Gesundheitsrelevante Stoffinhalte in Gesteinen. Beispiele aus der Vorlesung zum Modul Medical Geology Medizinische Geologie

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1 Gesundheitsrelevante Stoffinhalte in Gesteinen Prof. Dr. Lothar Viereck-Goette Institut für Geowissenschaften Friedrich-Schiller-Universität Jena Prof. Dr. med. Rainer Schiele Institut für Arbeits-, Sozial-, Umweltmedizin und hygiene Friedrich-Schiller-Universität Jena Beispiele aus der Vorlesung zum Modul Medical Geology Medizinische Geologie

2 Medical Geology - Medizinische Geologie Lehrveranstaltung (V/S/Ex) Masterstudiengang Geowissenschaften IGW FSU Jena WS 2011 Do. 10ct Prof. R. Schiele Institut für Arbeits-, Sozial-, Umweltmedizin und -hygiene Prof. L. Viereck-Goette Institut für Geowissenschaften

3 Vorlesungsplan

4 Die Vorlesung Medizinische Geologie befasst sich mit der chemisch- oder mineralogisch-analytischen Erfassung und kartographischen Darstellung von geologisch bedingt erniedrigten oder erhöhten Konzentrationen an mineralischen oder chemischen Inhaltsstoffen mit Schädigungspotential, z. B. Schwermetalle, Fasern und Gase, in Gesteinen, Böden, Pflanzen, Wasser und Luft.

5 Können die Inhaltsstoff von Gesteinen gesundheitsrelevant sein? Überwiegend nicht! Die Inhaltsstoffe müssen sein: - unter geogenen Bedingungen löslich - bioverfügbar für Menschen - reaktiv mit biologischen Strukturen - essentiell und/oder toxisch / allergene / kanzerogen

6 Können die Inhaltsstoff von Gesteinen gesundheitsrelevant sein? Nur wenn der Transfer zum Menschen vermittelt wird durch - Wasser / Getränke - Nahrungsmittel (Pflanzen, Tierprodukte) - Luft (Inhalation von Staub oder Gasen) - Hautexposition

7 Beispiele für die Interaktion zwischen Lithosphäre and Antroposphäre 1. Mangel an essentiellen Elementen in Wasser oder Nahrung 2. Überschuß essentieller oder toxischer bzw. kanzerogener Elemente in Wasser, Nahrung oder Luft 3. Inhalation toxischer bzw. kanzerogener Gase oder Elemente 4. Inhalation fibrogener oder kanzerogener Stäube

8 Mengen- und Spurenelemente im Periodensystem H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac * * Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu * * Die vier organischen Grundelemente* Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Mengenelemente essentielle Spurenelemente wahrscheinlich essentielle Spurenelemente * Basis von Kohlehydraten, Fetten, Eiweiß, Nukleinsäuren, Hormonen und Vitaminen

9 Bestandteile des Menschen Wasser (H 2 0): ca. 65%; Bedarf ca. 2,5 Liter pro Tag Organische Grundelemente: C, H, N, O (als organ. Vbdg.) Mengenelemente (Konz. > 50mg/kg, Bedarf mg/tag): Nichtmetalle: Cl, P, S (als Anionen u. organische Vbdg.) Metalle: Na, K, Ca, Mg (als Kationen) Spurenelemente (Konz. < 50mg/kg, Bedarf mg bzw. µg/tag): Nichtmetalle: F, J Metalle: Co, Fe, Cr, Cu, Ni, Mn, Mo, Se, Si, V, Zn Nicht-essentielle, u. U. toxische Spurenelemente: Al, As, B, Be, Cd, Hg, Pb, Sn, W, Zr

10 Konzentrationen der ausgewählter Spurenelemente im menschlichen Körper (in Massenanteilen mg/kg) Erdkruste 950 1, ,05

11 Beispiele für Unterversorgung 1. Mangel essentieller Elemente in Wasser und/oder Nahrung Beispiele: - Jod: Schilddrüsenunterfunktion (Kropf), erhöhtes Herzinfarkt-Risiko etc - Fluor: Zahnkaries, (Wirbel-)knochenerweichung - Zink: Wachstumsstörungen, Leistungsminderung, Abwehrschwäche, Allergieneigung etc - Selen: Minderwuchs, Krebs (?)

