Оценка экспозиции к соединениям марганца и железа у сварщиков

28

ЗНиСО

ОКТЯБРЬ №10

УДК 613.63

ОЦЕНКА ЭКСПОЗИЦИИ К СОЕДИНЕНИЯМ МАРГАНЦА И ЖЕЛЕЗА У СВАРЩИКОВ

М.В. Чащин12, Д.Г. Эллингсен3, В.П. Чащин1, Я.С. Кабушка1, И. Томассен3, Б. Берлингер3, Р. Баст-Петтерсен3, З.С. Кусраева1, В.Н. Федоров1, П.М. Хлябова2, Т.А. Колесникова1 1ГБОУ ВПО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова», г. Санкт-Петербург 2Городской центр профпатологии СПб ГБУЗ «Городская Мариинская больница», г. Санкт-Петербург 3Национальный институт профессионального здоровья, Норвегия, г. Осло,

В обследовании приняли участие действующие сварщики, бывшие сварщики и группа контроля. Исследование включало анализ результатов индивидуальных проб воздуха, проб крови и мочи на содержание в них марганца и железа. В ходе исследования установлено, что в среднем 13,8 % (95 % ДИ 12,7—15,0) общей массы марганца в пробах способно растворится в искусственно созданном растворе, обладающим сходными характеристиками с бронхоаль-веолярной жидкостью человека. Удельный вес растворенной общей массы железа в таком растворе составил 1,4 % (95 % ДИ 1,2—1,6). Средние концентрации марганца в цельной крови, сыворотке и моче были статистически выше у сварщиков, чем у группы контроля и составляли 12,8 цг/л-1, 1,04 цг/л-1 и 0,36 цг на грамм-1 креатинина соответственно. Стаж работы сварщиков был статистически ассоциирован с концентрациями марганца в крови и сыворотке, но не в моче.

Ключевые слова: сварочный аэрозоль, марганец, железо, биологический мониторинг

M.V. Chashchin, D.G. Ellingsen, V.P. Chashchin, I.S. Cabushka,Y. Thomassen, B. Berlinger, R. Bast-Pettersen, Z.S. Kusraeva, V.N. Fedorov, P.M. Hliabova, T.A. Kolesnikova  EXPOSURE ASSESSMENT OF AIRBORNE MANGANESE AND IRON IN WELDERS  North-Western State Medical University named I.I. Mechnikov, St. Peresburg; City center of occupation diseases, St. Petesburg; National Institute of Occupational Health, Oslo, Norway.

Cross-sectional study of welders, referents and former welders was carried out. Blood and urine samples for determination of manganese (Mn), iron (Fe) concentrations and aerosol samples for measurements of personal air exposure to Mn and Fe were collected. The aerosol samples were assessed for their solubility using a simulated lung lining fluid. On average 13.8 % of the total Mn mass was soluble, while only 1.4 % of the total Fe mass was also soluble. The welders had statistically significantly higher mean concentrations of Mn in whole blood (12.8 mg L_1), serum (1.04 mg L_1) and urine (0.36 mg g_1 cr.) than the referents. The duration of employment as a welder in years was also associated with B-Mn and S-Mn, but not with U-Mn. Key words: welding fumes, manganese, iron, biomonitoring.

Знания о растворимости частиц вещества имеют первостепенное значение и могут, с одной стороны, дать объяснение несовпадения результатов биологического мониторинга с результатами определения концентраций химических веществ в воздухе рабочей зоны, а с другой, помочь в создании более точных биологических моделей, способствующих научному обоснованию безопасных уровней. Исследований на эту тему проводилось недостаточно. Известно, что в производстве марганца содержание этого элемента в моче у рабочих в значительной степени ассоциируется с концентрациями растворимых соединений его в респирабельной фракции пыли [1, 2]. Однако растворимость соединений марганца, загрязняющих воздух производственных помещений при различных технологических процессах, различается [3]. Например, в сталелитейном производстве во время процесса плавки соединения Б1Мп, смешиваясь с сильным щелочным раствором ^N0^ и фтористым водородом (НБ), диссоциируют с образованием хорошо растворимого в воде МпС1. Сварочный аэрозоль (СА) отличается более сложным химическим составом, размером частиц в сравнении с аэрозолями, выделяющимися при добыче марганца и при производстве высоколигированной стали. Аэродинамический диаметр частиц, характерных

