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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-29581
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/2958/


Untersuchungen zum Verhalten inhalierter uranhaltiger Staubpartikel in Geweben von Bergarbeitern der SAG/SDAG Wismut

Investigations on the behaviour of inhaled uranium containing dust particles in tissues of SAG/SDAG Wismuts miners

Feuerborn, Joachim

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SWD-Schlagwörter: Spurenanalyse , Röntgenfluoreszenzspektroskopie , Röntgenabsorptionsspektroskopie , Synchrotronstrahlung , Uran , Staubbelastung , Arbeitsmedizin
Freie Schlagwörter (Deutsch): Röntgenmikrosonde mit Synchrotronstrahlung , interner Standard , Einzelelementfolien , Verteilungsmuster , Auslaugung
Freie Schlagwörter (Englisch): SR-µXRF , internal standard , single element foil , elemental distribution , dust particle
Basisklassifikation: 35.30 , 57.31 , 44.12
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Knöchel, Arndt (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.04.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 20.06.2006
Kurzfassung auf Deutsch: Bei der bergbaulichen Gewinnung von Uran sind verstärkt inhalationsbedingte Lungenschädigungen der Bergleute aufgetreten. Die Abschätzung des Gefährdungspotentials der diese auslösenden uranhaltigen Stäube erfolgt bisher mit Hilfe biokinetischer Modelle wie dem ICRP-Lungenmodell unter der Annahme einer homogenen Verteilung der Schadstoffe in den verschiedenen Organteilen sowie der Einteilung der Löslichkeit der enthaltenen Substanzen in drei Klassen.
Dieser Ansatz ignoriert, dass der Eintrag von Staubpartikeln zu einer inhomogenen Verteilung in der Lunge führt, und dass unterschiedliche spezifische Elementbindungsformen in den Stäuben zu einem komplexeren Stoffwechselverhalten führen. Deshalb wurde in dieser Arbeit die lokale Belastungssituation in Lungen- und anderen Geweben von Uranbergarbeitern ortsabhängig untersucht und das Löslichkeitsverhalten der in den Partikeln vorliegenden Uranspezies genauer charakterisiert.
Für die ortsbezogene Analyse von Gewebeproben wurde ein Verfahren auf Basis der Röntgenmikrosonde mit Synchrotronstrahlung entwickelt, das mit einer Auflösung von 14 µm eine nachweisstarke und exakte Quantifizierung von Spurenelementen in Gewebedünnschnitten ermöglicht. Zur Bestimmung der Elementflächenbelegungen wurden neuartige Germaniumfolien entwickelt, die sowohl als quasi-interner Standard als auch als Trägerfolien dienten. Die Folien wiesen eine sehr gute Homogenität, einen an die Elementgehalte in den Geweben angepassten Germaniumgehalt und eine hohe Reinheit auf. Anhand der Auswertung simulierter und realer Spektren zeigten sich die Genauigkeit und der große dynamische Bereich der Quantifizierung mittels dieser Germaniumfolien. Zur Verbesserung der Nachweisstärke der Röntgenmikrosonde - besonders für Uran - wurde eine Polykapillare in Verbindung mit monochromatischer Anregung eingesetzt, wodurch die Empfindlichkeit für viele Elemente in den Bereich von 1 fg/ng gesenkt und die Messzeit pro Pixel auf 180 s halbiert wurde.
Das entwickelte Verfahren wurde anschließend prototypisch zur ortsaufgelösten Bestimmung der Elementgehalte in verschiedenen Gewebeproben von Uranbergarbeitern der SDAG Wismut eingesetzt, die aus dem Archiv des ehemaligen Zentralen Pathologischen Instituts Stollberg bereitgestellt wurden. Die Ergebnisse zeigten eine sehr inhomogene Verteilung der Elemente mit unterschiedlichen Verteilungsmustern. Vor allem Lungen- und Lymphknotenproben zeigten hohe punktuelle Belastungen. Uran wurde im Vergleich zu anderen Elementen nicht nur seltener, sondern auch in geringeren Höchstkonzentrationen gefunden, als es die mineralogische Zusammensetzung erwarten lässt. Das Urandefizit deutet auf spezifische Mobilisierungsmechanismen hin, die zu einer Auslaugung aus den Partikeln und zu einer Verteilung des Urans im Gesamtorganismus führen.
Zur Aufklärung dieses Verhaltens wurden an verschiedenen Uranmineralen des Erzgebirges Löslichkeitsuntersuchungen durchgeführt. Die Minerale zeigten in lymphähnlicher Lösung ein sehr unterschiedliches Verhalten, wobei Pechblenden tendenziell langsamer als Uranylminerale ausgelaugt wurden. Durch die Modellierung des Auslaugungsverlaufs mittels eines dreistufigen Modells gemäß den ICRP-Löslichkeitsklassen wurden für die Minerale die verschiedenen Anteile unterschiedlicher Löslichkeit mit ihren jeweiligen Halbwertszeiten bestimmt. Eine Extrapolation bis zur 90%igen Auslaugung ergab Zeitspannen von wenigen Tagen bis zu knapp drei Jahren. In lysosomähnlicher Lösung konnten keine größeren Anteile gelösten Urans detektiert werden, da es zu Rückfällungen kam. Durch Röntgenabsorptionsuntersuchungen wurde das unterschiedliche Löslichkeitsverhalten der Minerale mit der jeweils vorliegenden Bindungsform korreliert, der Mechanismus der Uranmobilisierung aufgeklärt, der Umsetzungsgrad in lysosomähnlicher Flüssigkeit bestimmt sowie die entstandenen Fällungsprodukte weitgehend als Uranylphosphate charakterisiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass die mit den Staubpartikeln inhalierten Elemente sehr inhomogen verteilt in den Geweben vorliegen, und dass ihr mineralspezifisches Löslichkeitsverhalten zu sehr unterschiedlichen Verweilzeiten im Organismus führt. Damit liegt erstmalig eine detaillierte Datenbasis für das Verhalten inhalierter uranhaltiger Partikel vor, die zu einer Erweiterung der Modellparameter des ICRP-Lungenmodells genutzt werden kann, um das Gefährdungspotential realistischer abzuschätzen. Die Röntgenmikrosonde mit Synchrotronstrahlung stellt für derartige Untersuchungen die Methode der Wahl dar.
