse 3752 % vom jeweiligen individuellen Mittelwert, die kreatininkorrigierten dagegen nur 1727 %. Die Streuung der volumenbezogenen Analysenwerte wird durch die Kreatininkorrektur also deutlich verringert.
Abbildung 1 zeigt die zeitlichen Verläufe der Quecksilber- und Kreatinin-Ausscheidungen von zwei der vier Mitarbeiter und veranschaulicht dieses Ergebnis. Bei beiden Personen verläuft die Kurve der kreatininkorrigierten Quecksilberwerte augenscheinlich sehr viel ebenmäßiger als die der volumenbezogenen. So weist ein Mitarbeiter ein ausgeprägtes Maximum bei seinen volumenbezogenen Werten auf, beinahe doppelt so hoch wie der zweithöchste Wert. In der kreatininkorrigierten Kurve tritt dieses Maximum dagegen überhaupt nicht zutage. Der zweite Mitarbeiter, der mehrfach Proben vor und nach Schicht abgegeben hat, weist gerade bei diesen Probenpaaren erhebliche Differenzen in den volumenbezogenen Werten auf, wobei die Proben zu Schichtende nicht durchweg die höheren Konzentrationen haben. Die Kreatininkorrektur gleicht diese Differenzen weitgehend aus. So ist der volumenbezogene Wert am Morgen des 28. Tages etwa dreimal so hoch wie der am Abend, während sich die kreatininkorrigierten kaum unterscheiden. Insgesamt fällt auf, dass die Kurven der volumenbezogenen Quecksilber-Ausscheidungen in ihrem Verlauf denen von Kreatinin sehr ähneln, während die der kreatininkorrigierten Quecksilberwerte unabhängig davon sind.
Der letztgenannte augenscheinliche Befund wird durch eine lineare Regressionsanalyse aller 47 Proben mathematisch bestätigt, ein Ergebnis, das mit der Einschränkung versehen werden muss, dass diese Daten von nur 4 Personen stammen und damit nicht voneinander unabhängig sind (siehe Formel).
Volumenbezogene Quecksilberwerte zeigen demnach eine direkte Abhängigkeit von Kreatinin im Urin, die durch die Kreatininkorrektur vollkommen aufgehoben wird. Aus der Steigung Null der zugehörigen Regressionsgeraden ist ersichtlich, dass keine Überkorrektur erfolgt. Aus der graphischen Darstellung der obigen Gleichungen in Abbildung 2 ist ersichtlich, dass dies selbst für die drei Proben mit Kreatininwerten über 2,5 g/L gilt. Sie liegen auch nach der Korrektur oberhalb der Regressionsgeraden.
Eine Varianzanalyse bestätigt das Ergebnis der Regressionsanalyse: Bei Annahme einer gleichbleibenden äußeren Exposition ist Kreatinin im Urin mit p < 0,0001 ein hochsignifikanter und der einzige Prädiktor des volumenbezogenen Werts der Quecksilber-Ausscheidung und bestimmt 60 % dessen gesamter Variabilität. Dagegen besteht kein Zusammenhang zwischen der Kreatinin- und der kreatininkorrigierten Quecksilber-Ausscheidung. Die zeitlich engmaschigen Biomonitoring-Untersuchungen der vier Beschäftigten beweisen also zweifelsfrei, dass die Konzentration von Quecksilber in Spontanurinproben erst nach Kreatininkorrektur die tatsächliche innere Belastung zuverlässig beschreibt. Der reevaluierte BAT für Quecksilber von 30 µg/L Urin sollte deshalb durch den im Addendum zur BAT-Begründung angenommenen mittleren Kreatiningehalt von 1,2 g/L dividiert werden, woraus ein neuer Grenzwert von 25 µg/g Kreatinin resultieren würde. Schlussfolgerungen
Wegen der langsamen Biokinetik von Quecksilber im menschlichen Körper konnte alleine durch ein zeitlich engmaschiges Biomonitoring von beruflich Exponierten auch ohne Untersuchungen des genauen Ausscheidungsmechanismus in der Niere nachgewiesen werden, dass die Quecksilber-Ausscheidung im Urin nach Kreatininkorrektur die tatsächliche stoffliche Belastung wesentlich besser beschreibt als bei reinem Volumenbezug. Aus- und Bewertung der Quecksilber-Ausscheidung im Urin sollten ebenso wie die diesbezüglichen biologischen Grenzwerte auf den Kreatiningehalt bezogen werden, weil so ein verlässliches Bild der individuellen Belastung gewonnen wird.
