Гидроксилированные полициклические ароматические углеводороды как биомаркёры воздействия на работников производства алюминия

Введение

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ, полиарены) являются одними из токсических органических веществ бензольного ряда, в химической структуре которых присутствуют два бензольных конденсированных кольца и более. В России и зарубежных странах 16 соединений ПАУ включены в список приоритетных загрязнителей. ПАУ принято делить на лёгкие (летучие) 2–4-ядерные низко- и среднемолекулярные (нафталин, флуорен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, бенз[а]антрацен) и тяжёлые 5–6-ядерные высокомолекулярные (бензо[b]флуорантен, бенз[k]флуорантен), бенз[а]пирен, дибенз[a,h]антрацен, бензо(g,h,i)перилен и индено(1,2,3-с,d)пирен) структуры [1, 2].

Полиарены наряду с высокой токсичностью и способностью накапливаться в объектах окружающей среды и организме человека характеризуются высокими токсическими, канцерогенными и мутагенными свойствами [3–5]. Профессиональная деятельность на производствах коксохимии, металлургии (алюминий, железо, сталь), битума, при проведении асфальтовых работ сопряжена с повышенным воздействием ПАУ. На работников данных производств влияет многокомпонентная смесь полиаренов, которые вызывают различные нарушения здоровья, в том числе злокачественные новообразования кожи, лёгких, мочеполовых органов [6–8].

Из-за высокой опасности ПАУ в России и других странах проводится контроль содержания в производственной и окружающей среде наиболее опасного из соединений полиаренов – бенз(а)пирена, а также некоторых других ПАУ [9]. При этом используемый в некоторых зарубежных странах альтернативный способ объективной персонализированной оценки воздействия полиаренов на человека путём определения их гидроксилированных метаболитов (ОН-РАН) в моче может служить более точной мерой полученной внутренней дозы ПАУ [10–12].

Для биологического мониторинга Американской ассоциацией государственных промышленных гигиенистов (ACGIH) было предложено количественное определение принятого в качестве биомаркёра экспозиции ПАУ метаболита пирена 1-гидроксипирена (1-OHPyr) в моче, для которого установлено предельное значение биологического индекса экспозиции (BEI) 2,5 мкг/л [13]. Основной недостаток этого подхода – то, что сам по себе пирен не является канцерогенным, а количественное определение 1-OHPyr позволяет проводить только общую оценку риска опасности экспозиции всей смеси компонентов ПАУ на организм [14].

В настоящее время ACGIH и многие исследователи указывают на необходимость изучения особенностей содержания максимально большого количества ОН-РАН в моче работников вредных производств. ОН-РАН могут стать новыми специфическими биомаркёрами экспозиции разных соединений полиаренов для объективной персонализированной оценки риска нарушения здоровья [13–16]. Ранее такие исследования были проведены среди работников коксохимического производства, а также занятых укладкой и покрытием дорог горячим асфальтом, тушением лесных пожаров [14, 17, 18]. Однако изучению и сравнительному анализу содержания и распределения широкого спектра ОН-РАН в моче работников алюминиевого производства не уделялось должного внимания, и единичные исследования касались только определения содержания 1-ОНРуr [11, 15, 19].

Цель исследования – сравнительная оценка уровней содержания и распределения различных моногидроксилированных метаболитов ПАУ в моче экспонированных работников электролизных цехов при разных технологиях алюминиевого производства.

Материалы и методы

Объектом исследования была биологическая среда (моча) работников электролизных цехов крупнейшего алюминиевого производства Восточной Сибири, входящего в список общепризнанных канцерогеноопасных производств. Электролизное производство алюминия осуществляется в электролизёрах с применением традиционной технологии самообжигающихся (ТСА) и модернизированной технологии предварительно обожжённых анодов (ТОА).

В когортном исследовании приняли участие работники основных профессий исследуемых цехов, занятые обслуживанием электролизёров, анодов и грузоподъёмных мостовых кранов, а также лица, не работающие на данном производстве и не подвергающиеся воздействию ПАУ. Общее число участников когорты – 152. Основными профессиональными группами работников цехов с ТСА (n = 100) были анодчики, электролизники и машинисты кранов, а цехов с ТОА (n = 30) – операторы-рамщики, электролизники и крановщики. Контрольную группу составили 22 человека, не подвергавшиеся воздействию ПАУ на производстве.

Сбор образцов мочи для анализа содержания ОН-РАН осуществляли в специальные пропиленовые контейнеры во время медицинского обследования работников в поликлинике завода. Пробы мочи после сбора кодировали, доставляли в лабораторию, замораживали и хранили при температуре минус 20 °С до проведения анализа. В качестве биомаркёров воздействия ПАУ определяли 7 гидроксилированных низко- и среднемолекулярных полиаренов, выделяемых из организма преимущественно с мочой: 2-гидроксинафталин (2-ОНNар), 2-гидроксифлуорен (2-OHFle), 2-гидроксифенантрен (2-OHPhe), 3-гидроксифенантрен (3-OHPhe), 9-гидроксифенантрен (9-OHPhe), 1-гидроксипирен (1-OHPyr) и 6-гидроксихризен (6-OHChr). Полученные результаты определения 1-OHPyr в моче сопоставляли с допустимым показателем BEI (ACGIH) 2,5 мкг/л [13].