для СА, в большинстве случаев не превышает 1 микрометра, тогда как в производстве марганцевых сплавов основная масса их относится к экстраторакальной и трахеобронхиальной фракции пыли. Моделирование условий выделения и поглощения сварочного аэрозоля показало, что только от 10 до 15 % его массы оседает в торакальной части [5]. При ингаляционной затравке животных соединениями марганца поглощенная доза сварочного аэрозоля как при ручной, так и при полуавтоматической сварке не превышала 15 % [7]. Актуальность изучения выделяющихся фракций пыли, распределения размера и степени растворимости частиц в них не вызывает сомнений [4]. Такие исследования являются важным компонентом в формировании гигиенических знаний о токсикокинетике и токсикодинамике соединений марганца в организме человека, процессах их абсорбции в бронхах и легких, создания депо и правилах проведения биологического мониторинга. Целесообразность использования последнего в отношении сварочного производства доказана целым рядом исследований. Показано, что у сварщиков, подвергающихся ингаляционному воздействию соединений марганца, концентрации этого элемента статистически достоверно выше в сыворотке крови, цельной крови и моче по сравнению с контрольной группой [3].

ОКТЯБРЬ №10 (259) ЗНиСО

29

Материалы и методы. Настоящая статья посвящена отдельным результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательской работы, задачей которого было изучение нарушений функций центральной нервной системы у еще работающих и бывших электросварщиков, подвергавшихся интенсивному воздействию соединений марганца. В основную группу изучения, состоящую из 137 человек, вошли электросварщики трех заводов судостроения и тяжелого машиностроения города Санкт-Петербурга. В контрольную группу были включены 137 слесарей и токарей, работающих на тех же предприятиях. Одним из основных критериев включения в группы было наличие стажа работы в профессии более 1 года. К участию в исследовании были приглашены 63 сварщика и 65 рабочих из контрольной группы, проходившие обследование 6 лет назад в рамках основной научно-исследовательской программы. Всего к добровольному участию в исследовании было приглашено 149 сварщиков и 178 рабочих, включенных в группу контроля. По различным причинам, включая отказ принять участие, из основной группы исследования были исключены 12 сварщиков и 41 рабочий из группы контроля. Удельный вес рабочих в основной и контрольной группах, принявших участие в обследовании, составил 91,9 и 77,0 % соответственно. В программу исследования был включен опрос по специально разработанной анкете, сбор проб биологических сред, отбор проб воздуха рабочей зоны с помощью индивидуальных пробоотборников в течение двух смен. Пробы крови из локтевой вены в специальные вакутайнеры были взяты с 8 до 9 часов утра после последней рабочей смены.

Для оценки биологической активности собранных проб сварочного аэрозоля были использованы искусственно созданные растворы, обладающий сходными характеристиками с бронхоаль-веолярной жидкостью для растворимых и нерастворимых соединений (раствор Хетча). Процесс подготовки пробы к анализу включал несколько стадий. Выщелоченные фильтры с частицами сварочного аэрозоля были помещены в 50 мл пробирки для центрифугирования, куда были вставлены 25-миллиметровые капсулы-фильтры, состоящие из 10 цм пористых нейлоновых мембран, и добавлено 10 мл раствора Хетча. В таком состоянии пробы были выдержаны 24 часа при температуре (37 ± 1) °С. Далее фильтры по 12 штук были центрифугированы от 3—4 000 оборотов в минуту (центрифуга Model 4K15, Sigma, Osterode/Harz, Germany). Полученные органические материалы, 1 мл остатка были помещены в 14 мл пробирки (PP tube, Sarstedt AG, Numbreeht, Germany). К ним было добавлено

Вторым этапом была химическая обработка нерастворимых частиц СА. Для этого в капсулы-фильтры были добавлены по 2 мл 65 % HNO3 и 100 |L стандартного физиологического раствора, который содержал 140 |г/мл-1 бериллия. После этого раствор был помещен в автоклав (SV-140 Teflon, Milestone, Sorisole, Italy) и выдержан там 120 минут при температуре 120 °С и открытой дверце. Далее к содержимому раствора было добавлено 2 мл водной микстуры и 0,2 мл 40 % HF. После этого раствор выдержали в автоклаве в закрытом режиме 150 минут при температуре 120 °С. В конце пробы были разбавлены 14 мл дистиллированной воды.

Полученный щелочной раствор Хетча был проанализирован на содержание в нем марганца и железа с помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-SFMS). Другие пробы (нерастворимые) были проанализированы с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии (Perkin-Elmer Optima 7300) и индуктивного плазменного оптико-эмиссионного сектрометра (ICP-OES) (Perkin-Elmer, Waltham, Massachusetts, USA). Приборы были поверены и откалиброваны с использованием матрицы раствора Хетча. Чувствительность приборов была в 10 раз ниже, чем самые маленькие концентрации Mn и Fe, определяемые в анализируемых пробах. Точность результатов оценивалась путем сравнения аналитических данных исследований, полученных при анализе реальных концентраций марганца и железа в сварочном аэрозоле.

