Arzén geokémia és az emberi egészség Délkelet-Ázsiában

Kathleen M. McCarty

1 Környezet-egészségtudományi osztály, Járványügyi és Közegészségügyi Tanszék, Yale Egyetem Orvostudományi Kar, New Haven, CT, USA

Hoang Thi Hanh

2 Környezettudományi és Mérnöki Iskola, Gwangju Tudományos és Technológiai Intézet, Gwangju, Korea

Kyoung-Woong Kim

2 Környezettudományi és Mérnöki Iskola, Gwangju Tudományos és Technológiai Intézet, Gwangju, Korea

3 Nemzetközi Környezetvédelmi Kutatóközpont, Gwangju Tudományos és Technológiai Intézet, Gwangju, Korea

Absztrakt

Az arzén természetesen számos környezeti komponensben előfordul, és számos expozíciós útvonalon keresztül jut be az emberi testbe. Az arzén természetes dúsulása jelentős talaj-, víz- és levegőszennyezést okozhat. A talajvízben lévő arzén több százszor meghaladhatja az ivóvízhez ajánlott koncentrációt. Az ilyen expozíciós szintek komoly potenciális egészségügyi kockázatot jelentenek a nyers talajvizet fogyasztó egyének számára. A környezetre kiható emberi tevékenységek növelhetik a szervetlen arzén eloszlását. Az elhagyott bányák nagy aggodalomra adnak okot a bányák vízelvezetésében és a zagyakban kimutatott rendkívül magas arzénkoncentrációk miatt. A diéta, az ivóvíz, a levegő, a talaj és a munkahelyi expozíció mind szervetlen arzénforrás az ember számára. Az arzén és a reagensek környezetbe történő kibocsátását megkönnyítő interdiszciplináris erőfeszítések fontosak az emberi egészségre vonatkozó vizsgálatok szempontjából. Többdiszciplináris erőfeszítésekre van szükség az étrend, a fertőző betegségek, a genetika és az egyes régiókban egyedülálló kulturális gyakorlatok tanulmányozásához, hogy jobban megértsük az emberi egészséget érintő kockázatokat és megtervezzük a közegészségügyi beavatkozásokat.

Bevezetés

Az arzén kéregbőségében az 52. helyet foglalja el, átlagos kéregkoncentrációja 1,8 mg/kg (1). Történelmileg az arzént nem alapvető elemként ismerték, amelyet mérgként lehet használni (2). 1962-ben az arzén mint méreg hatása a szervetlen arzén expozíció hosszú távú egészségügyi hatásaira helyezkedett át, amikor a tajvani Chen és Wu felfedezte a fekete lábfej betegségét (3). Tseng és mtsai. (4) összefüggést talált az ivóvíz magas szintű arzénszintjének hosszú távú kitettsége és a jellegzetes betegségtünetek között, ideértve a bőrelváltozásokat, a bőrrákot és a feketelábú betegséget. Az arzénmérgezés okozta kamrai fibrillációról St Petery et al. (5) Tseng szerint a krónikus arzénizmus számos endemikus területéről számoltak be Lengyelország, Argentína és Chile vonatkozásában (6). Az ivóvízben a megnövekedett szervetlen arzén-expozíció tudatossága világszerte nőtt, és továbbra is új esetekről számolnak be. Az 1990-es évek eleje óta számos tanulmány készült a szervetlen arzén expozíció és az emberi egészségre gyakorolt hatások tanulmányozására.

A szervetlen arzénszennyezés drámai hatással volt a talaj és a talajvíz szennyezésére a világ számos régiójában. Bangladeset és Nyugat-Bengált (India) azonosították a talajvíz arzénszennyezettségének leginkább érintettjei a szennyezettség által érintett lakosság nagysága és a fokozott expozíció mértéke (7–12) tekintetében. A közelmúltban számos tanulmány a kambodzsai és vietnami Mekong folyó medencéjében feltárta a bangladesi (13–29).