12 Geographische Verteilung von Jodmangelgebieten Alpentäler Quelle: Selinus?

13 Kariesbefall Zahnfleckung Karies und Zahnfleckung in Abhängigkeit von Trinkwasser-Fluoridierung 10 4 Schwer 8 3 mittel 6 2 mäßig 4 1 wenig Mottled teeth 2 0 0,1 1,0 10,0 (mg/l) F - -Konzentration im Trinkwasser

14 Beispiele für die geographische Verbreitung von Unterversorgungen an essentiellen Spurenelementen Element Regionen Cu Zn Se Mo Mn Fe B Co - saure Böden, Ost-USA, Florida, Wiconsin - in der Hälfte der Böden der Erde - Gebirgsgürtel Ostasien, Teile Afrikas und der USA - saure Böden Ost-, Nord- und Westküste USA - humide, organik-reiche Böden der Ost USA - nur in Wüstenregionen - USA, insb. in neutralen bis alkalischen Böden - südliche Atlantikküste USA, in Teilen Australiens Berlin

15 Zink (< 15 >200 mg/d) Vorkommen: Fleisch/Leber, Getreide, Tee Funktion: Bestandteil vieler Enzyme Minderung der Kupferresorption Mangelerscheinungen (<15 mg/d): gesichert: Acrodermatitis enteropathica (vererbte Resorptionsstörung) wahrsch.: Wachstums- und Leistungsminderung, Abwehrschwäche, Allergieneigung möglich: Zunahme von Diabetes Typ I Vergiftungserscheinungen (>200 mg/d): Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Zink-Gießfieber

16 Beispiele für die geographische Verbreitung von Unterversorgungen an essentiellen Spurenelementen Element Regionen Cu Zn Se Mo Mn Fe B Co - saure Böden, Ost-USA, Florida, Wiconsin - in der Hälfte der Böden der Erde - Gebirgsgürtel Ostasien, Teile Afrikas und der USA - saure Böden Ost-, Nord- und Westküste USA - humide, organik-reiche Böden der Ost USA - nur in Wüstenregionen - USA, insb. in neutralen bis alkalischen Böden - südliche Atlantikküste USA, in Teilen Australiens Berlin

17 Selen (< >200 µg/pro Tag) Vorkommen: Fleisch, Fisch, Eier, Knoblauch Funktion: Bestandteil d. Glutathionperoxidase (Abbau von Peroxiden und freien Radikalen), Aktivierung von Schilddrüsenhormon, Bindung/Entgiftung von Quecksilber Mangelgebiete: Sibirien, Mongolei, Tibet, Mandschurei (Nord-Ost-China), Nordkorea

18 Selen (< >200 µg/pro Tag) Vorkommen: Fleisch, Fisch, Eier, Knoblauch Funktion: Bestandteil d. Glutathionperoxidase (Abbau von Peroxiden und freien Radikalen), Aktivierung von Schilddrüsenhormon, Bindung/Entgiftung von Quecksilber Mangelgebiete: Sibirien, Mongolei, Tibet, Mandschurei (Nord-Ost-China), Nordkorea Mangelerscheinungen (< 10 µg/d): gesichert: Keshan-Krankheit (juvenile Kardiomyopathie - Herzmuskelschwäche), Rhabdomyopathie (Muskelzerfall bei Rindern); Weißmuskelkrankheit wahrscheinlich beteiligt: Kaschin-Beck-Krankheit des Menschen (nutritive Gelenkknorpeldegeneration): Deformierung, Minderwuchs ca. 3 Mill. Betr.

19 Selen (< >200 µg/pro Tag) Vorkommen: Fleisch, Fisch, Eier, Knoblauch Funktion: Bestandteil d. Glutathionperoxidase (Abbau von Peroxiden und freien Radikalen), Aktivierung von Schilddrüsenhormon, Bindung/Entgiftung von Quecksilber Mangelgebiete: Sibirien, Mongolei, Tibet, Mandschurei (Nord-Ost-China), Nordkorea Mangelerscheinungen (< 10 µg/d): gesichert: Keshan-Krankheit (juvenile Kardiomyopathie - Herzmuskelschwäche), Rhabdomyopathie (Muskelzerfall bei Rindern); Weißmuskelkrankheit wahrscheinlich beteiligt: Kaschin-Beck-Krankheit des Menschen (nutritive Gelenkknorpeldegeneration): Deformierung, Minderwuchs ca. 3 Mill. Betr. Überschussgebiete (> 200 µg/d): Great Plains (USA) Vergiftungserscheinungen/Schäden (>400 µg/d bzw. über 50 mg/kg im Futter): gesichert: Leberschäden-/-zirrhose, Haarausfall, Herzschwäche, Nervenschäden vermutet: z. B. Prostata-Krebs, Zucker (Diabetes mellitus Typ 2)

