Gas-Partikel-Mischungen am Arbeitsplatz: Entwicklung von neuartigen personengetragenen Probenahmesammlern und Untersuchung der unterschiedlichen Toxizität von Gasen und Partikeln (G-P Tox)

Status:

abgeschlossen 08/2022

Zielsetzung:

Halbflüchtige organische Verbindungen semi-volatile organic compounds (SVOC) belasten häufig die Atemluft in Innenräumen und speziell am Arbeitsplatz (Cao, 2022). Ziel dieses Projektes war, das Verhalten dieser Aerosole und ihre toxikologische Wirkung auf Zellsysteme zu untersuchen. SVOCs können gleichzeitig in Gas- und Partikelphase vorliegen. Lufttemperatur, Luftdruck und Dampfdruck bestimmen zusammen mit anderen Faktoren, wie chemischer Zusammensetzung und Partikelgröße, die Aufteilung der luftgetragenen SVOC-Masse in Gas- und Partikelphase (GPP). GPP führt auch zu Problemen bei der Probenahme am Arbeitsplatz, da sich die Luft- und Partialdruckverhältnisse während der Probenahme rasch ändern können. Auch für die toxikologische Bewertung von SVOCs spielt GPP eine entscheidende Rolle, da sich die Exposition mit der Gasphase erheblich von der Exposition mit der Partikelphase unterscheidet.

Im vorliegenden Projekt wurde versucht, die üblicherweise verwendeten und am Körper getragenen Probenahmegeräte zu verbessern. Ein weiteres Ziel war, die gesundheitlichen Auswirkungen von SVOCs mit Hilfe eines geeigneten "in vitro Air-Liquid Interface" (ALI)-Expositionssystems für humane Zellen in GPP zu untersuchen.

Aktivitäten/Methoden:

Alkane verschiedener Kettenlänge und der zyklische Kohlenwasserstoff Dibutylphthalat (DBP) wurden als Modellsubstanzen verwendet. Ein Kondensations-Aerosolgenerator (SLG 270, Topas GmbH) erzeugte aus verdampfter Flüssigkeit die Partikel für die Experimente. Ein neuer Gas-Adsorber auf Holzkohle-Basis ("Denuder") wurde charakterisiert und auf seine Gasadsorptionskapazität sowie Partikeltransmissionseffizienz getestet; der in den vorangegangenen Projekten im "personal sampler" GGP (Gesamtstaub-Gas-Probenahmesystem, DGUV-IFA) verwendete Denudertyp ist auf dem Markt nicht mehr erhältlich.

Um die toxikologische Wirkung von SVOCs zu untersuchen, wurde ein ALI-Zellexpositionssystem aufgebaut und getestet. Ein Kühlschrank wurde modifiziert, mit Wasserbad und Belüftungssystem zur Klein-Klimakammer umgebaut. Diese Klein-Klimakammer ermöglicht die Zellexposition exakt und langzeitstabil bei Körpertemperatur (37 °C). Einem Expositionsmodul der Firma VITROCELL® ist ein neues Befeuchtungssystem vorgeschaltet: Es besteht aus einem Dialysemembran-Schlauch für den Aerosolfluss in einem wasserbespülten Glasrohr und ermöglicht, das Aerosol auf mehr als 90 % zu befeuchten. Zusätzlich ist das Vitrocell-Modul an ein Wasserbad angeschlossen, welches die Zellen auf 37±0.5 °C hält. Aus Gründen der Laborsicherheit sind alle Ausgänge der Klein-Klimakammer mit Filtern und Kohlenstoffabscheidern ausgestattet und mit einem Abzug verbunden. Dadurch ist – im Gegensatz zum originalen VITROCELL® ALI-System – ein ungefährlicher Betrieb auch mit toxischen Aerosol-Substanzen gesichert. Das Aerosol-Leitsystem ist zudem einfacher und mit kurzen Schlauchverbindungen aufgebaut, um den Transportverlust von Partikeln während der Exposition zu minimieren. Dadurch kann auch die deponierte Dosis anhand eines eigens entwickelten Rechenmodells präziser abgeschätzt werden. Die Modell-Ergebnisse wurden mit Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie-Messungen (LC-MS) verglichen.