Для статистической обработки данных был использован пакет прикладных программ SPSS, версия 18.0. Программа исследования была одобрена этическим комитетом Национального Института профессионального здоровья (Осло, Норвегия).

Результаты и обсуждение. Статистически значимые различия концентраций марганца в биологических средах между экспонируемой и неэкспонированной профессиональной группой подтверждены целым рядом исследований, как и в нашем — средние концентрации марганца в цельной крови, сыворотке и моче были статистически выше у сварщиков, чем у группы контроля и составляли 12,8 |г/л-1, 1,04 |г/л-1 и 0,36 |г на грамм-1 креатинина соответственно (табл. 1). Повышение концентраций Mn в сыворотке крови у подвергавшихся воздействию работников более чем на 2 |г/л-1 отмечено в научной литературе. В нашем исследовании различия в средних концентрациях этого элемента, содержащего в крови сварщиков и контроля, составили 4,8 цг/л-1, что по своей магнитуде совпадало с результатами других исследований в этой же профессиональ-

2 мл 65 % сверхчистой HNOз и 100 ^ стандартного физиологического раствора. После охлаждения раствор был разбавлен 14 мл дистиллированной воды.

Таблица 1. Средне концентрации марганца и железа в биологических средах сварщиков, группы контроля и бывших сварщиков

Среда Сварщики Группа контроля Бывшие сварщики

средняя диапазон средняя диапазон средняя диапазон

Mn кровь (цг/л-1) 12,8 5,9—40,3 8,0 4,1—13,9 9,3 4,2—22,4

Mn сыворотка (цг/л-1) 1,04 0,20—5,44 0,77 0,44—5,02 0,79 0,53—1,82

Fe сыворотка (цг/л-1) 1,27 0,39—4,96 1,62 0,50—8,91 1,26 0,52—3,18

Mn моча (цг на грамм-1 креатинина) 0,36 0,03—12,9 0,07 0-3,1 0,07 0—0,83

Fe моча (цг на грамм-1 креатинина) 9,6 1,2-158 8,0 2,4—269 8,5 2,5—58,8

30

ЗНиСО ОКТЯБРЬ №10

ной группе с уровнем в 6,1 цг/л-1, а также в других профессиях, например, 3,5 цг/л-1 и 6,1 цг/л-1 у работников по производству сплавов [2, 7]. Сравнительный анализ концентраций аэрозоля и биологических проб убедительно показал влияние растворимости соединений марганца и железа на содержание этих элементов в крови, сыворотке и моче. Установлено, что в среднем 13,8 % общей массы Мп в пробе воздуха может быть растворено в искусственной бронхоальвеолярной жидкости (раствор Хитча). Широкий разброс содержания Мп в индивидуальных пробах, от 1,0 до 49,0 %, свидетельствует о быстро изменяющихся условиях сварки, неоднородности свариваемых материалов и, как следствие, различных уровнях экспозиции растворимых и слаборастворимых его соединений. Концентрации марганца в биологических жидкостях зависели не только от растворимости частиц, но от их композиции. Влияние на растворимость Мп оказывало присутствие в сварочном аэрозоле соединений фтора (Б), калия (К) и натрия (№), входящих в состав обмотки электрода и обнаруживаемых в высоких концентрациях в пробах воздуха [6]. Значительные концентрации этих химических веществ были обнаружены в растворе Хитча, и только менее 1,4 % железа (Бе), содержащегося в 10,0 % отобранных проб воздуха. Слабая растворимость соединений железа может быть объяснена тем, что раствору Хитча, как и нормальной бронхиальной жидкости, присуща щелочная среда (рН = 7,4). С этим связана и тенденция ионов Бе осаждаться на частицах и образовывать слаборастворимые комплексы (Бе /ОН/) в легких. Соотношение концентраций марганца и железа в растворе Хитча имели статистически значимую связь, коэффициент корреляции Пирсона между концентрациями Мп и Бе в растворе Хитча для растворимых соединений составил 0,87 (р < 0,001). Вероятно, вследствие того, что частицы, одновременно содержащие тот и другой металлы, более растворимы, чем другие. Установлено, что уровень железа в сварочном аэрозоле не оказывал какого-либо статистически значимого влияния на содержание марганца в биологических средах. Интересен факт того, что сварщики имели статистически достоверно более низкие концентрации железа в сыворотке, чем в контрольной группе. В связи с этим нельзя исключить, что воздействие Мп вызывает изменение статуса Бе в основной группе. Данный факт требует дополнительного изучения, так как в других работах, посвященных анализу обмена железа у сварщиков, данное явление не было обнаружено.

Примененные нами статистические модели позволили подобрать оптимальные условия, при

Таблица 2. Средние концентрации растворимых и нерастворимых соединений Мп и Fe в исскуственной бронхоальвеалярной жидкости после экспозиции пробами воздуха рабочей зоны сварщиков

Mn Fe

Средняя Диапазон Средняя Диапазон

Растворимые соединения 22 0—425 13 0—183

Нерастворимые соединения 185 1—2 860 1 505 11—10 960

Общая масса в пробах воздуха 214 1—3 230 1 524 10—10 970

которых взаимосвязь между концентрациями марганца в биологических средах, раствором Хитча, моделирующим свойства бронхо-альвеолярной жидкости организма для растворимых химических веществ, воздухом рабочей зоны была наивысшей. Например, анализ раствора Хитча, приготовленного с учетом экспозиции проб воздуха, взятых за два дня до сбора проб крови у сварщиков, показал наибольший коэффициент корреляции с концентрациями Mn в цельной крови и сыворотке. Статистически значимая связь установлена между содержанием Mn в моче и раствором Хитча, при расчете экспозиции которого были использованы средние концентрации двух рабочих смен. Последнее хорошо согласуется с результатами исследований, проведенных на предприятиях по производству марганцевых сплавов, где сообщалось о статистически достоверной связи между содержанием марганца в моче и концентрациями растворимых соединений этого элемента в пробах воздуха рабочей зоны. Период полувыведения изучаемого металла из организма человека с мочой составляет 30 часов, поэтому пиковой подъем его концентраций регистрируется через несколько дней после экспозиции. По нашему мнению, анализ проб мочи в сравнении с другими биологическими жидкостями является наиболее адекватным способом оценки текущей профессиональной экспозиции к растворимым соединениям марганца, проводящихся методами биологического мониторинга. В пользу этого говорит тот факт, что статистически достоверными были различия в концентрациях марганца в моче в группе сварщиков с минимальным экспозиционным уровнем в сравнении с контролем. Такой уровень соответствовал 1—12 цг/м-3 марганца в растворе Хитча. Однако только у 19,4% рабочих основной группы результаты анализа Mn в моче находились в 95,0 %-м доверительном интервале значений, превышающих концентрации в группе контроля. Если же рассматривать результаты анализов мочи сварщиков, подвергающихся наиболее интенсивному воздействию Mn, то таких проб было более 65,0 %.

При изучении вопроса о взаимосвязи концентраций марганца в воздухе рабочей зоны и биологических средах организма нельзя не учитывать возможность попадания в организм некоторой части этого металла из его малорастворимых соединений, содержащихся в сварочном аэрозоле. Тем более что в исследовании доказана статистически значимая корреляция между экскрецией Mn из сварочных дымов в раствор Хитча для растворимых и нерастворимых соединений. Подтверждением важности определения доли влияния малорастворимых соединений марганца на интенсивность экспозиции является тот факт, что в экспериментах на животных убеди -тельно было показано повышенное содержание токсиканта в striatum после интратрахеального капельного введения MnCl2 и ингаляционной затравки MnSO4 в сравнении с поглощением слабораствормых соединений, введение которых также сопровождалось слабым повышением

ОКТЯБРЬ №10 (259) ЗНиСО

31

^^ уровня этого элемента в отдельных структурах головного мозга крыс [6].

Как следует из выводов исследования, выполем ненного при оценке влияния загрязнений ручной д электродуговой сварки в облаке инертных газов с вольфрамом, высвобождение марганца в тка-^ ни организма из комплекса частиц происходило "— медленно. Этот факт хорошо объясняет то, что наибольшая корреляция между концентрациями марганца в моче и растворе Хитча наступала только на следующий день после экспозиции. При этом надо учитывать, что скорость выведения марганца из крови составляет несколько часов. Например, в эксперименте после введения в локтевую вену маркированного изотопа 54Мп через 3 часа в крови было обнаружено лишь некоторое количество этого вещества. С другой стороны, статистически значимое повышение концентраций марганца в сыворотке крови только на следующий день после воздействия сварочного аэрозоля свидетельствует о более медленном процессе проникновения через легочную ткань в кровь человека, чем в эксперименте на животных с введением слаборастворимых соединений. При анализе средних концентраций марганца в биологических пробах нельзя исключить возможность выделения последнего из депо. Вопрос способности этого вещества аккумулироваться в организме всегда вызывал научные дискуссии. Тем более был интересен тот факт, что выделение марганца в кровь и сыворотку хорошо ассоциируется со стажем работы электросварщиков, а концентрации металла в моче нет. Установлены статистически достоверные различия между содержанием Мп в крови у бывших сварщиков и группы контроля. Однако не выявлено каких-либо различий в этих группах и концентрациях марганца в сыворотке и в моче. Можно предположить, что некоторая часть марганца аккумулируется в тканях легких и депонируется там, медленно попадая в кровь после прекращения профессионального контакта с ним. Возможно также, что часть металла депонируется в тканях, ответственных за деградацию эритроцитов. Влияние предыдущего воздействия марганца различной интенсивности на организм и выделение его в кровь по сравнению с текущей экспозицией невелико, однако является неотъемлемой частью результатов анализа биологических проб, взятых у сварщиков. В связи с этим возникает вопрос о целесообразности использования результатов анализа крови в качестве биологического маркера текущего уровня экспозиции к сварочному аэрозолю.