· Literatur
Will W, Pallapies D, Ott MG. Biomonitoring bei Quecksilber-Exposition Volumenbezug oder Kreatininkorrektur bei Urinwerten? Arbeitsmed Sozialmed Umweltwed 2007; 42: 144. http://www-dgaum.med.uni-rostock.de/ASU/ Abstracts07/ASU_200703_Anz.pdf
Kommission Human-Biomonitoring des Umweltbundesamtes. Stoffmonographie QuecksilberReferenz- und Human-Biomonitoring-(HBM)-Werte, Bundesgesundhbl Gesundheitsforsch Gesundheitsschutz 1999; 42: 522532. http://www.umweltdaten.de/daten/ monitor/hgmono.pdf
Römpp Online. Version 2.12. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2006
Schiele R. BK 1102: Erkrankungen durch Quecksilber und seine Verbindungen. In: Triebig G, Kentner M, Schiele R (Hrsg.). Arbeitsmedizin Handbuch für Theorie und Praxis 171176. Gentner Verlag, Stuttgart 2003
Ramazzini B. Die Krankheiten der Handwerker. Aus dem Lat. übers. von Goldmann P. Verlag Königshausen und Neumann, Würzburg 1998
Deutsche Forschungsgemeinschaft (Hrsg.). MAK- und BAT-Werte-Liste. Wiley-VCH, Weinheim 2006
Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS). TRGS 900: Arbeitsplatzgrenzwerte. 2006. http://www.baua.de/nn_16806/de/Themen-von-A-Z/Gefahrstoffe/TRGS/pdf/TRGS-900.pdf
Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS). TRGS 903: Biologische Grenzwerte. 2006. http://www.baua.de/nn_16810/de/Themen-von-A-Z/Gefahrstoffe/TRGS/pdf/TRGS-903.pdf
Schaller KH. Quecksilber Bestimmung im Harn mit Atomabsorptionsspektrometrie. In: Greim H (Hrsg.). Deutsche Forschungsgemeinschaft Analytische Methoden zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe Analysen in biologischem Material. 4. Lieferung. Wiley-VCH, Weinheim 1980
Deutsche Forschungsgemeinschaft. Quecksilber und seine anorganischen Verbindungen. In: Drexler H, Greim H (Hrsg.). Biologische Arbeitsstoff-Toleranz-Werte (BAT-Werte), Expositionsäquivalente für krebserzeugende Arbeitsstoffe (EKA) und Biologische Leitwerte (BLW) Arbeitsmedizinisch-toxikologische Begründungen. 13. Lieferung. Wiley-VCH, Weinheim 2006
Kommission Human-Biomonitoring des Umweltbundesamtes. Referenz- und Human-Biomonitoring-(HBM)-Werte, Umweltmed. Informationsdienst 2000; 912. http://www.umweltdaten.de/daten/monitor/umid12000.pdf
Deutsche Forschungsgemeinschaft. Kreatinin als Bezugsgröße für Stoffkonzentrationen im Harn. In: Drexler H, Greim H (Hrsg.). Biologische Arbeitsstoff-Toleranz-Werte (BAT-Werte), Expositionsäquivalente für krebserzeugende Arbeitsstoffe (EKA) und Biologische Leitwerte (BLW) Arbeitsmedizinisch-toxikologische Begründungen. 9. Lieferung. Wiley-VCH, Weinheim 2000
Kommission Human-Biomonitoring des Umweltbundesamtes. Normierung von Stoffgehalten im Urin Kreatinin, Bundesgesundhbl Gesundheitsforsch Gesundheitsschutz 2005; 48: 616618. http://www.umweltdaten.de/daten/monitor/Urin-Kreatinin.pdf
Schaller KH. Quecksilber Bestimmung im Harn mit Atomabsorptionsspektrometrie Kaltdampftechnik. In: Greim H (Hrsg.). Deutsche Forschungsgemeinschaft Analytische Methoden zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe Analysen in biologischem Material. 8. Lieferung. Wiley-VCH, Weinheim 1986
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