Um im Aerosolstrom die Gas- von der Partikelphase zu trennen, wurden sowohl Denuder als auch Filter eingesetzt. Die neuen Holzkohle-Denuder wurden in Größe und Form in die Zuluftführung des Expositionsmoduls eingepasst und so nah wie möglich an den Zellen platziert (d. h. innerhalb der "Trompete" direkt über den Zellen). Die Gasphase wird vom Denuder adsorbiert, sodass nur noch mit der Partikelphase exponiert wird. In einer anderen Expositionskonfiguration wurde an gleicher Stelle ein Glasfaserfilter eingesetzt, um die Partikelphase aufzufangen und nur mit Gasphase zu exponieren. Insgesamt wurden fünf verschiedene Expositions-Konfigurationen etabliert: Reinluft, Partikelfilter, Gasphasendenuder, Filter + Denuder und weder Filter noch Denuder. Dies entsprach jeweils dem Protokoll: Reinluft, Gasphase allein, Partikelphase allein, Residual (kein Aerosol) und gesamtes Aerosol. Für alle Zellexperimente wurde Dibutylphthalat (DBP, CAS 84-74-2, C16H22O4) als repräsentative SVOC-Verbindung verwendet.

Ergebnisse:

Der neue Holzkohle-Denuder zeigt eine hohe Gasadsorptionskapazität auch für flüchtigere Verbindungen wie Toluol. Der Durchbruch von Toluol war sehr gering (weniger als 2 % selbst nach 24 Stunden). Die Partikeltransmissionseffizienz wurde für kleine Partikel mit Ruß und für größere Partikel mit Hexadekan-Tröpfchen getestet. Diffusionsverluste reduzierten die Transmission für kleine Partikel (< 100 nm) bei geringen Durchflussraten. Für große Partikel (> 1 µm) spielt die Diffusion keine Rolle. Dennoch nahm die Transmissionseffizienz mit zunehmender Partikelgröße und steigender Flußrate ab. Impaktion von großen Partikeln an der Denuder-Stirnseite wird bei hohen Flußgeschwindigkeiten als Hauptgrund vermutet.

Reinluft-Experimente zur Zellviabilität zeigten, dass das neue Expositionssystem über die bisherigen zwei und vier Stunden hinaus sogar für Expositionen bis zu 24 Stunden geeignet ist. Während die Ergebnisse der ersten Studie zeigten, dass DBP in arbeitsplatzrelevanten Konzentrationen DNA-Schäden und chromosomale Aberrationen in A549 Lungenzellen am ALI induziert, konnte mit Hilfe des neu entwickelten ALI-Expositionssystem ein Unterschied in der induzierten Gentoxizität von Gas- und Partikelphase ermittelt werden, wobei oxidative DNA-Schäden vornehmlich durch einen partikelinduzierten Effekt entstanden.

Die berechnete deponierte Dosis für DBP-Partikel stimmte gut mit der gemessenen deponierten Dosis unter Verwendung des Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS)-Systems überein. Modellrechnungen für DBP-Tröpfchen von 1 - 10 µm Durchmesser zeigen eine "Lebensdauer" zwischen 70 s und 1000 s. Dies ist lange genug, damit Experimente mit Denudern (mit und ohne Umgebungsdampfdruck) verlässlich durchgeführt werden können. Modellrechnungen zur deponierten Dosis im menschlichen Atemtrakt zeigen, dass für die verwendeten Mikrometer-Partikel eine vergleichbare Dosis zwischen ALI-Experiment und menschlicher Lunge erzielt werden kann. Somit können die ALI-Experimente als "gesundheitsrelevant" eingestuft werden.

Schlussfolgerungen: Bei den personengetragenen GGP-Sammlern können die neuen Holzkohle-Denuder als Ersatz für die (nicht mehr lieferbaren) alten verwendet werden. Allerdings sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die neuen Holzkohle-Denuder mit verschiedenen chemischen Verbindungen und im praktischen Einsatz am Arbeitsplatz zu testen. Die Denuder eigneten sich auch gut für die Adsorption der Gasphase während der Zellexpositionsexperimente, da hier der Aerosolfluss sehr gering ist (≤ 100 ml/min). Das neue Zellexpositionssystem ist für alle Modellaerosole (inklusive toxischer Stoffe), sowie für eine verlängerte Expositionsdauer (bis zu 24 Stunden) gut geeignet. Das vereinfachte Schlauchsystem ermöglicht eine genauere Dosisabschätzung als bei herkömmlichen Zellexpositionssystemen. Verschiedene System-Konfigurationen ermöglichen die getrennte Untersuchung mit SVOC GPP, was bei anderen Expositionssystemen schwierig zu bewerkstelligen ist. In dieser Studie wurde DBP als Modellsubstanz verwendet. Weitere toxikologische Untersuchungen mit anderen flüchtigen Verbindungen werden empfohlen.

Stand: