In vitro-resorptionsverfügbarkeit von Bioziden und PCB aus Hausstaub bei Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt bzw. durch die Haut

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1 In vitro-resorptionsverfügbarkeit von Bioziden und PCB aus Hausstaub bei Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt bzw. durch die Haut Von der Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg zur Erlangung des Grades und Titels eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) angenommene Dissertation von Harald Ertl geboren am in Mainz

2 Gutachter: apl. Prof. Dr. W. Butte Zweitgutachter: Prof. Dr. D. Beyersmann Tag der Disputation:

3 Inhalts-, Abbildungs- und Tabellenverzeichnis I Inhaltsverzeichnis: 1 Einleitung und Aufgabenstellung Grundlagen Vorkommen und umweltmedizinische Relevanz von Bioziden und polychlorierten Biphenylen im Hausstaub Toxikologie der untersuchten Biozide und PCB Exposition der Normalbevölkerung mit Bioziden und PCB im Hausstaub Digestive Aufnahme von Chemikalien aus Hausstaub Dermale Aufnahme von Chemikalien aus Hausstaub Methoden Untersuchte Fragestellungen und allgemeine Versuchskonzeption Gewinnung von Standard-Hausstaub In vitro-methoden zur Resorptions- und Penetrationsverfügbarkeit Humanschweiß-Versuche zur Validierung der dermalen in vitro-methode Dermale Freisetzungskinetik Probenaufreinigung, chromatographische Mess- und Auswertungsverfahren Tensidgehaltsbestimmung Expositionsabschätzung Ergebnisse Probenaufreinigung, chromatographische Mess- und Auswertungsverfahren Bestimmung der digestiven Resorptionsverfügbarkeit Bestimmung der demalen Penetrationsverfügbarkeit Humanschweiß-Versuche zur Validierung der dermalen in vitro-methode Dermale Freisetzungskinetik Tensidgehaltsbestimmung Diskussion Digestive Resorptionsverfügbarkeit Dermale Penetrationsverfügbarkeit Validierung der dermalen in vitro-methode Dermale Freisetzungskinetik Expositionsabschätzung... 87

4 Inhalts-, Abbildungs- und Tabellenverzeichnis II 6 Schlussfolgerungen Zusammenfassung / Summary Literaturverzeichnis Anhang In vitro-methode zur Bestimmung der digestiven Resorptionsverfügbarkeit In vitro-methode zur Bestimmung der dermalen Penetrationsverfügbarkeit Methoden der Humanschweiß-Versuche zur Validierung der dermalen in vitro-methode Methode zur Ermittlung der dermalen Freisetzungskinetik Probenaufreinigung, chromatographische Mess- und Auswertungsverfahren Digestive Resorptionsverfügbarkeit in den drei Stufen des Versuchssystems Resorptionsverfügbarkeit der Biozide Resorptionsverfügbarkeit der PCB Penetrationsverfügbarkeit der Biozide Penetrationsverfügbarkeit der PCB Digestive durchschnittliche Tagesdosis Dermale durchschnittliche Tagesdosis Digestive durchschnittliche Tagesdosis in Prozent des ADI/TDI Dermale durchschnittliche Tagesdosis in Prozent des ADI/TDI

5 Inhalts-, Abbildungs- und Tabellenverzeichnis III Abbildungsverzeichnis: Abbildung 1: Simulation eines Tages-Dosis-Profils der dermalen Exposition eines Kindes mit Chlorpyrifos nach Anwendung in der Wohnung Abbildung 2: Übersicht zur Erklärung und Abgrenzung der Begriffe des mobilisierbaren (löslichen), resorptionsverfügbaren, resorbierbaren und bioverfügbaren Anteils von oral aufgenommenen, partikelgebundenen Schadstoffen Abbildung 3: Schematische Darstellung des Aufbaus des Stratum corneum einschließlich des inter- und intrazellulären Pfades der Stoffaufnahme durch das Stratum corneum Abbildung 4: Verfahrensschritte bei der Bestimmung der digestiven Resorptionsverfügbarkeit Abbildung 5: Wasserbad mit Mehrfach-Magnetrühruntersatz und beweglicher Halterung für ph-elektrode und Wechsel-Bürettenspitze für die Titration.. 31 Abbildung 6: Beprobungsstellen auf dem Rücken des Probanden Abbildung 7: Franz-Diffusionszelle mit Heizmantel (Querschnitt) Abbildung 8: Abbildung 9: Beispielhaftes Chromatogramm der Messung der unpolaren Biozide und PCB mittels GC/ECD Beispielhaftes Chromatogramm der Messung von Pentachlorphenol mittels GC/ECD Abbildung 10: Beispielhaftes Chromatogramm der Messung von Propoxur und Piperonylbutoxid mittels GC/MS Abbildung 11: Resorptionsverfügbarkeit der untersuchten Biozide und PCB aus Standard-Hausstaub (Staub) in den 3 Stufen des Versuchssystems Abbildung 12: Resorptionsverfügbarkeit der Biozide in Abhängigkeit verschiedener Rahmenbedingungen Abbildung 13: Resorptionsverfügbarkeit der PCB in Abhängigkeit verschiedener Rahmenbedingungen Abbildung 14: Penetrationsverfügbarkeit der Biozide in Abhängigkeit verschiedener Rahmenbedingungen Abbildung 15: Penetrationsverfügbarkeit der PCB in Abhängigkeit verschiedener Rahmenbedingungen Abbildung 16: Mittlere Biozid- und PCB-Resorptionsverfügbarkeit aus Standard- Hausstaub (Staub) in den 3 Stufen des Versuchssystems... 51