Таким образом, в ходе исследования установлено, что в среднем 13,8 % (95 % ДИ 12,7-15,0) общей массы марганца в пробах воздуха рабочей зоны сварщика способно раствориться в искусственно созданном растворе, обладающем сходными характеристиками с бронхоальвеолярной жидкостью человека (раствор Хетча). Удельный

вес растворенной общей массы железа в щелочном растворе Хетча составил в среднем менее 1,4 % (95 % ДИ 1,2—1,6). Корреляция Пирсона между концентрациями марганца в обоих типах раствора Хетча (щелочном и кислотном) была 0,92 (p < 0,001) и 0,94 (p < 0,001) между общей массой Mn и Fe при сопоставлении всех 237 измерений. Статистически значимым был коэффициент корреляции Пирсона между концентрациями Mn и Fe в растворе Хитча для растворимых соединений (0,87 (p < 0,001). Знания о количественном содержании растворимых химических соединений в сварочном аэрозоле могут способствовать получению более точных оценок поглощенной дозы, наличия связи между концентрациями марганца в воздухе рабочей зоны и биологическими пробами. Однако при проведении такой оценки мы должны учитывать, что диапазон концентраций марганца в биологических средах в целом в популяции достаточно широк и определяется не только уровнем профессиональной экспозиции. К сожалению, при анализе биологических проб, взятых у сварщиков, не было возможности учесть базовые (фоновые) концентрации химических веществ в биологических средах, обнаруживаемые у них до поступления на работу.

ЛИТЕРАТУРА

1. Явдощин И.Р. и др. Образование сварочного аэрозоля при дуговой сварке плавлением и его гигиеническая оценка /Явдощин И.Р., Походня И.К. //Сб.: Труды 1-й Международной научно-практической конференции «Защита окружающей среды, здоровье, безопасность в сварочном производстве». Одесса. 11—13 сентября 2002 г.. С. 38—55.

2. Berlinger B., Benker N., Weinbruch S., L'Vov B., Ebert M., Koch W., Ellingsen D.G. and Thomassen Y., Physicochemical characterisation of different welding aerosols. Anal. Bioanal. Chem., 2011, 399, 1773—1780.

3. Ellingsen D.G., Dubeikovskaya L.S., Dahl K., Chashchin M.V., Chashchin V.P., Zibarev E. and Thomassen Y. Air exposure assessment and biological monitoring of manganese and other major welding fume components in welders. J. Environ. Monit., 2006, 8, 1078—1086.

4. Finley B.L. and Santamaria A.B., Current evidence and research needs regarding the risk of manganese-induced neurological effects in welders. NeuroToxicology, 2005, 26, 285—289.

5. 11 ICRP, International Commission on Radiological Protection Publication, Human Respiratory Tract Model for Radiological Protection, Pergamon, Oxford, England, 1994, p. 66.

6. Lu L., Zhang L.-L., Li G. J., Guo W., Liang W. and Zheng W. Occupational Exposure to Welding Fume among Welders: Alterations of Manganese, Iron, Zinc, Copper, and Lead in Body Fluids and the Oxidative Stress Status. NeuroToxicology, 2005, 26, 257-265.

7. Sriram K., Lin G. X., Jefferson A. M., Roberts J. R., Chapman R. S., Chen B. T., Soukup J. M.,. Ghio A. J and Antonini J. M. Dopaminergic neurotoxicity following pulmonary exposure to manganese-containing welding fumes. Arch. Toxicol., 2010, 84, 521—540.

Контактная информация:

Чащин Максим Валерьевич, тел.: 8 (812) 275-73-77, e-mail: m.chashchin@gmail.com Contact information:

Chashchin Maxim Valeryevich, phone: 8 (812) 275-73-77, e-mail: m.chashchin@gmail.com