A korábbi egészségügyi hatásvizsgálatok rámutattak a Dél-Kelet-Ázsia (SEAR) országai közötti ágazatok közötti együttműködés erős lehetőségeire, de kiemelték a fokozott együttműködés, gyakorlat és politika szükségességét a régió környezeti egészségügyi kérdéseiben. A csendes-óceáni medence konzorcium a közelmúltban a környezetvédelemre és az egészségre összpontosító találkozót szervezett 13. nemzetközi konferenciáján, Perthben, Ausztráliában. Ebben egy külön ülést tartottak a szervetlen arzén geokémia és az emberi egészség témakörével. Ennek a találkozónak az volt a fontos eredménye, hogy értékelje az arzén-geokémia és az emberi egészség jelenlegi kutatásait, összehozza a tudósokat a jövőbeni együttműködés érdekében, és meghatározza a jövőbeni kutatás kulcsfontosságú területeit a régióban. A jelenlegi helyzet tisztázása érdekében elengedhetetlen, hogy a kutatók jobban megértsék az arzén és más együttes expozíciós tényezők (nehézfémek, táplálkozás és fertőző ágensek) kölcsönhatását, az expozíció időtartamának és a genetikai felépítésnek az arzénmérgezésre gyakorolt hatását. vidék. Továbbá sürgősen meg kell értenünk a régió egyedi geokémiai sajátosságait, jellemeznünk az arzén expozíciós utakat, és fejlesztenünk kell arzénmentesítési technológiát Délkelet-Ázsiában.

Céljaink ebben a felülvizsgálatban a) az arzén forrásának és eloszlásának összefoglalása a környezetben, b) az elhagyott bányászati területek környezeti kitettségszintjének leírása, különös tekintettel a dél-koreai esettanulmányokra, c) az a szervetlen arzén expozícióval járó egészségügyi hatások és ismert változók, amelyek változékonyságot eredményeznek a biológiai válaszban, és (d) ajánlásokat fogalmaznak meg az arzén globális hatásainak csökkentését célzó multidiszciplináris stratégiákra.

Az arzén forrásai és elosztása

Az arzén környezeti forrása

Az arzén mindenütt jelen van a környezetben a geológiai hozzájárulás, valamint az antropogén források következtében. Az arzén széles körben elterjedt a földkéregben, és gyakran társul fémszulfidércekhez, amelyekben kémiai hasonlóságuk miatt izomorf helyettesítés történik az arzén és a kén közötti rácsban. Az arzén megnövekedett koncentrációja számos oxidásványban és vizes fémoxidban is megtalálható, akár az ásványi szerkezet alkotóelemeként, akár szorbált fajokként. A kőzetek és az ásványi anyagok mállása a talajban és a talajvízben található fő arzénforrásnak tűnik. Az arzén természetét a talajban az alapkőzet litológiája, a vulkanikus aktivitás, az időjárási viszonyok, a transzport, a szorpció, a biológiai aktivitás és a csapadék szabályozza. Az arzén magas koncentrációja a talajvízben közvetlenül a vas-oxihidroxidok reduktív oldódásából származik, amely természetes módon a víztartó rétegben fordul elő.

Az arzénszennyezés forrásának tekintett emberi tevékenységek közé tartozik a bányászati tevékenység; fémolvasztás; fosszilis tüzelőanyagok égése; hulladékégetés; öntözés; peszticidek, herbicidek és fungicidek alkalmazása; növényi szárítószerek, faanyagvédő szerek és szarvasmarhák és baromfik élelmiszer-adalékjai.

A víz, a talaj és a levegő arzénszennyezése

Az ivóvízben lévő szervetlen arzén irányértékét az Egészségügyi Világszervezet (WHO) 1993-ban és az Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége (US EPA) 2001-ben 50 μg/l-ről 10 μg/l-re csökkentette. Sok ország, különösen fejlődő országok továbbra is az 50 μg/L értéket használják standardként az arzénre, részben azért, mert nincsenek megfelelő analitikai eszközök az alacsonyabb arzénkoncentrációkhoz a vízben.