6 Inhalts-, Abbildungs- und Tabellenverzeichnis IV Abbildung 17: Konzentration von kationischen, anionischen und nichtionischen Tensiden in den künstlichen Verdauungsflüssigkeiten und Tensid- Konzentrationen, die vom verwendeten Staub in der Versuchsflüssigkeit bewirkt wurden Abbildung 18: Resorptionsverfügbarkeit der Biozide und PCB als Mittelwert aller Versuche Abbildung 19: Verteilungsgleichgewichts-Isothermen von Pentachlorphenol, p,p-ddt und der PCB bei der digestiven in vitro-elution Abbildung 20: Resorptionsverfügbarkeit der Biozide und PCB in den verschiedenen Teilversuchen Abbildung 21: Gegenüberstellung der Resorptionsverfügbarkeit in den Versuchen ohne Tensidzusatz und mit Tensidzusatz Abbildung 22: Gegenüberstellung der Resorptionsverfügbarkeit in den Versuchen ohne Modellnahrung und mit Modellnahrung Abbildung 23: Gegenüberstellung der mittleren Biozid- und PCB-Resorptionsverfügbarkeit jeweils ohne Tensid- und Nahrungszusatz, mit einem der beiden Zusätze und bei Kombination beider Zusätze Abbildung 24: Gegenüberstellung der Resorptionsverfügbarkeit in den Versuchen ohne Tensid- und Nahrungszusatz, mit einem der beiden Zusätze und bei Kombination beider Zusätze Abbildung 25: Veränderung der Resorptionsverfügbarkeit aus Staub durch Nahrungszusatz Abbildung 26: Veränderung der Resorptionsverfügbarkeit der Biozide aus Staub durch Nahrungszusatz sowie Wasserlöslichkeit der Biozide Abbildung 27: Penetrationsverfügbarkeit der Biozide und PCB als Mittelwert aller Versuche Abbildung 28: Verteilungsgleichgewichts-Isothermen von Pentachlorphenol, p,p-ddt und der PCB bei der Schweiß-Elution Abbildung 29: Penetrationsverfügbarkeit der Biozide und PCB in den verschiedenen Teilversuchen Abbildung 30: Gegenüberstellung der mittleren Biozid- und PCB-Penetrationsverfügbarkeit jeweils ohne Tenside (d.h. Entzug von Tensiden mit Calbiobsorb), mit normalem Tensidgehalt und mit Tensidzusatz Abbildung 31: Gegenüberstellung der Penetrationsverfügbarkeit in den Versuchen ohne Tensiden (d.h. Entzug von Tensiden mit Calbiobsorb), mit normalem Tensidgehalt und mit Tensidzusatz

7 Inhalts-, Abbildungs- und Tabellenverzeichnis V Abbildung 32: Konzentrationen kationischer, anionischer und nichtionischer Tenside, die von Hautpflegeprodukten und vom verwendeten Staub in die Versuchsflüssigkeit abgegeben werden, sowie Tensid-Konzentrationen im künstlichen Schweiß Abbildung 33: Gegenüberstellung der mittleren Biozid- und PCB-Penetrationsverfügbarkeit ohne Zusätze und bei Verwendung von Hautpflegeprodukten Abbildung 34: Gegenüberstellung der Penetrationsverfügbarkeit in den Versuchen ohne Zusatz und mit Zusatz von Hautpflegeprodukten Abbildung 35: Veränderung der Penetrationsverfügbarkeit der Biozide aus Staub durch Zusatz von Hautpflegeprodukten (Pflegebad, Pflegemilch und Hautcreme) sowie Wasserlöslichkeit der Biozide Abbildung 36: Menge eines Stoffes auf der mit Staub behandelten Hautfläche im Vergleich zur Menge auf der unbehandelten Fläche (Kontrollfläche) mit den beiden Beprobungsmethoden Abbildung 37: GC/MS-Chromatogramm von Humanschweiß (m/z = ) Abbildung 38: GC/MS-Chromatogramme von Schweiß-Elutionsproben mit echtem Humanschweiß (m/z = ) Abbildung 39: Biozid-Konzentration in der Rezeptorflüssigkeit als Funktion der Expositionszeit Abbildung 40: Durchschnittliche Tagesdosis der digestiven Exposition mit Hausstaub für die verschiedenen Expositionsszenarien Abbildung 41: Durchschnittliche Tagesdosis der dermalen Exposition mit Hausstaub für die verschiedenen Expositionsszenarien Abbildung 42: Durchschnittliche Tagesdosis der dermalen Exposition mit Hausstaub für die verschiedenen Expositionsszenarien bei hohen Stoffgehalten im Hausstaub Abbildung 43: Gegenüberstellung der durchschnittlichen dermalen Tagesdosis des Expositionsszenarios Krabbelkind mit und ohne Hautpflegeprodukte Abbildung 44: Anteile der inhalativen, digestiven und dermalen Exposition der drei Expositionsszenarien am ADI- bzw. TDI-Wert der untersuchten Biozide und der polychlorierten Biphenyle. Gegenüberstellung der Anteile bei mittleren und bei hohen Stoffgehalten im Hausstaub... 96

8 Inhalts-, Abbildungs- und Tabellenverzeichnis VI Tabellenverzeichnis: Tabelle 1: Typische Gehalte von in Hausstaub häufig vorkommenden Bioziden und polychlorierten Biphenylen... 4 Tabelle 2: Typische Tensidgehalte von Hausstaub (Butte et al. 2004, N=50) Tabelle 3: Durchgeführte Versuche zur digestiven Resorptionsverfügbarkeit Tabelle 4: Durchgeführte Versuche zur dermalen Penetrationsverfügbarkeit Tabelle 5: Tabelle 6: Tabelle 7: Typische Werte für Biozid- und PCB-Gehalt, Tensidgehalt und Glühverlust von Hausstaub und die entsprechenden Gehalte im Standard- Staub dieser Arbeit Zusammensetzung der synthetischen Verdauungsflüssigkeiten nach E DIN Zusammensetzung von echtem Schweiß-Oberflächenfilm der menschlichen (erwachsenen) Haut und des verwendeten künstlichen Schweiß- Oberflächenfilms Tabelle 8: Methoden der photometrischen Tensidbestimmung Tabelle 9: Tabelle 10: Tabelle 11: Tabelle 12: Tabelle 13: Tabelle 14: Tabelle 15: Tabelle 16: Nachweis- und Bestimmungsgrenzen (NWG und BSG) der verwendeten chromatographischen Methoden Menge eines Stoffes auf der mit Staub behandelten Hautfläche im Vergleich zur Menge auf der unbehandelten Fläche Relative Konzentration der Biozide PCP und Lindan in der Diffussionszelle in Prozent des Wertes nach 24 Stunden Kennwerte des Diffussionszellen-Experimentes für Pentachlorphenol zu den drei charakteristischen Expositionszeiträumen 6, 12 und 24 Stunden Tensidkonzentrationen der Elutionsflüssigkeiten (Speichel bis Schweiß) und Tensidkonzentrationen, die beim in vitro-versuch einzig durch die jeweilige Substanz entstehen (Tensidabgabe) Nährstoffgehalte der verwendeten Milchpulver und Resorptionsverfügbarkeit der Biozide und PCB bei Zusatz der verschiedenen Milchpulver Veränderung der Resorptionsverfügbarkeit von Bioziden aus Staub durch Zusatz von Nahrung (Voll- und Magermilchpulver) sowie physikochemische Eigenschaften der Biozide Korrelation der digestiven Resorptionsverfügbarkeit mit dem Molekulargewicht und ausgewählten physikochemischen Eigenschaften (Rangkorrelation nach Spearman)