20 Beispiele für die Interaktion von Lithosphäre und Anthroposphäre 2. Überschuss essentieller und/oder toxischer bzw. kanzerogener Elemente in Wasser, Nahrung oder Luft Beispiele: - Selen: Leber- & Nervenschäden, Krebs (?) - Fluor: Zahnfleckung, Knochenfluorose (Eruption Laki 1783) - Blei: Blutarmut & Nervenschäden - Cadmium: Nierenerkrankungen, div. Krebs - Arsen: Hautveränderungen, insb. Hautkrebs

21 Erhöhte Fluor(id)-Vorkommen im Grundwasser

22 , 13 Uhr The ash plume of southwestern Iceland's Eyjafjallajokull volcano streams southwards over the Northern Atlantic Ocean in a satellite photograph made April 17, (REUTERS/NERC Satellite Receiving Station, Dundee University, Scotland) The volcano in southern Iceland's Eyjafjallajokull glacier sends ash into the air just prior to sunset ON Friday, April 16, (AP Photo/Brynjar Gauti) Farmers team up to rescue cattle from exposure to the toxic volcanic ash at a farm in Nupur, Iceland, as the volcano in southern Iceland's Eyjafjallajokull glacier sends ash into the air Saturday, April 17, (AP Photo/Brynjar Gauti)

23 Mengen- und Spurenelemente im Periodensystem u. evtl. Toxine H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac * * Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu * * Die vier organischen Grundelemente Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Mengenelemente essentielle Spurenelemente wahrscheinlich essentielle Spurenelemente Nichtessentielle, u. U. toxische Spurenelemente

24 Mengen- und Spurenelemente im Periodensystem u. evtl. Toxine H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac * * Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy H o Er Tm Yb Lu * * Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf E s Fm Md No Lr Die vier organischen Grundelemente Mengenelemente essentielle Spurenelemente Nichtessentielle, u. U. toxische wahrscheinlich essentielle Spurenelemente Spurenelemente

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26 Toxikologische Faustregel Essentielle (lebensnotwendige) Stoffe sind selbst bei erheblicher Überdosierung für den menschlichen Organismus meist weniger toxisch (giftig, schädlich) als nicht-essentielle Stoffe (ohne notwendige Funktion)

27 Beispiele für die Interaktion von Lithosphäre und Anthroposphäre 2. Überschuss essentieller und/oder toxischer bzw. kanzerogener Elemente in Wasser, Nahrung oder Luft Beispiele: - Selen: Leber- & Nervenschäden, Krebs (?) - Fluor: Zahnfleckung, Knochenfluorose (Eruption Laki 1783) - Blei: Blutarmut & Nervenschäden - Cadmium: Nierenerkrankungen, div. Krebs - Arsen: Hautveränderungen, insb. Hautkrebs

28 Beispiele für Interaktion von Lithosphäre und Antroposphäre 3. Inhalation von toxischen bzw. kanzerogenen Gasen Beispiele - CO 2 : verdrängt Sauerstoffgehalt in Luft (0 2 ) - H 2 S: blockiert Zellatmung - Radon-Ausgasung: verursacht Bronchialkrebs

29 Nass- und Trockenmofetten am Laacher See

30 4. Inhalation faseriger bzw. kanzerogener Stäube Beispiele: Beispiele für Interaktion der Lithosphäre und Antroposphäre - einige kristalline Stäube, insb. Quarzstaub, können Lungenfibrose und Lungenkrebs auslösen - einige faserige Stäube, insb. Asbest, können Lungenfibrose, Lungenkrebs und Mesotheliome auslösen - Erionit-Staub löst Mesotheliome (Bauchfellkrebs) aus

31 Hohe Mesotheliom Mortalität durch Faserzeolith Erionit in Kappadokien See-Sedimente Kristallines Grundgebirge Paleo-Böden Ignimbrite (massige Tuffe)

32 Zusammenfassende Botschaft 1. Nahrungsbedingte Mangelerscheinungen sind (nicht nur) in Deutschland wesentlich relevanter als geogen bedingte Vergiftungs-probleme. 2. Hauptprobleme sind J- und F-Mangel (Pfad Trinkwasser relevant); die Zugabe erfolgt über Salze, da in BRD Zugabe zu Trinkwasser nicht erlaubt ist. 3. Verstärkung anderer Mangelerscheinungen (Zn- und Se-) droht aufgrund spurenelement-verarmter Nahrungsmittelproduktion sowie bei einseitiger Ernährung, Prof. Schiele: aber... der Mensch hält viel aus

33 ... vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit