Analytische Probleme bei Untersuchungen von bio-geochemischen Kreisläufen am Beispiel der...

Spurenbestandteile in biogenem Material ~ N ~ ~

Prim/ircalcifizierung wurden gefunden ffir 3 Modelle der Hart- gewebsbildung, 3 verschiedene Species, die in verschiedenen landschaftlichen Regionen aufgezogen wurden. Der folgende Gehaltsabfall nach Gewebsreifung 1/iBt eine Akkumulation der Elemente durch Umwelteinflfisse ausschliel3en. Nach [9] fiihrt eine Pb-Depletion bei Ratten zu (reversiblen) Wachstumsdepres- sionen. Danach ist Pb essentiell ftir das Knochenwachstum. Nach [1] bewirkt Vitamin D 3 eine Induzierung der Pb-Aufnahme im Knochen. Ein m6glicher Steuerungsmechanismus des Pb mit Vitaminen bzw. fiber Enzymsysteme ist noch ungekl/irt. Eine Cd-fSberschuB-Di/it ftihrt nach [2] zu einer Verkfirzung des S/iulenknorpels der Wachstumsfuge. Nach [10] besteht eine der toxischen Wirkungen des Cd und des Pb darin, dab die Zellmem- branpermeabilit/it gest6rt wird bei einer allm/ihlichen Zerst6rung der Membran.

Die Funktion der Wachstumsfuge, z.B. mit den relativ hohen - aber wohl physiologischen - Konzentrationen von Cd und Pb in Mikrobereichen, w/ire mit folgendem Mechanismus beschrieben: Die Wachstumsfuge hat einerseits die Aufgabe, dutch st/indige Proliferation der Zellen und ihre Hypertrophie- rung das Wachstum zu bewirken und andererseits die Mineralbil- dung einzuleiten, die schliel31ich zur Bildung des trabekul/iren Knochens ffihrt. Die Prim~ircalcifizierung geht dabei einher mit einer Degeneration der hypertrophen Zellen des S/iulenknorpels. In Anbetracht der relativ hohen Konzentrationen von Cd und Pb in der Prim/ircalcifizierungszone k6nnten diese Elemente die Degeneration der hypertrophen Zellen regulierend mit induzie- ren - nachdem sie ihre Funktion erffillt haben - und so die Knochenbildung einleiten.

Literatur

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Fresenius Z Anal Chem (1984) 317:653-655 �9 Springer-Verlag 1984

A3 Analytische Probleme bei Untersuchungen von bio-geochemischen Kreisliiufen am Beispiel der Spurenelemente Zn und As

K. B~ichmann, G. Hartmann und B. Sarx

Institut fiir Anorganische Chemic und Kernchemie, Technische Hochschule, HochschulstraBe 4, D-6100 Darmstadt, Bundesrepublik Deutschland

Analytical Problems in the Investigation of Bio-Geochemical Global Cycles shown at the Trace Elements Zn and As

Einleitung. Ffir fast jedes Element existieren in der Natur bio- geochemische Cyclen. Solche Biocyclen stellen einen wichtigen Beitrag fiber die m6gliche Art des Transportes und der Umset- zung und die daraus resultierende Species der Elemente dar. Dutch Rechenmodelle ist es m6glich, globale Gr6Ben zu errech- nen; so ermittelte man z.B. ffir die Elemente As und Zn eine Emission von 7,8.10 l~ bzw. 8,4.1011 g/a [1]. Durch die Untersu- chung der verschiedenen Teilsysteme Boden, Wasser, Biomasse und Luft erhofft man sich Aufschlfisse fiber die Verweildauer und die damit verbundenen m6glichen toxischen und noxischen Wirkungen.

Die analytische Problematik kann man in drei Hauptgebiete unterteilen: die Probenahme, die Voranreicherung und die Detektion. F fir jedes Element mtissen diese Parameter genau untersucht und optimiert werden.