9 Inhalts-, Abbildungs- und Tabellenverzeichnis VII Tabelle 17: Tabelle 18: Tabelle 19: Tabelle 20: Tabelle 21: Vergleich der ermittelten Werte der in vitro-resorptionsverfügbarkeit aus Hausstaub mit Literaturangaben zur Resorptionsverfügbarkeit aus Mineralböden und zur Resorption in vivo Veränderung der Penetrationsverfügbarkeit von Bioziden aus Staub durch Zusatz von Hautpflegeprodukten sowie physikochemische Eigenschaften der Biozide Korrelation der dermalen Penetrationsverfügbarkeit mit dem Molekulargewicht und ausgewählten physikochemischen Eigenschaften (Rangkorrelation nach Spearman) Gegenüberstellung von in vitro-penetrationsverfügbarkeit und Literaturangaben zur in vivo-penetration Kenngrößen des Freisetzungsexperimentes für Pentachlorphenol (Messund Literaturwerte) Tabelle 22: Parameter der angewendeten Expositionsszenarien Tabelle 23: Digestive Resorptionsverfügbarkeit und dermale Penetrationsverfügbarkeit zur Berücksichtigung bei Expositionsabschätzungen... 93

10 Inhalts-, Abbildungs- und Tabellenverzeichnis VIII Abkürzungsverzeichnis: ADD ADI BfR average daily dose (durchschnittliche Tagesdosis) [mg/kg Tag] acceptable daily intake [mg/kg Tag] Bundesinstitut für Risikobewertung Konzentration an gelöstem, d.h. penetrationsverfügbarem Stoff in der Hausstaubc v Oberflächenfilm-Matrix [µg/cm 3 ] c w Stoffkonzentration an der digestiven Membran [µg/cm 3 ] D Diffusionskoeffizient im Stratum corneum [1/Stunde] d Dicke des Stratum corneum [cm] DA Ereignis je Expositionsereignis absorbierte Stoffmenge [mg/cm 2 Ereignis] (dermale Exposition) bzw. [mg/tag] (digestive Exposition) DDT, p,p- 1,1-Bis(4-chlorphenyl)-2,2,2-trichlorethan ECD Elektroneneinfang-Detektor F Kontaktfläche zwischen Matrix und Stratum corneum [cm 2 ] GC Gaschromatograph bzw. Gaschromatographie in vitro außerhalb eines lebenden Organismusses untersucht in vivo in/an einem lebenden Organismus untersucht J Flux durch das Stratum corneum [µg/cm 2 Stunde] J d K oc K ow k p k P MCS MS m/z P PCB PCP Massetransport (Flux) der digestiven Absorption [µg/cm 2 Stunde] Kohlenstoff-Wasser-Verteilungskoeffizient (organischer Kohlenstoff) Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient Penetrationsgeschwindigkeits-Konstante der dermalen Penetration [cm/stunde] dermale Penetrationsgeschwindigkeits-Konstante erster Ordnung [cm/stunde] multiple chemische Sensitivität Massenspektrometer Masse-/Ladungsverhältnis (in der Massenspektrometrie) dermaler Permeabilitätskoeffizient [cm/stunde] polychlorierte Biphenyle Pentachlorphenol P e effektive Permeabilität der digestiven Membran [cm/stunde] PV dermale Penetrationsverfügbarkeit [%] dq dt dermale Penetration [µg/cm 2 Stunde] RV digestive Resorptionsverfügbarkeit [%] TDI tolerable daily intake [mg/kg Tag] Vk Verteilungskoeffizient Stratum corneum/hausstaub-schweiß-matrix WHO Weltgesundheitsorganisation

