Μελέτη του υδατοδιαλυτού κλάσματος των βαρέων μετάλλων και της συσχέτισής του με τη γονιδιοτοξικότητα των αναπνεύσιμων αιωρούμενων σωματιδίων του αέρα εσωτερικών χώρων

Abstract

Samples of Particulate matter ΡΜ2.5 (particles with aerodynamic diameter ≤2.5 μm) that were collected from indoor air of twenty workplaces in Alexandroupolis (Northeastern Greece) were extracted with water and three water soluble fractions resulted: the total water soluble fraction WSA (filtered through 0.45 μm), the dissolved fraction WSB (filtered through 0.22 μm) and the non-chelexed dissolved fraction WSC (filtered through Chelex-100 resin). The concentration of heavy metals Cu, Pb, Mn, Ni, Co, Zn, Cr and Cd were determined in all fractions using graphite furnace atomic absorption spectrometer. In addition, the genotoxicity of all water-soluble fractions was examined by the Sister Chromatid Exchange (SCE) induction assay applied in human peripheral lymphocytes from healthy volunteer donors. In particular, the SCE genotoxicity (SCEs/metaphase), the proliferation rate index (PRI) and the mitotic index (MI) were measured in all fractions. Particulate matter ΡΜ2.5 and water-soluble metal concentrations exhibited significant variance across the twenty workplaces, even among workplaces of similar type. ΡΜ2.5 concentrations ranged from 11.5 μg m-3 up to 276 μg m-3, whereas heavy metal concentrations in the total water soluble fraction WSA varied between 0.67± 2.52 ng m-3 for Co and 27.8±19.1 ng m-3 for Ni. The treatment of the water-soluble metal fractions with Chelex-100 chelating resin has as result the chelation of a significant part of the water-soluble heavy metals content, yielding the labile metal fraction WSB-WSC. The largest labile (chelexed) fractions (53-67% of the corresponding metal concentrations in the total water soluble fractions) were found for Cd, Mn, Cu and Ni, while the labile fractions of Pb, Cr, Co and Zn were relatively lower (34-42% of the corresponding metal concentrations in the total water soluble fractions). Based on the heavy metals concentrations in both the total water-soluble fraction WSA and the labile fraction WSB-WSC, which might represent a higher potential for bioaccessibility than the total water-soluble fraction, the cancer and non-cancer risks due to inhalation of the PM2.5-bound metals were calculated. The total non-carcinogenic risk (ΣΤHQ), calculated from Mn, Cd, Ni and Cr (VI), exceeded the acceptable limit of 1.0 in all workplaces for the total water-soluble metal fractions, and in most workplaces for the labile metal fractions. The total carcinogenic risk (ΣΤR), calculated from Ni, Pb, Cd, and Cr(VI), was lower than the carcinogenic benchmark level of 1x10-6 in all workplaces for both fractions. As far as the genotoxicity of the water-soluble fractions of PM2.5 is concerned, the results showed statistically significant genotoxicity in all water-soluble fractions in relation to the control, following the order WSA> WSB > WSC. The genotoxicity of the water-soluble PM2.5 was calculated (a) as mass-normalized genotoxicity (SCEs/mg PM2.5) and (b) as air volume-normalized genotoxicity (SCEs/m3 air). In both cases, a significant correlation between genotixicty and the concentration of the metals Zn and Pb was found.

Δείγματα αιωρούμενων σωματιδίων ΡΜ2.5 (σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο ≤2.5 μm) που συλλέχθηκαν από τον εσωτερικό αέρα 20 επαγγελματικών χώρων στην περιοχή της Αλεξανδρούπολης, υποβλήθηκαν σε υδατική εκχύλιση από την οποία προέκυψαν τρία διαδοχικά υδατοδιαλυτά κλάσματα: το αρχικό υδατοδιαλυτό κλάσμα διηθημένο από μεμβράνη πόρων <0,45μm (WSA), το υδατοδιαλυτό κλάσμα διηθημένο από μεμβράνη πόρων <0,22 μm (WSΒ) και το υδατοδιαλυτό κλάσμα μετά από συμπλοκοποίηση με ρητίνη Chelex (WSC). Στα τρία υδατοδιαλυτά κλάσματα προσδιορίστηκαν τα βαρέα μέταλλα Cu, Pb, Mn, Ni, Co, Zn, Cr και Cd με φασματοφωτομετρία ατομικής απορρόφησης και τεχνική φούρνου γραφίτη. Παράλληλα, έγινε προσδιορισμός της γονοτοξικότητας των υδατικών εκχυλισμάτων, εφαρμόζοντας τη μέθοδο των χρωματιδιακών ανταλλαγών (Sister Chromatid Exchanges, SCEs), η οποία εφαρμόστηκε σε ανθρώπινα λεμφοκύτταρα υγιών εθελοντών δοτών. Οι τρεις δείκτες που υπολογίστηκαν για κάθε εκχύλισμα είναι ο δείκτης SCEs/μετάφαση, ο Δείκτης Ρυθμού Πολλαπλασιασμού (ΔΡΠ) και ο Μιτωτικός Δείκτης (ΜΔ). Οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων PM2.5 και οι συγκεντρώσεις των υδατοδιαλυτών βαρέων μετάλλων παρουσίασαν σημαντική διακύμανση μεταξύ των 20 εργασιακών χώρων, ακόμα και μεταξύ χώρων του ίδιου τύπου. Οι συγκεντρώσεις των PM2.5 κυμάνθηκαν από 11,5 μg m-3 μέχρι 276 μg m-3, ενώ οι συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων στο αρχικό υδατοδιαλυτό κλάσμα κυμάνθηκαν από 0,67± 2,52 ng m-3 για το Co μέχρι 27,8±19,1 ng m-3 για το Ni.Η επεξεργασία με τη ρητίνη Chelex οδήγησε στη συμπλοκοποίηση και κατακράτηση σημαντικού μέρους του μεταλλικού περιεχομένου του αρχικού υδατοδιαλυτού κλάσματος. Τα μεγαλύτερα ποσοστά (53-67% των αντίστοιχων συγκεντρώσεων των μετάλλων στο αρχικό υδατοδιαλυτό κλάσμα) παρατηρήθηκαν για τα μέταλλα Cd, Mn, Cu και Ni, ενώ για τα μέταλλα Pb, Cr, Co και Zn τα ποσοστά αυτά βρέθηκαν χαμηλότερα (34-42% των αντίστοιχων συγκεντρώσεων των μετάλλων στο αρχικό υδατοδιαλυτό κλάσμα). Με βάση τις συγκεντρώσεις των υδατοδιαλυτών βαρέων μετάλλων στο αρχικό υδατοδιαλυτό κλάσμα WSA και στο συμπλοκοποιημένο κλάσμα WSB-WSC, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ότι εκφράζει το βιοπροσβάσιμο κλάσμα των βαρέων μετάλλων, έγινε εκτίμηση του κινδύνου για την υγεία λόγω εισπνοής ΡΜ2.5 με τον υπολογισμό δύο δεικτών κινδύνου: του κινδύνου μη-καρκινογένεσης και του κινδύνου καρκινογένεσης. Ο συνολικός δείκτης κινδύνου μη-καρκινογένεσης (ΣΤHQ), υπολογιζόμενος για τα μέταλλα Mn, Cd, Ni και Cr (VI), βρέθηκε να υπερβαίνει το αποδεκτό όριο του 1,0 σε όλους τους εργασιακούς χώρους για το αρχικό υδατοδιαλυτό κλάσμα και στους περισσότερους χώρους για το βιοπροσβάσιμο κλάσμα. Ο συνολικός δείκτης κινδύνου καρκινογένεσης (ΣΤR), υπολογιζόμενος για τα μέταλλα Ni, Cd, Pb και Cr (VI), βρέθηκε μικρότερος του επιπέδου αναφοράς 1x10-6 και για τα δύο κλάσματα σε όλους τους χώρους. Σε ό,τι αφορά στην γονοτοξικότητα των υδατικών εκχυλισμάτων των σωματιδίων ΡΜ2.5, τα αποτελέσματα έδειξαν στατιστικά σημαντική γονοτοξικότητα σε όλα τα υδατοδιαλυτά κλάσματα σε σχέση με το control, που ακολουθεί τη σειρά: WSA>WSΒ>WSC. Η γονοτοξικότητα των υδατοδιαλυτών PM2.5 υπολογίσθηκε (α) ως γονοτοξικότητα κανονικοποιημένη ως προς τη μάζα των σωματιδίων (SCEs/mg PM2.5) και (β) γονοτοξικότητα κανονικοποιημένη ως προς τον όγκο του αέρα (SCEs/m3 air). Και στις δύο περιπτώσεις, η γονοτοξικότητα βρέθηκε να εξαρτάται σημαντικά από τις συγκεντρώσεις των μετάλλων Zn και Pb.