Ergebnisse und Diskussion. Die Bestimmung des Elements Zn erfolgte mit der R6ntgenfluorescenzanalysc. Es wurden Luftpro- ben mit ,,High Volume"-Samplern gesammelt, wobei auch ein

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Tabelle 1. Zn-Gehalte von Luft-Luftstaub und Bodenproben

Art der Probe H6he [m] Konzentrationen

ng/m 3 gg/g

Boden 0 - 30

Luft 0,4 316 6695 Luft 2,2 441 8988 Luft 9,6 472 11046 Luft 17,4 389 12920 Luft 25,0 1430 41200

H6henprofil von 0 - 2 4 m H6he genommen wurde (Tabelle 1). ,,High Volume"-Sampler sind speziell konstruierte Pmnpen, die mit einem Durchsatz von bis zu 100m3/h arbeiten k6nnen.

Blattproben wurden in der Art aufgearbeitet, dab eine Unterscheidung zwischen auf dem Blatt adsorbiertem Element und im Blatt eingebautem Element getroffen werden konnte. Dazu wurde die Oberfl/iche des Blattes mit einem Spezialkleb- stoff bestrichen, der nach Trocknung sich als Film vom Blatt wieder abl6sen liel3. Unsere Untersuchungen zeigten, dab sich fast das gesamte Zn im Blatt befand und der heruntergel6ste Film fast kein Zn (3 % vom Gesamtgehalt) enthielt.

Zur Aufnahme einer Eichkurve wurden definierte Mengen des zu bestimmenden Elements zu den Proben gegeben und analog verarbeitet. Die Auswertung erfolgte mit einem selbster- stellten Rechnerprogramm, das auf die Problematik der Analyse von biologischen Proben abgestimmt ist [2].

Im Gegensatz zu dem Element Zn, das nur in der Oxidations- stufe + 2 vorliegt, kommt As als 3- und 5-wertige Verbindung nebeneinander in der Natur vor. Auch finden chemische Um- wandlungen der prim/ir durch Verbrennungsprozesse vorliegen- den As-Oxide in leichtflfichtige Arsenverbindungen, wie AsH 3

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~@~e~s Trace Components in Biogenic Materials

oder As(CH3) 3 statt. Da die Toxizit/it der einzelnen Verbindun- gen stark unterschiedlich ist, gentigt in vielen Fallen eine Gesamtbestimmung des Elements nicht, sondern es wird bei solchen Elementen eine Analyse der Verbindung erforderlich, die unter dem Namen ,,Speciation" bereits einen festen Platz in der quantitativen Analyse eingenommen hat [3].

In unseren Arbeiten haben wir die Trennung der As-Species durchgeftihrt, indem die Probe einer temperaturprogrammierten Verfliichtigung unterworfen wurde. Das unterschiedliche chemi- sche und physikalische Verhalten der verschiedenen As-Verbin- dungen wurde ausgenutzt, um eine Trennung und Identifizierung der einzelnen Species zu erreichen. So wurde aus einer Bodenpro- be quantitativ Dimethylarsens/iure durch eine chemische Umset- zung abgetrennt [4]. Als Detektionssystem wurde je nach Art der Probe und Konzentration der As-Verbindung ein mikrowellen- induziertes Plasma mit optischer Emissionsspektrometrie oder Atomabsorptionsspektrometrie verwendet. Die Verwendung der RFA als Detektionsmethode empfiehlt sich nicht, da die RFA

zum einen nicht nachweisstark genug ftir dieses Element ist und zum anderen eine Oberlagerung der wichtigsten Linie durch das Element Pb stattfindet.

Die mit dem MIP-OES erhaltene Nachweisgrenze lag bei 0,1 ppb, w/ihrend die mit der AAS ermittelte bei 10ppb lag.

Literatur

1. Lantzy RJ, Mackenzie FT (1979) Geochim Cosmochim Acta 43:511

2. Hartman G (1983) Diplomarbeit 3. Sarx B, Bfichmann K (1983) In: Br~itter P, Schramel P (eds)

Trace element analytical chemistry in medicine and biology, vol 2, p 713

4. Sarx B, B~ichman K (1983) Fresenius Z Anal Chem 316:621

Fresenius Z Anal Chem (1984) 317 : 6 5 5 - 656 �9 Springer-Verlag 1984

A4 Analytical Fractionation of Trace Metals in Human Serum by Means of a Chelating Ion-exchanger

F. Alt and P. Burba

Institut ffir Spektrochemie und angewandte Spektroskopie, Bunsen-Kirchhoff-StraBe 11, D-4600 Dortmund 1, Federal Republic of Germany

Analytische Fraktionierung yon Sehwermetallspuren in Blutserum mittels Chelat-Ionenaustauscher