11 1 Einleitung und Aufgabenstellung 1 1 Einleitung und Aufgabenstellung Die Bevölkerung Deutschlands verbringt je nach Lebensalter, Beruf und Jahreszeit etwa 80 bis 90 % des Tages in Innenräumen von Gebäuden (Friedrich 2001). Innenräume haben daher neben dem Beruf und der Nahrung eine große Bedeutung für die Schadstoffbelastung des Menschen (Paustenbach 2000). Sehr flüchtige und flüchtige Chemikalien sind überwiegend in der Raumluft anzutreffen. Nichtflüchtige bis mittelflüchtige Stoffe reichern sich dagegen im Hausstaub an. Daher ist Hausstaub ein geeignetes Material, um Innenraumkontaminationen mit solchen Stoffen zu erkennen und zugleich selbst ein essentieller Bestandteil der Innenraumkontamination (Butte und Heinzow 2002). Vor allem das Auftreten von Bioziden und polychlorierten Biphenylen (PCB) in Innenräumen steht im Mittelpunkt der öffentlichen Diskussion. Diese Stoffe sind teilweise in hohen Konzentrationen im Hausstaub vorhanden. Die am häufigsten vorkommenden Biozide im Hausstaub deutscher Haushalte sind Lindan, p,p-ddt, Chlorpyrifos, Methoxychlor, Pentachlorphenol (PCP), Propoxur, Permethrin und Piperonylbutoxid (Walker et al. 1999). Von den polychlorierten Biphenylen treten in Hausstaub insbesondere die mittel- bis schwerflüchtigen Kongenere 101, 138, 152 und 180 auf (UBA 2002). Biozide und polychlorierte Biphenyle im Hausstaub werden mit verschiedenen gesundheitlichen Beeinträchtigungen wie bestimmten Krebserkrankungen in Zusammenhang gebracht (z.b. Hoffmann et al. 2003). Diese Stoffe werden bzw. wurden in Privathaushalten in großen Mengen unter anderem als Pflanzenschutzmittel, Holzschutzmittel, Insektenbekämpfungsmittel und in Baustoffen verwendet: Im Jahr 2000 sind in Deutschland über 70 Tonnen Wirkstoffe zur Schädlingsbekämpfung im Haus verkauft worden (Smolka und Cameron 2002). Etwa 70 % der niedersächsischen und nordrhein-westfälischen Haushalte verwenden gemäß einer bevölkerungsrepräsentativen Studie Insektizide oder Holzschutzmittel in Innenräumen (Hostrup et al. 1997). Dieser Einsatz hat in fast allen Fällen zu messbaren Biozidrückständen im Hausstaub geführt. Ursache hierfür ist unter anderem, dass Biozide in Innenräumen häufig ohne ausreichende Sicherheits- und Säuberungsmaßnahmen und in überhöhten Dosen angewendet werden (Hostrup und Witte 1997). Für die toxische Wirkung von Chemikalien im Hausstaub ist nicht die absolute Stoffkonzentration, sondern die bioverfügbare, d.h. die vom Organismus aufgenommene Stoffmenge entscheidend (Fuhrmann 2006). Wie und in welchen Mengen Biozide und PCB aus Hausstaub vom menschlichen Organismus aufgenommen werden, ist bislang weitgehend unbekannt. Lediglich für die Abschätzung der Aufnahme via Inhalation stehen validierte Modelle zur Verfügung (Heinemeyer 2004, Paustenbach 2000).

12 1 Einleitung und Aufgabenstellung 2 In der vorliegenden Dissertation sollten pharmazeutische und umweltmedizinische in vitro-methoden adaptiert und entwickelt werden, um die nicht-inhalative Aufnahme der untersuchten Chemikalien bei Exposition mit Hausstaub erstmals zu quantifizieren. Dazu gehörte die Entwicklung geeigneter in vitro-methoden einschließlich der Versuchsapparaturen und der Analysenmethoden für die quantitative Analyse der untersuchten Stoffe. Die Resorption im Magen-Darm-Trakt sollte mittels Adsorptions-Desorptions- Versuchen mit synthetischen Verdauungsflüssigkeiten aus Mund, Magen und Darm untersucht werden (Adaption der Methode des E DIN ). Auf diese Weise sollte die Resorptionsverfügbarkeit ermittelt werden. Die Resorptionsverfügbarkeit ist der Anteil einer Substanz im Hausstaub, der im Verdauungssystem mobilisiert wird, so dass er für die Resorption zur Verfügung steht. Bei lipophilen Stoffen ist die Resorptionsverfügbarkeit der entscheidende Parameter für die Resorption im Magen- Darm-Trakt (Hack et al. 1999). Zur Untersuchung der Absorption durch die Haut sollten Diffusionszellen nach FRANZ verwendet werden (basierend auf der Apparatur von Franz 1975). Anstelle von Humanhaut waren künstliche Membranen zu verwenden (vergleiche Wagner et al. 2002), um so die Kinetik der Freisetzung der Stoffe aus Hausstaub zu untersuchen. Daneben sollte eine Adsorptions-Desorptions-Methode mit synthetischem Schweiß- Lipid-Film entwickelt werden, um die dermale Penetrationsverfügbarkeit der Stoffe auf der Haut zu ermitteln. Die dermale Penetrationsverfügbarkeit wird analog zur digestiven Resorptionsverfügbarkeit definiert (vergleiche Hack et al. 1999). Bei lipophilen Stoffen wie z.b. Lindan in einer komplexen Matrix wie Hausstaub kann sie der entscheidende Parameter für die dermale Penetration sein (Bunge und Parks 1997). Bislang existierte keine publizierte Methode zur Bestimmung der dermalen Penetrationsverfügbarkeit. Ergänzend und zur Absicherung der neuentwickelten Methode sollte die dermale Penetrationsverfügbarkeit semiquantitativ in vivo an mit Hausstaub exponierter Humanhaut bestimmt werden ("Sorptive Tape Extraction" nach Sisalli et al. 2006, Wischbeprobung in Abwandlung der von Brouwer et al beschriebenen Methoden). Mit den in vitro-methoden sollten auch Kombinationswirkungen mit wesentlichen Einflussfaktoren quantifiziert werden (Expositions- und Aufnahme-Kombinationswirkungen). Der Begriff der Expositions- und Aufnahme-Kombinationswirkungen wird in der Umwelthygiene bislang nicht verwendet. Er wird in dieser Arbeit als Sammelbegriff für alle Vorgänge verwendet, welche die Aufnahme von Bioziden und PCB fördern. Dazu zählt die Erhöhung der Mobilisierung eines Stoffes in seiner Matrix zum Zeitpunkt der Exposition genauso wie die Verminderung der Barrierewirkung der jeweiligen biologischen Barriere während der Aufnahme in den Organismus.

13 1 Einleitung und Aufgabenstellung 3 In den Experimenten zur Penetrations- und Resorptionsverfügbarkeit sollten Kombinationswirkungen mit Tensiden untersucht werden, da diese im Hausstaub in hohen Konzentrationen vorkommen (Butte et al. 2004) und ihre löslichkeitserhöhende Wirkung auf die untersuchten organischen Stoffe bekannt ist (Chiou 2002). Als weitere zu untersuchende Kombinationsfaktoren waren bei der digestiven Resorptionsverfügbarkeit die Nahrung, die sich zusammen mit dem Staub im Verdauungssystem befindet (Hack et al. 1999), und bei der dermalen Penetrationsverfügbarkeit Rückstände von Hautpflegeprodukten wie Cremes zu berücksichtigen (Brand et al. 2002). Die Ergebnisse der Untersuchungen sollten abschließend verwendet werden, um die dermale und digestive Aufnahme von Bioziden und polychlorierten Biphenylen aus Hausstaub mittels geeigneter Expositionsszenarien abzuschätzen.

