Ingrid Dörr
Dr.sc.hum.
Untersuchungen zur Genotoxizität partikelgebundener organischer
Luftschadstoffe
Promotionsfach: Hygiene
Doktorvater: Herr Prof. Dr.med. Dr.h.c. H.-G. Sonntag
Die Luft enthält vielfältige Verunreinigungen in gasförmigem und festem Zustand. Feste
Verunreinigungen sind Partikel, die, sofern sie eingeatmet werden können, als
Reizkörper wirken. Sie können aber auch als Trägermaterial für chemische
Verbindungen dienen, die auf ihrer Oberfläche adsorbiert sind. Organische
partikelgebundene Schadstoffe stellen ein komplexes Stoffgemisch dar, dessen
Zusammensetzung nach Ort und Zeit variiert. Sie werden teilweise direkt emittiert oder
entstehen in komplexen Transformationsprozessen in der Atmosphäre.
Die den Luftuntersuchungen vorausgehende statistische Bewertung des Ames-Tests
erbrachte folgende Resultate:
Die Kontrollen über einen Zeitraum von vier Jahren zeigte eine hohe Zuverlässigkeit der
Untersuchungsergebnisse. Statistische Abweichungen von Einzelwerten an
verschiedenen Untersuchungstagen konnten in der Regel über äußere, nicht
vermeidbare Einflüsse wie dem Einsatz neuer Materialien erklärt werden. Die
Spontanreversionsraten der untersuchten Teststämme lagen mit ihren Mittelwerten im
Bereich empfohlener Revertantenzahlen. Sechs von acht Kontrollen zeigten
normalverteilte Werte. Über statistische Vergleiche der einzelnen Kontrollen konnten die
Einflüsse auf die Revertantenzahlen durch die Versuchsbedingungen, teilweise sogar
sich überlagernde, festgestellt werden.
In mehreren Untersuchungen an einem Standardstaub wurde für die einzelnen
Versuchsdurchführungen sowie für die Zahlen aus allen Versuchstagen lineare Dosis-
Wirkungs-Beziehungen ermittelt. Die Untersuchungsergebnisse zeigten somit
reproduzierbare Werte.
Die organischen Staubextrakte bewirkten in mehreren Testverfahren an verschiedenen
Bakterienkulturen genotoxische Schädigungen in unterschiedlicher Stärke. Die
Ergebnisse in den verschiedenen Testverfahren können wie folgt zusammengefaßt
werden:
Ames-Test
- Mit dem Nitroreduktase-Defizientenstamm TA98NR- wurden unterschiedlich hohe
Anteile an nitroreduktaseabhängigen Mutagenen, denen grundsätzlich Nitroaromaten
zugerechnet werden, nachgewiesen. Ihr Anteil an der gesamten Mutagenität lag bei 15
bis 54 % und stieg tendenziell mit zunehmender Lufttemperatur an.
- In den Teststämmen TA700X wurden die spezifischen Basenpaarsubstitutionen durch
mutagene Einzelverbindungen und Luftextrakte untersucht. Die Einzelstoffe zeigten in
den Teststämmen charakteristische Mutationsspektren, an denen sie sich
unterscheiden lassen. Die Spektren sind jedoch nicht geeignet, zwischen
verschiedenen Stoffklassen zu differenzieren. Dies liegt möglicherweise an der derzeit
noch recht schmalen Datenbasis.
Die Mutationsspektren der 12 untersuchten Luftextrakte unterschieden sich nur
geringfügig voneinander. Die mutagene Aktivität der Proben war verschieden hoch, die
Verteilung auf die sechs möglichen Basenpaarsubstitutionen war für sämtliche Proben
jedoch vergleichbar. Während zwei der sechs Teststämme durch keine der Proben
revertiert wurden, zeigte ein dritter Teststamm nahezu die Hälfte der gesamten
mutagenen Aktivität der Luftstäube.
- Die Untersuchungen von Luftproben mit unterschiedlich hoher Zeitauflösung im
Teststamm TA98 zeigten unterschiedliche Ergebnisse. Mit der gewählten
Untersuchungsanordnung konnten keine Transformationsprozesse zwischen
Schadstoffen in der Luft oder auf den Filtern nachgewiesen werden.
SOS-Chromotest
Im SOS-Chromotest induzierten sämtliche Luftproben Genexpressionen des SOS-
Reparatursystems. Obwohl grundsätzlich Nichtmutagene eine SOS-Reaktion induzieren
können, wird in der vorliegenden Untersuchung eine hohe Korrelation zwischen den
Ergebnissen im SOS-Chromotest und im Ames-Test erzielt. Da die Korrelation für zwei
Teststämme im Ames-Test gilt, kann von einem Zusammenhang zwischen den
mutationsauslösenden Stoffen und der Einleitung der SOS-Reparatur ausgegangen
werden.