1. Introduction. Hitherto, the binding form and stability of many trace elements in body fluids, for example in blood serum are widely unknown. Indeed, trace metals (e.g., A1, Be, Cd, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) in serum may be bound very differently to diverse proteins [ 1 - 3]. In this connection, the question arises how stable (labile to inert) both essential as well as toxic metal ions are associated in such bio-molecules. More information on dissociation reactions of metal-proteins is very important for the elucidation of metabolism of these elements. For the analytical fractionation of trace metals present in serum in ionic or mobile form, careful and highly specific separation procedures are to be applied under physiological conditions. In the present report, heavy-metal chelating ion-exchangers of fast kinetics [4] are used for this purpose. From the reaction kinetics and from the degree of separation, conclusions concerning the binding stability of metal-protein complexes can be drawn.

2. Material and Methods. Trace metal ions in human blood serum were separated on the cellulose ion-exchanger HYPHAN (TM of the Riedel-de Haan AG, Seelze-Hannover, FRG) at physiologi- cal pH-values (pH 7.5 - 7.7). A batch and a column method were used. Ten milliliter serum samples (each) were diluted with 30 ml tridistilled water, mixed with 0.1 g finely powdered high-purity cellulose-HYPHAN (Na + form) and gently shaken at room temperature (shaking device or magnetic stirrer). After the reaction time (t), the ion-exchange procedure was interrupted by fast filtration of the loaded ion-exchanger on a high-purity filter paper (purified in 1 M hydrochloric acid, suprapure) (lst sePa-

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ration stage). Subsequently, the serum filtrate was repeatedly treated with 0.1 g ion-exchanger (each) in the same manner. The runs were time-controlled (2nd to 7th separation stage). For the column separation of mobile trace elements, an ion-exchanger column filled with 3.5 g cellulose HYPHAN was used. The trace elements [e.g., Cu(II), Fe(III), Zn(II)] collected on the ion- exchanger samples could be eluted with 2 ml 2 M hydrochloric acid, suprapure. Depending on the content, the elements were afterwards determined by fiame-AAS (Pye Unicam, SP 9, in- jection method) or graphite furnace-AAS (Perkin-Elmer 4000/HGA 500). Parallel to these analyses, the total contents of trace metals in serum were determined. From the ratio of both, the part of traces being bound in labile form to the serum proteins could be evaluated.

3. Results. In Fig. 1 the separation of mobile trace elements [e.g., Cu(II), Fe(III), Zn(II)] from serum on cellulose HYPHAN [described as concentration decrease (e L - e)/eL] is logarithmi- cally plotted as a function of time. The heavy metals mentioned above have a very different separation characteristic. Serum zinc can be exchanged with a half-time (tl/2) of 0.25 h and a yield of about 65 % in the ion-exchanger. For serum copper, however, the half-time is 15h and the yield only 5%. Obviously, Cu(II) dissociates very slowly and to a small degree out of its specific protein binding (e.g., caeruloplasmin, albumin) [1]. Further- more, serum iron which is inertly complexed in the protein transferrin, cannot be collected by the ion-exchanger. On the other hand, the normal ion-exchange of heavy-metals on cel- lulose HYPHAN in saline solutions proceeds very rapidly (half- times less than 1 mix). Further results of separation of trace metals from diverse human serums are summarized in Table 1. They show that the range of Cu(II)- and Zn(II)-separation amounts to 4 . 5 -15% and 60 -78%, respectively. Trace amounts of Mn(II) can be collected with more than 90 % efficiency. By means of the column procedure, Mg(II) in serum is quantitatively exchanged. This also applies to the ionic part of Ca(II), about 6 5 - 7 6 % of the total Ca(II) content. Trace amounts of heavy-metals [e.g. 0.5gg-m1-1 Cu(II), Cr(III), Fe(III), Mn(II), Ni(II), Pb(II), Zn(II), each] which were spiked into the serum could be quantitatively recovered by means of cellulose HYPHAN, except for Cr(III) (_< 5% recovery) and Fe(III) (_< 2 % recovery). The relative standard deviation Sr (n = 10) of the analytical procedure (separation on ion-exchanger, elution, flame-AAS) developed for trace metals existing as labile species in human serum are in the range 0.025 [e.g., Zn(II)] to 0.04 [e.g., Cu(II)].