14 2 Grundlagen 4 2 Grundlagen In diesem Kapitel werden Vorkommen, umweltmedizinische Relevanz und Toxikologie der häufig in Hausstaub vorkommenden Biozide und polychlorierten Biphenyle beschrieben. Anschließend wird die Exposition der Normalbevölkerung mit diesen Stoffen dargestellt. Danach werden die wesentlichen Aspekte der Aufnahme dieser Stoffe im menschlichen Magen-Darm-Trakt und durch die Haut dargelegt. 2.1 Vorkommen und umweltmedizinische Relevanz von Bioziden und polychlorierten Biphenylen im Hausstaub Die am häufigsten anzutreffenden Biozide im Hausstaub deutscher Haushalte sind Lindan, p,p-ddt, Methoxychlor, Pentachlorphenol (PCP), Permethrin, Piperonylbutoxid (PBO), Chlorpyrifos und Propoxur (Seifert et al. 2000, Walker et al. 1999, Butte und Walker 1994). Diese Stoffe stammen überwiegend aus verschiedenen Anwendungen in Wohnungen und Hausgärten sowie, wie die PCB, aus Baumaterialien und Einrichtungsgegenständen (siehe Kapitel 2.2). Sie kommen in hohen Gehalten vor (Tabelle 1), einzelne Staubproben enthalten bis zu 100 mg/kg dieser Stoffe (Butte und Heinzow 2002). Ursache dafür ist, neben ihrer häufigen und z.t. unsachgemäßen Anwendung, ihre chemische Stabilität im Hausstaub (Butte 2004, Hostrup und Witte 1997). Die mittleren Gehalte der Biozide Lindan und PCP im Hausstaub haben sich in den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts als Folge des Verbots der Verwendung dieser Stoffe als Pflanzenschutzmittel verringert, der Gehalt der nach dem PCP-Verbot häufig als Ersatzstoff verwendeten Pyrethroide hat sich dagegen etwa vervierfacht (Friedrich et al. 1998). Viele dieser Biozide, wie z.b. Lindan, DDT sowie Permethrin, besitzen eine endokrine Wirkung und daher ein zusätzliches Gefährdungspotential (Kapitel 2.2). Tabelle 1: Typische Gehalte von in Hausstaub häufig vorkommenden Bioziden und polychlorierten Biphenylen. (Biozide: Walker et al. 1999, N=336; PCB: Seifert et al. 2000, N=120; PCB-Gesamtkonzentration nach Vorgabe des Bundesministeriums für Umwelt (BMU 1989)). Biozid Gehalt [mg/kg] Median 95. Perzentil Chlorpyrifos 0,1 0,63 p,p-ddt 0,31 4,2 Lindan 0,1 0,83 Methoxychlor 0,92 27 Pentachlorphenol (PCP) 0,95 8 Permethrin 0,67 37 Piperonylbutoxid (PBO) 0,11 13 Propoxur 0,1 0,9 PCB-Gesamtkonzentration 0,35 4,0

15 2 Grundlagen 5 Zahlreiche Studien belegen den Zusammenhang zwischen der Anwendung dieser Stoffe, z.b. als Pflanzenschutzmittel, Holzschutzmittel in Haus und Garten oder als Ausrüstung von Wollteppichen, und erhöhten Konzentrationen dieser Stoffe im Hausstaub (Becker et al. 2006, Butte 2004, Berger-Preiß et al. 2002, Butte und Heinzow 2002, Butte et al. 2001, Seifert et al. 2000, Walker et al. 1999, Friedrich et al. 1998, Hostrup et al. 1997). Verschiedene epidemiologische Studien haben einen Zusammenhang erhöhter Gehalte dieser Schadstoffe im Hausstaub bzw. im Innenraum mit Erkrankungen, wie z.b. verschiedenen Tumoren und mit MCS-ähnlichen Symptomen, ergeben (Colt et al. 2006, Tsai et al. 2006, Hoffmann et al. 2003, Terschüren et al. 2001, Frentzel-Beyme et al. 2000). Die Ergebnisse von Hoffmann et al. (2003) zeigen für ein großes Kollektiv Erwachsener ein signifikant erhöhtes Leukämie- und Lymphomrisiko durch Anwendung von Insektiziden und Holzschutzmitteln in privaten Haushalten: Bei allen in dieser Studie untersuchten Krankheitsbildern ist das Erkrankungsrisiko im Mittel um 50 % erhöht (Minimum: 20 %, Maximum: 140 %). Eine kausale Bestätigung dieser Zusammenhänge steht noch aus. Dabei ist die Humantoxikologie dieser Stoffe meist gut erforscht (Kapitel 2.2). Zur Exposition der Normalbevölkerung mit diesen Stoffen ist dagegen wenig bekannt (Kapitel 2.3). 2.2 Toxikologie der untersuchten Biozide und PCB Die verschiedenen in Hausstaub häufig vorkommenden Biozide und PCB besitzen eine unterschiedliche toxikologische Bedeutung. Sie lassen sich verschiedenen Stoffgruppen zuordnen, die durch bestimmte toxikologische Eigenschaften gekennzeichnet sind. Für die Fragestellung dieser Arbeit ist nicht die akute, sondern die chronische Toxizität dieser Stoffe von Interesse, die im Folgenden kurz beschrieben wird. Chlorierte Kohlenwasserstoffe: DDT, Methoxychlor, Lindan Chlorierte Kohlenwasserstoffe (Organochlor-Verbindungen) erlangten in den 40er und 50er Jahren des 20. Jahrhunderts als universell einsetzbare Insektizide in der Landwirtschaft große Bedeutung. Das p,p-ddt (im Folgenden kurz DDT genannt) ist der bekannteste Vertreter. In den 60er und 70er Jahren erkannte man die Langzeittoxizität der Organochlor-Biozide. Sie besitzen als Substanzklasse allgemein Eigenschaften wie eine sehr hohe Persistenz in der Umwelt, eine niedrige akute Toxizität, geringe Wasserlöslichkeit und die Anreicherung in Leber, Nervensystem und Fettgewebe (Sagunski und Perger 1994). Das Nervensystem und vor allem bei chronischer Einwirkung auch die Leber sind die hauptsächlichen Zielorgane ihrer toxischen Wirkung. Eine der beiden Komponenten des technisch hergestellten DDT, das 2,4'-DDT, besitzt eine östrogene Wirkung. Die andere Komponente, das 4,4'-DDT, ist nur gering endokrin wirksam (Sagunski und Perger 1994). Seit dem weitgehenden Verbot von DDT im Jahr 1972 hat das als Insektizid ähnlich wirkende, aber deutlich geringer humantoxische Methoxychlor in der Landwirtschaft und in Haus und Garten an