Kurzfassung auf Englisch: An increased number of pulmonary diseases has been recorded for uranium miners due to the inhalation of dust particles. Up to now, the estimation of the hazard of these dust particles containing uranium has been made by means of biokinetic models like the ICRP lung model, assuming a homogeneous distribution of the pollutants in the different compartments of the organs and classifying the solubility of the substances into three categories.
This approach disregards the inhomogeneous distribution of the inhaled dust particles in the lung, and the more complex metabolic behaviour due to the different specific element bondings in the dusts. Therefore, the local elemental burden in lung and other tissues of uranium miners was analysed on a microscopic scale, and the solubility behaviour of the uranium species in the particles was characterised more precisely.
For the spatially resolved analysis of tissue samples, an analytical method based on the X-ray microprobe with synchrotron radiation was developed, which provides a high sensitivity and an exact quantification of trace elements in tissue sections with a resolution of 14 µm. To quantify the elemental surface loadings, novel germanium foils were developed, which are used as quasi-internal standard as well as sample carrier. The foils feature a very good homogeneity, a germanium content adjusted to the element content in the tissues, and a high purity. The evaluation of simulated and real spectra showed the accuracy and the great dynamic range of the quanitification by these germanium foils. A polycapillary operating with monochromatic radiation was employed to improve the detection limits of the X-ray microprobe, especially for uranium, whereby the sensitivity for many elements could be decreased to a range of 1 fg/ng, and the sample time per pixel could be reduced by half to 180 s.
The developed method was applied prototypically for the spatially resolved determination of element contents in different tissue samples of uranium miners of the SDAG Wismut provided from the pathological archive in Stollberg. The results show a very inhomogeneous distribution of the elements with different distribution patterns. Particularly in lung and lymph nodes high concentrations were found. In comparison with other elements, uranium was not only found more rarely, but also in lower maxima concentrations than expected as to its mineralogical composition. This uranium deficit points to specific mobilisation mechanisms that lead to a leaching out of the particles and to a distribution of uranium in the whole organism.
Solubility studies of different uranium minerals from the Saxon Ore Mountains were carried out to clarify this behaviour. In lymphlike solution, the minerals showed a very different behaviour, whereat the leaching of pitchblendes tends to be slower than that of uranyl minerals. The varying fractions of the minerals with their different solubility and their respective half-lives were determined by means of the modelling of the leaching process by a three-stage model according to the ICRP solubility classes. An extrapolation up to a mobilisation of 90% showed periods from few days to three years. In lysosomelike solution, no considerable amounts of dissolved uranium could be detected due to precipitations. By means of X-ray absorption studies, the different solubility behaviour of the minerals was correlated with the respective bonding form, the mechanism of uranium mobilisation was revealed, the degree of conversion in lysosomelike fluid was determined, and the precipitates were characterised mainly as uranyl phosphates.
The results show that the elements inhaled with the dust particles are distributed very inhomogeneously in the tissues, and that the specific solubility behaviour of the minerals results in very different retention times in the organism. For the first time, a detailed data base for the behaviour of inhaled particles containing uranium was compiled, which now can be used to extend the parameters of the ICRP lung model to enable a more realistic evaluation of their health hazard. The X-ray microprobe with synchrotron radiation represents the method of choice for such studies.

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