Mutatox-Test
Zur Detektion mutagener Stoffe wurde der Mutatox-Test als Alternative zum Ames-Test
für unser Projekt überprüft. Das Testsystem ist im Hinblick auf Reaktionsverläufe,
Mutagenität und mutagene Potenz verschiedener Chemikalien noch nicht ausreichend
validiert. Da die Ergebnisse nicht direkt mit dem Ames-Test verglichen werden können,
wurde auf die Einführung verzichtet.
Zur Identifizierung der mutagenen Stoffe können die Ergebnisse betrachtet werden, die
auf aromatische Nitroverbindungen in Luftextrakten hinweisen. Im Teststamm TA98NR-
wurden durch sie frameshift-Mutationen ausgelöst, ihr Anteil an den einzelnen Proben
ist jedoch sehr unterschiedlich. Ihre grundsätzliche Bedeutung ist nach diesen
Ergebnissen unklar.
In den Teststämmen TA700X induzierten Luftproben Basenpaarsubstitutionen, die auch
bei vier untersuchten aromatischen Nitroverbindungen beobachtet wurden. Die
Ähnlichkeit der Mutationsspektren verweisen auf die Stoffklasse der aromatische
Nitroverbindungen als Auslöser der mutagenen Aktivität von Luftproben. Die Bedeutung
dieses Ergebnisses sollte durch systematische Untersuchungen in den Teststämmen
sowie mit anderen molekulartoxikologischen Untersuchungsmethoden geklärt werden,
um die analytische Identifizierung mutagener Luftschadstoffe zu unterstützen.
Für die Belastung durch Partikel ist vor allem ihre Größenverteilung von Bedeutung.
Partikel kleiner 10 µm sind grundsätzlich inhalierbar, wobei insbesondere die
Feinpartikel mit einem Durchmesser kleiner 2,5 µm bis in die Alveolen gelangen
können. Auf der Partikeloberfläche können zahlreiche Stoffe mit toxischem Potential
adsorbiert werden. Die Untersuchungen zur Partikelgröße führten zu folgenden
Ergebnissen:
- Mit unserem Probenahmesystem werden etwa 90 Prozent der Stäube kleiner 10 µm
Durchmesser erfaßt und untersucht. Im Ames-Test bewirkten Partikel kleiner 10 µm die
gesamte mutagene Aktivität der Staubextrakte.
- In der Außenluft erreichten Partikel kleiner 3 µm mehr als 90 Prozent der
Gesamtzahlen. Ihr Anteil an der Gesamtoberfläche betrug 60 Prozent, während sie nur
30 Prozent der Gesamtmasse stellten.
- Bei Windstille wurde eine exponentielle Abnahme der Anzahl mit zunehmender
Partikelgröße beobachtet. Anzahl und Größenverteilung in den Meßhöhen 0,8 bis 4 m
über dem Boden unterschieden sich nicht wesentlich. Bei Wind wurden in Bodennähe
größere Partikel aufgewirbelt, die Gesamtzahlen lagen allerdings erheblich niedriger
liegen als bei Windstille.
Die Bildung organischer partikelgebundener Mutagene vollzieht sich in komplexen
Reaktionen. Inversionen können diesen Prozeß beeinflussen, da sie zu einer
Anreicherung von Schadstoffen und damit der möglichen Reaktionspartner führen. Für
unseren Probenahmeort Mannheim wurden vertikale Temperaturgradienten berechnet
und auf mögliche Zusammenhänge mit mutagener Aktivität von Staubextrakten und
Schadstoffen überprüft. Es ergab sich folgendes Resultat:
Ohne Berücksichtigung der Jahreszeit konnte kein Zusammenhang zwischen
Temperaturgradienten und mutagener Aktivität von Luftproben nachgewiesen werden.
Winterproben waren bei Inversion stärker mutagen als bei normaler Wetterlage. Für
Sommerwochen, in denen Luftproben nur geringe mutagene Aktivität zeigten, konnte
kein Zusammenhang mit Temperaturgradienten beobachtet werden.
In weitergehenden Untersuchungen sollte der übergeordnete Einfluß austauscharmer
Wetterlagen, die zusätzliche Parameter umfassen, genauer betrachtet werden.
Entsprechende Ausbreitungsmodelle können hier zu weiteren Erkenntnisse führen.