16 2 Grundlagen 6 Bedeutung gewonnen (Rippen 2000b, EXTOXNET 1996b). Ähnlich wie DDT steht Methoxychlor unter Verdacht, eine endokrine Wirksamkeit zu besitzen (Greim 1998). Das ebenfalls als Insektizid verwendete Lindan fand Anwendung in der Land- und Forstwirtschaft und, wie das weiter unten beschriebene Pentachlorphenol, als Holzschutzmittel (Rippen 1994). Seit Mitte der 80er Jahre wird Lindan in Deutschland nicht mehr hergestellt, und bereits seit 1981 ist es nicht mehr als Pflanzenschutzmittel zugelassen. Es wird aber weiterhin zur Schädlingsbekämpfung außerhalb der Landwirtschaft und für human- und veterinärmedizinische Zwecke eingesetzt (Hassauer und Kalberlah 2000a). Lindan wirkt sowohl östrogen als auch anti-androgen (Dankwardt 1998). Aufgrund der hohen Persistenz und globalen Verteilung der Organochlor-Verbindungen und ihrer Verwendung in dauerhaften Baustoffen in Gebäuden sind auch heute noch hohe Konzentrationen dieser Stoffe im Hausstaub zu finden (Butte 2004, Butte und Heinzow 2002). Chlorphenole: Pentachlorphenol (PCP) Das bekannteste Chlorphenol, das vor allem als Fungizid eingesetzte Pentachlorphenol, ist wie alle Chlorphenole eine schwache Säure (pka = 4,96), weshalb PCP bei einem ph-wert von > 5 praktisch vollständig in Phenolat dissoziiert vorliegt (Sagunski und Perger 1994, Butte 1984). Bei niedrigerem ph-wert besitzt PCP lipophile Eigenschaften. PCP ist seit den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts verwendet worden. Eingesetzt wurde es vor allem als Holzschutzmittel, aber auch z.b. zur Imprägnierung von Textilien und Leder (Rippen 1995). Die chronische Exposition mit PCP hat vor allem durch die Verwendung von PCP als Holzschutzmittel in Gebäuden eine große Bedeutung (Butte 1984). In zahlreichen Fällen wurden verschiedene unspezifische Symptome als Folge einer chronischen PCP-Vergiftung berichtet (Sagunski und Perger 1994). Allgemein kann es bei chronischer Exposition zu Akne, Muskelschwäche, psychopathologischen Störungen, chronischer Bronchitis und zu Leberschäden kommen (Rippen 1995). Die toxischen Wirkungen des PCP-Einsatzes sind zumindest zum Teil auf die starke Verunreinigung des technisch verwendeten PCP mit Dioxinen und Furanen zurückzuführen (Heinzow und Butte 1997). Eine endokrine Wirkung von PCP ist nicht bekannt (Smolka und Cameron 2002). Seit 1979 setzen die führenden deutschen Hersteller von Holzschutzmitteln kein PCP mehr in ihren Produkten ein, seit 1989 ist die Verwendung von PCP in Deutschland verboten. Durch die Verwendung von PCP in dauerhaften Baustoffen in Gebäuden ist PCP, wie auch Lindan und DDT, auch heute noch in z.t. hohen Konzentrationen in Hausstaub zu finden (Butte und Heinzow 2002, Heinzow und Butte 1997).

17 2 Grundlagen 7 Organophosphate: Chlorpyrifos Organophosphat-Insektizide werden seit Anfang der 30er Jahre des 20. Jahrhunderts synthetisiert und unter anderem in Innenräumen verwendet. Ein bekannter Vertreter ist der chemische Kampfstoff Sarin, der auch eine hohe akute Warmblütertoxizität besitzt (Sagunski und Perger 1994). Wie alle Organophosphate verursacht Chlorpyrifos eine Verminderung der Aktivität des Enzyms Acetylcholinesterase und anderer Enzyme (WHO und FAO 1999, EXTOXNET 1996a, Cox 1994). Als Folge wirkt Chlorpyrifos bei chronischer Exposition reversibel neurotoxisch mit unspezifischen Symptomen wie Kopfschmerzen und Übelkeit, bei höheren Dosen treten auch Muskelzuckungen und Krämpfe auf (WHO und FAO 1999, Cox 1994, Sagunski und Perger 1994). Fetale Schädigungen des Nervensystems, ein reduziertes Geburtsgewicht und eine geringere Überlebensrate belegen die reproduktionstoxische Wirkung von Chlorpyrifos, die schon bei geringen Konzentrationen auftritt (Landrigan et al. 1999, WHO und FAO 1999, Cox 1994). Eine genotoxische oder krebserregende Wirkung ist nicht bekannt (WHO und FAO 1999). Chlorpyrifos steht unter Verdacht, endokrin wirksam zu sein (Smolka und Cameron 2002, Dankwardt 1998). Carbamate: Propoxur Die seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts verwendeten Carbamate wirken vor allem als Insektizide, Fungizide, Herbizide und Nematozide. Sie werden unter anderem in der Landwirtschaft und in Innenräumen zur Schädlingsbekämpfung eingesetzt (Sagunski und Perger 1994) und kommen häufig im Hausstaub vor. Carbamate bewirken eine Reduzierung der Acetylcholinesterase-Aktivität und sind folglich neurotoxisch (Sagunski und Perger 1994, WHO und FAO 1989). Bei Personen, die chronisch mit dem Carbamat Propoxur exponiert waren, traten Haut- und Schleimhautirritationen, Übelkeit, Kopfschmerzen und Bluterbrechen auf (US-EPA 2000c, Sagunski und Perger 1994). Chronische Organschäden, wie sie bei Ratten und Hunden beobachtet werden, sind beim Menschen nicht beobachtet worden (Sagunski und Perger 1994). Zur Beurteilung der Entwicklungs- und Reproduktions-Toxikologie einschließlich einer eventuellen endokrinen Wirksamkeit und des Krebserregungspotentials von Propoxur liegen keine ausreichenden Informationen vor (Smolka und Cameron 2002, WHO und FAO 1989). Pyrethroide: Permethrin Extrakte aus Chrysanthemenblüten werden seit Jahrhunderten zur Bekämpfung von Insekten verwendet. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde die chemische Struktur des Wirkstoffs entdeckt. Somit wurde die Synthese strukturell ähnlicher Verbindungen möglich, die als Pyrethroide bezeichnet werden (Sagunski und Perger 1994). Pyrethroide, auch Permethrin, werden unter anderem als Insektizid gegen Stechmücken, Vorratsschädlinge und Zierpflanzenschädlinge im Innenraum sowie als Fraßschutz

18 2 Grundlagen 8 gegen Motten und bestimmte Käferlarven in Wollteppichen verwendet (Becker et al. 2006, BMBF und IVA 2001). Pyrethroide, wie z.b. Permethrin, führen bei Hautkontakt zu lokalen, reversiblen Parästhesien (Kribbeln bis Brennen der Haut). Unabhängig von der Art der Exposition kann es zu Reizungen der Schleimhäute und zu unspezifischen Symptomen kommen (BMBF und IVA 2001, Sagunski und Perger 1994). Nach Ausbringung von Pyrethroiden zur Schädlingsbekämpfung im Innenraum wurden toxische Effekte wie Hautreizungen bislang nur akut und nur beim stärker toxischen Deltamethrin, nicht aber bei Permethrin berichtet (BMBF und IVA 2001). Bei chronischer Exposition wurden weder neurotoxische Effekte noch Langzeitschäden wie z.b. Organschäden beobachtet (Berger-Preiß et al. 2002, BMBF und IVA 2001). Allerdings stuft die US-EPA Permethrin als potentiell krebserregend ein, und es konnte eine östrogene Wirkung von Permethrin nachgewiesen werden (Cox 1998, Dankwardt 1998). Ursache für die geringen toxischen Effekte der Permethrin-Anwendung ist unter anderem, dass Permethrin als schwerflüchtige Substanz selbst unmittelbar nach der Anwendung nur in sehr geringen Konzentrationen in der Raumluft vorhanden ist, sondern sich auf Oberflächen und im Hausstaub ansammelt (Berger-Preiß et al. 1997). Biozid-Synergisten: Piperonylbutoxid (PBO) PBO wird überwiegend als Wirkungsverstärker (Synergist) in Pyrethroid-Präparaten eingesetzt (Fuhrmann 2006, Perkow und Ploss 1996a, Sagunski und Perger 1994). Es wirkt als alternatives Substrat für das für die Entgiftung von Bioziden wichtige Cytochrom P450 und verlangsamt so den Metabolismus von Bioziden (WHO und FAO 1995). Es besitzt, einzeln angewendet, nur eine geringe insektizide Wirkung (Perkow und Ploss 1996a). Seine humantoxische Wirkung wird allgemein als vernachlässigbar betrachtet, denn auch bei akuter Exposition kommt es lediglich zu Übelkeit, Atemwegsirritationen und Diarrhö (WHO und FAO 1995). Seit 1995 wird PBO jedoch von der US-EPA als potentiell krebserzeugend eingestuft (Cox 2002). PBO steht im Verdacht, endokrin wirksam zu sein (Smolka und Cameron 2002). Polychlorierte Biphenyle (PCB) Die polychlorierten Biphenyle sind eine Verbindungsklasse mit 209 Vertretern, die als Kongenere bezeichnet werden (Ballschmiter und Zell 1980). Sie kommen nicht natürlich, sondern ausschließlich synthetisch vor. PCB wurden in großen Mengen u.a. als Isolationsflüssigkeit in Kondensatoren, Transformatoren und Leuchtstoffröhren sowie als Hydraulikflüssigkeit verwendet. Daneben sind sie in verschiedenen, auch in Privathaushalten verwendeten Produkten wie brandhemmenden Deckenplatten und als Weichmacher in Fugendichtungsmassen enthalten (Hassauer und Kalberlah 2000b). Nach Verzehr von mit PCB kontaminierter Nahrung kommt es beim Menschen zu verschiedenen toxischen Wirkungen an Haut, Augen und Nervensystem, außerdem kommt es zu Leberschädigungen, zu Störungen der Fortpflanzung und zu immuno-

19 2 Grundlagen 9 logischen Effekten (Hassauer und Kalberlah 2000b). PCB stehen unter Verdacht, eine endokrine Wirksamkeit zu besitzen (Gies et al. 2001, Greim 1998). Seit 1989 ist Herstellung, Verwendung und Handel von PCB in den OECD-Mitgliedsstaaten verboten, in Deutschland regelt dies die PCB-Verbotsverordnung (Bundesregierung 1989). Wegen ihrer Verwendung in zahlreichen dauerhaften Produkten, wie z.b. Dichtungsmassen in Gebäuden, und ihrer physikochemischen Eigenschaften sind mittelund schwerflüchtige PCB auch heute noch weit verbreitet im Hausstaub anzutreffen (Butte und Heinzow 2002). 2.3 Exposition der Normalbevölkerung mit Bioziden und PCB im Hausstaub Das Gefahrenpotential eines Schadstoffs für den Menschen hängt allgemein von seiner Toxizität und von der Art und dem Ausmaß der Exposition mit diesem Stoff ab. Bei der Betrachtung der Exposition mit Bioziden und PCB aus Hausstaub sind folgende Arten der Exposition, d.h. Expositionspfade, zu unterscheiden (Paustenbach 2000): 1. Digestive Exposition im Magen-Darm-Trakt (Folge: digestive Resorption): Essen von Staub, Ablutschen von Gegenständen wie z.b. Spielzeug und Aufnahme von Staubpartikeln, die Nahrungsmitteln anhaften. 2. Dermale Exposition durch die Haut (Folge: dermale, d.h. perkutane Absorption): Direkter Kontakt mit Staub und indirekter Kontakt mit anhaftendem Staub (z.b. durch eingestaubte Kleidung). 3. Inhalative Exposition in den Atemwegen und der Lunge (Folge: bronchiale und muköse Absorption): Inhalation von Schwebstaub, d.h. suspendiertem Staub, und resuspendiertem Staub (z.b. beim Staubsaugen). Als Besonderheit ist bei der inhalativen Exposition die mukoziliäre Clearance zu berücksichtigen, d.h. der Transport von inhalierten und an Schleimhäuten der Atemwege angelagerten Partikeln in die Speiseröhre (Hrudey et al. 1996). Dieser Selbstreinigungsmechanismus der Atemwege trägt zur digestiven Exposition bei, obwohl die Partikel über die Atemluft aufgenommen wurden. Exposition im Magen-Darm-Trakt: Quellen der digestiven Exposition mit Bioziden und PCB aus Hausstaub sind allgemein alle Hand-Mund-Kontakte, das Essen von Staub und das Ablutschen von Gegenständen wie z.b. Spielzeug (bei Kindern) sowie die Aufnahme von Staubpartikeln, die Nahrungsmitteln anhaften (bei Erwachsenen und Kindern) (Paustenbach 2000, Gurunathan et al. 1998, Lewis et al. 1994). Die von Kleinkindern über Hand-Mund- Kontakte aufgenommene Staubmenge ist durch die häufige Speichelbedeckung der

20 2 Grundlagen 10 Haut etwa 100-fach größer als bei trockenen Händen (Camann et al. 1996). Bei normalem Verhalten nehmen Kleinkinder im Sommer etwa 50 mg und im Winter, aufgrund des häufigeren Spielens in der Wohnung, ca. 100 mg Hausstaub pro Tag auf (Calabrese et al. 1989, Hawley 1985). Bei 6-jährigen Kindern wird, bedingt durch ihr verändertes Verhalten (seltenere Hand-Mund-Kontakte, aufrechter Gang statt Krabbeln auf dem Boden), ganzjährig eine tägliche Aufnahme von ca. 3 mg Hausstaub angenommen. Bei Erwachsenen sind es nur etwa 0,6 mg (Hawley 1985). Bei Arbeiten, die Staub aufwirbeln, sind allerdings auch bei Erwachsenen Aufnahmeraten von etwa 100 mg pro Tag möglich (Hawley 1985). Weitere Anhaltspunkte liefern zahlreiche Untersuchungen zur digestiven Exposition mit Boden. Die von Kindern unter 6 Jahren pro Tag oral aufgenommene Bodenmenge wird allgemein mit durchschnittlich mg angegeben (US-EPA 1997, Davis et al. 1990, van Wijnen et al. 1990, Calabrese et al. 1989, Clausing et al. 1987, Lepow et al. 1974). Zur Ableitung von Dioxinrichtwerten für die Bodensanierung wurde ein Zweistufenkonzept verwendet, nachdem Kinder vom ersten bis zum sechsten Lebensjahr bis zu 500 mg und bis zum siebten Lebensjahr bis zu 100 mg Boden pro Tag oral aufnehmen (Rotard 1991). Zur Ableitung der Prüfwerte der Bodenschutz- und Altlastenverordnung wurde eine Bodenaufnahme von 500 mg pro Tag angenommen (BBodSchV 1998). Erwachsene nehmen durchschnittlich etwa 50 mg Boden pro Tag auf (Stanek et al. 1997, US-EPA 1997, Calabrese et al. 1990). Bei Kindern mit Pica-Verhalten, die in großen Mengen nicht genießbare Gegenstände wie Hausstaub essen, kann die Hausstaub-Aufnahme deutlich größer sein (Lewis et al. 1994). Bei Pica-Verhalten wurden Boden-Aufnahmeraten von 5-60 g pro Tag ermittelt (Calabrese et al. 1997, Calabrese und Stanek 1992, Calabrese et al. 1991). Unter Berücksichtigung des Unterschiedes zwischen der normalen Ingestion von Boden und der normalen Ingestion von Hausstaub lässt sich per Analogieschluss eine Pica-bedingte Aufnahme von etwa 2-30 g Hausstaub pro Tag ableiten. Pica-Verhalten trat bei einer Studie mit 533 gesunden Kindern in den USA bei etwa 40 % der Kinder im Alter bis 6 Jahren zumindest monatlich, bei etwa 10 % der Kinder sogar täglich auf (Stanek et al. 1998). Der Anteil des durch die mukoziliäre Clearance aufgenommenen Hausstaubs oder Bodenmaterials wurde bislang nicht bestimmt. Er kann aufgrund der vorliegenden Daten zur inhalativen Exposition (siehe unten) auf etwa 1 mg Hausstaub pro Tag abgeschätzt werden. Exposition an der Haut: Die Exposition an der Haut kann als direkter Kontakt mit Hausstaub, z.b. beim Spielen auf dem Fußboden, und als indirekter Kontakt z.b. mit der Kleidung anhaftendem Staub stattfinden (Lewis et al. 1994). Der Transfer verschiedener organischer Pestizide von einer mit Hausstaub bedeckten Fläche auf die Hand einer Versuchsperson wurde in einem Versuch als % ermittelt (Edwards und Lioy 1999). Für diesen Transfer sind insbesondere die gut an der Haut, genauer im Schweiß-Oberflächenfilm auf der Haut, haftenden Partikel der Größe < μm relevant (Edwards und Lioy 2001,

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