Az ivóvízben megemelkedett arzénkoncentrációról (50 μg/l felett) több országban beszámoltak, köztük Argentínában, Chilében, Kínában, Mongóliában, Tajvanon, Nepálban, Japánban, Mexikóban, Lengyelországban, Vietnamban és az Egyesült Államokban (30). Néhány ország beszámolt a talajvíz arzénszennyezésének helyi szintű problémáiról, és folyamatosan új eseteket fedeznek fel. Nyilvánvaló, hogy az arzénnal szennyezett talajvíz az éghajlati viszonyoktól függetlenül az egész világon megtalálható. A holocén korú sekély hordalékos és delta vizes rétegekben azonban általában súlyos arzénszennyezés figyelhető meg.

Arzént javasoltak a felszín alatti vizekbe: (i) a víztartó arzénpirit és más arzéntartalmú szulfidásványok oxidációja, (ii) a víztartóban található arzénban gazdag Fe (III) oxihidroxidok és Al-hidroxidok reduktív oldása révén; iii. az adszorbeált arzén cseréje más kompetitív anionokkal (foszfát, hidrogén-karbonát és szilikát). Mindazonáltal az arzénban gazdag Fe (III) oxihidroxidok és/vagy Al-hidroxidok reduktív oldásait széles körben elfogadták a közvetlen arzénmobilizáció fő mechanizmusának (31, 32). Bár az arzén létezik a hordalékos üledékekben, eredete vélhetően összefügg az alapkőzetek kitörésével (12).

Napjainkig a világon leginkább sújtott területek Bangladesben és Nyugat-Bengálban (India) találhatók, ahol a talajvízben lévő arzént 3200 μg/l-ig terjedő koncentrációban dokumentálták (33). Sőt, az érintett terület egyes kerületeiben a csőkutak több mint 90% -a arzénszennyezett volt. Szervetlen arzénkoncentrációkat az észak-vietnami Vörös-folyó deltájában 1 és 3050 μg/l között számoltak be, és átlagosan 159 μg/l-vel értékelték, ami körülbelül 15-ször magasabb, mint az ivóvízben javasolt arzénérték (16). A kambodzsai Felső-Mekong folyó medencéjéből származó felszín alatti vizek mintái meglehetősen széles arzéntartományt mutattak Kandal tartományban (26) a felszín alatti vizek 855 μg/l-ig, míg a Bassacra és a Mekong-folyóra korlátozott talajvíz esetében legfeljebb 1340 μg/l-t Az arzénkoncentrációs tartomány 3, míg a városi területeken a koncentráció 20 és 100 ng/m 3 között mozoghat (44). Az égési folyamatokból felszabaduló arzén általában erősen oldódó oxidokként fordul elő. Ezeket a részecskéket a szél szétszórja, és nedves vagy száraz lerakódással visszajuttatja a földre. Az arzén természetesen előfordul a szénben és az olajban; így az erőművekből származó kimenő gáz arzént szabadíthat fel a légkörbe (45).

Arzén eloszlás élő organizmusokban

Az arzén a szulfidásványok egyik fő komponenseként vagy a kristályrács egyéb elemeinek izomorf helyettesítéseként fordulhat elő. Néha az arzén szilárd fázist képezhet az amorf vaszal az adszorpciós folyamat miatt. Amikor az amorf vas (Fe) kristályos fázissá alakul át, ami a felszíni szabad helyek redukcióját okozza, ennek eredményeként adszorbeált arzén szabadul fel. Ahn és mtsai. (61) az amorf As-Fe fázisokban bemutatott összes arzén 56–91% -ának túlsúlyát jelentette. A zagytartalmú ionmentesített vízzel kivont oldat rendkívül alacsony pH-értéket (2,01–3,1) és magas arzénoldékonyságot (29,5 mg/l) mutatott, ami erős savas körülményekre és az arzén felszabadulásának nagy lehetőségére utal csapadék esetén. Különböző típusú vas- és alumínium (Al) -vegyületekről számoltak be, hogy kicsapódnak a bánya vízelvezetéséből, és a bányászati tevékenységek által szennyezett patakvizek (62). Ezek a csapadékok fontos szerepet játszanak a nehézfémek, valamint az arzén vízből történő eltávolításában adszorpcióval és együttes kicsapással.

A legtöbb Au-Ag és Pb-Zn bánya esetében az ásványi anyag fő alkotóelemei a pirit, a szfalerit, a galena, a kalkopirit és az arzenopirit. Mindezek az ásványok viszonylag tartalmazhatnak arzént. Az arzénpirit azonban mindig a legmagasabb arzéntartalmú, és ha az aknák zagyában található, mint az egyik fő összetevő, akkor magas arzénkoncentrációra lehet számítani. Egyéb arzéntartalmú ásványi anyagokat figyeltek meg a Nakdong As-Bi bányában, és az ércpörkölés során keletkezett zagyok esetében rendkívül magas, 4,36% -os és 20,2% -os arzénszintet állapítottak meg, illetve az aranykivonáshoz szükséges cianidálási eljárást (61).

Arzén és az emberi egészség Délkelet-Ázsiában

Az emberi arzénnak való kitettség

Globális szempontból a szervetlen arzén expozíció az egyik legveszélyesebb környezeti egészségügyi veszély a rákos megbetegedésekre és a nem rákos megbetegedésekre. A Nemzetközi Rákkutatási Ügynökség (IARC) az arzént és az arzénvegyületeket az 1. csoportba sorolta, amely okozati összefüggésben van az emberek rákjával. Az amerikai EPA az arzént szintén az A csoportba (emberi karcinogén) sorolta. Az arzén specifikációja meghatározza annak toxicitását. A szervetlen arzén, különösen a háromértékű metilezett fajok, mérgezőbbek az emberi egészségre, mint a szerves forma. A toxicitás sorrendje AsH3> As (III)> As (V)> MMA (monometil-aronsav)> DMA (dimetil-arinsav). Az arzén-betain, az arzén-kolin és az arzén-cukrok (szerves formák) nem toxikusak.

A szervetlen arzénnek való munkahelyi expozíció az olvasztási tevékenység területén a fémmunkások és a lakosok kitettségének fő útja. Az arzéntartalmú faanyagvédő szerekkel kezelt égető rétegelt lemez CCA (kromát-réz-arsenát) vagy a bőrrel való érintkezés a CCA-val kezelt fával szervetlen arzén-expozíciós útvonalak (66). A cigarettafüst további arzénforrás, de a modellezés alapján beszámoltak róla, hogy kicsi a közreműködő.

Az arzén karcinogenezisének mechanizmusa továbbra sem tisztázott, de számos mechanizmust javasoltak, köztük az arzén biotranszformációjával kapcsolatos tényezőket, a gátolt DNS-helyreállítást, a DNS-metiláció zavarát, a sejtjelzést, az epigenetikát, az oxidatív stresszt, a megváltozott jelátvitelt vagy a növekedési faktorok elindítását vagy citokinek az arzén expozícióra válaszul. Amikor a sejteket DNS-károsító szereknek teszik ki, olyan jel jön létre, hogy a különböző gének transzkripciója megváltozik. Mint sok gyógyszer esetében, egyes környezeti ágensek sem mindig mutatják ugyanazt a toxicitást és az anyagcsere mechanizmusait. In vivo állatkísérletek és az ivóvízzel arzénnak környezetben kitett emberi populációk egyének közötti eltéréseket mutattak ki a vizelet arzén metabolitjainak kiürülési sebességében és százalékos arányában. Ezen túlmenően az arzén anyagcseréjében az ezen metabolitok arányai és százalékos aránya alapján mért egyéni különbségek összefüggenek a bőrelváltozások, a hólyag- és bőrrákok, valamint a magas vérnyomás kockázatának növekedésével az emberekben.

Az étrend és az arzén expozíció egyéb tényezői

További tanulmányokra van szükség ahhoz, hogy teljes mértékben megértsük azokat a módosító tényezőket, amelyek az ivóvízben lévő szervetlen arzén által érintett országokban megfigyelt betegségek kockázatának változékonyságát magyarázzák. Az arzénnel kapcsolatos egészségügyi eredmények fogékonyságát befolyásoló megállapított tényezők közé tartozik az étrend (67–77), a nem, az életkor, a környezeti együttes expozíció (63,64), a dohányzás (65), a bételmogyoró használata (67), a napfény (UV) (78–83) és a genetika (84–87). A vietnami Red River Delta-ban élő egyéneknél alacsonyabb az arzénnel kapcsolatos egészségügyi eredmények előfordulása vagy hiánya a homokszűrés és a lakosság egyéb tényezői miatt (13). A mangán-expozíciót Kambodzsában, valamint Bangladesben dokumentálták. Egyéb egyedi ko-faktorokat jól le kell jellemezni az epidemiológiai és geokémiai vizsgálatokban.

Következtetések

A kutatók azonosították az arzén környezetre gyakorolt hatását és az emberi egészségre jelentett veszélyt. Az alapkőzetben természetesen előforduló arzén különböző környezeti összetevőkbe - üledékbe, talajba, vízbe és levegőbe - kerülhet, ami súlyos környezeti szennyeződést okozhat. Ezt követően az arzén beépülhet az élelmiszerláncba, és könnyen bejuthat az emberi testbe. Ez az áttekintés összefoglalta a víztartó réteg, a talaj és a levegő arzénszennyezésével kapcsolatos figyelemre méltó eredményeket, valamint hasznos információkat tartalmazott az arzén expozíció negatív hatásairól és lehetséges kockázatairól. Megfelelő figyelmet fordítottak az arzén hatására az elhagyott bányafarok ökoszisztémára. Végül az elhagyott bányabomok helyzete megmutatta a figyelemhiány következményeit a bányászati folyamatok alatt és után, és ezáltal a fenntartható fejlődés szükségességét. Nyilvánvaló, hogy a bányaterületek környezeti hatásainak értékelése, helyreállítása és kezelése a bányaterületeken a bányászat során és után is nagyon fontos.

Szükség van jobb koordináció kialakítására az egészségre gyakorolt hatások és a betegség etiológiájára vonatkozó helyi és globális adatgyűjtés között a kiszolgáltatott lakosság körében. Ezenkívül epidemiológiai globális erőfeszítésekre van szükség az arzénnak való kitettség és a betegség közötti kapcsolat megértésének hiányosságainak pótlásához a lakosság alcsoportjaiban, beleértve a gyermekeket is. Az expozíció időzítésének és az arzénnel kapcsolatos betegségek iránti érzékenységnek jobb megértése szükséges. Fontos megérteni az arzén és a fertőző betegségek közötti kölcsönhatások mechanizmusait, valamint az egyes régiókban egyedülálló környezeti együttes expozíciókat, valamint az arzén és a genetikai felépítés kölcsönhatását a betegségekre való hajlam megértése és a megelőzés fejlesztése érdekében ezekben a régiókban. A közegészség javítását szolgáló beavatkozások megtervezésekor figyelembe kell venni a teljes környezeti expozíciós utat és a lakosság sérülékeny alcsoportjait, beleértve a kulturális gyakorlatokat is. A közegészségügy és a megelőzés mellett ki kell dolgoznunk olyan helyreállítási technológiákat, amelyek fenntarthatók az arzén által érintett közösségekben. Különösen a kitelepítés hatékonyságára és a közösségekre gyakorolt gazdasági hatásra kell összpontosítani.

Köszönetnyilvánítás

Ezt a munkát a GIST „Ökológiai helyreállításának innovatív technológiája” projekt támogatta.