Определение ОН-РАН и количественно-качественный анализ их содержания в моче осуществляли с помощью разработанной нами высокочувствительной методики хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС) на газовом хроматографе Agilent 7890 с масс-селективным детектором Agilent 5975. Пробоподготовка основана на дисперсионной жидкостно-жидкостной микроэкстракции трихлорметаном в кислой среде. Дериватизация осуществлялась в разогретом порту инжектора реагентом N,О-бистриметилсилилтрифторацемидом. В качестве диспергирующего растворителя использовали этанол. ГХ-МС анализ проводился в следующих условиях: рН = 1,6, объём этанола 300 мкл, время экстракции 25 с на высокотемпературной колонке НТ-8 в режиме температурного градиента в течение 15 мин. Линейный диапазон концентраций соответствовал 0,5–100 нг/мл. Подробная информация о методе анализа ОН-РАН и характеристиках масс-спектров была представлена в предыдущей публикации [20].

Исследование одобрено Локальным этическим комитетом ФГБНУ ВСИМЭИ (заключение ЛЭК № 2 от 18.02.2020 г.), выполнено в соответствии с этическими стандартами Хельсинкской декларации Всемирной ассоциации «Этические принципы проведения научных медицинский исследований с участием человека», не ущемляло прав и не подвергало опасности благополучие субъектов исследования, проведено с их согласия.

Для статистической обработки результатов исследований использовали пакет статистических программ Jamovi (version 2.3.2). В связи с отсутствием нормального распределения данных о содержании ОН-РАН в моче работников в качестве описательных статистик использовали медиану и значения межквартильного интервала. Сравнение количественных показателей осуществляли с использованием непараметрических критериев Краскела – Уоллиса и Манна – Уитни с поправкой Бонферрони. Корреляционный анализ проводили с применением коэффициента корреляции Спирмена. Результаты статистического анализа считали достоверным при p < 0,05.

Результаты

Для оценки экспозиции ПАУ и рисков, связанных с уровнями ОН-РАН, у работников производства алюминия был проведён сравнительный анализ количественного содержания и долевого соотношения различных ОН-РАН в моче рабочих основных профессий электролизных цехов и лиц контрольной группы (см. таблицу).

ГХ-МС анализ содержания ОН-РАН в моче работников электролизных цехов показал, что из исследуемых аналитов 2-ОНNap, 2-ОНFle, 2-ОНPhe, 3-ОНPhe и 1-ОНPyr были обнаружены в 100% образцов мочи, за исключением 9-ОНPhe и 6-ОНChr, которые определялись в 92 и 56% проб соответственно. При этом концентрации ОН-РАН в моче работников электролизных цехов с ТСА и ТОА варьировали в различном диапазоне величин и имели неоднородный характер распределения.

В целом медианные концентрации ∑ОН-РАН и индивидуальных ОН-РАН (за исключением 6-ОНChr) в моче обследованных профессиональных групп работников цехов с ТСА достоверно превышали значения контрольной группы в 3,2–31,4 и 1,7–120,7 раза, а у работников цехов с ТОА (кроме электролизников) – в 2,5–4,9 и 1,2–12,4 раза соответственно (р < 0,05). Самые высокие уровни содержания ОН-РАН в моче всей когорты работников электролизных цехов с ТСА и ТОА отмечались у 2-ОНNap, 2-ОНFle и 1-ОНPyr, самые низкие – 6-ОНChr.

В цехах с традиционной ТСА концентрации 2-ОНFle, 2-ОНPhe, 3-ОНPhe, 1-ОНPyr и ∑ОН-РАН в моче анодчиков были значительно выше, чем аналогичные показатели электролизников и машинистов кранов (р < 0,017). При этом наибольшие уровни содержания 1-ОНPyr в моче, превышавшие допустимую величину ВЕI (2,5 мкг/л), отмечались у анодчиков (в 28 раз), в меньшей степени – у машинистов кранов (в 2,6 раза) и электролизников (в 2 раза).

В цехах, применяющих ТОА, медианные концентрации индивидуальных ОН-РАН и ∑ОН-РАН в моче работников основных групп профессий достоверно не различались. При этом уровни содержания 1-ОНPyr в моче работников превышали предел ВЕI в 1,2–2,9 раза, преимущественно у крановщиков. Также содержание 2-ОНFle, 2-ОНPhe, 3-ОНPhe, 1-ОНPyr и ∑ОН-РАН в моче работников цехов с ТОА в целом было в 1,9–2,6 раза ниже, чем аналогичные показатели работников цехов с ТСА (p < 0,05). Метаболические профили долевого соотношения индивидуальных ОН-РАН в пробах мочи у работников исследуемых электролизных цехов приведены на рисунке.

Среди исследованных ОН-РАН в моче работников цехов с ТСА 2-ОНFle (24%), 1-ОНPyr (21,3%), 2-ОНNap (19,5%) и 3-ОНPhe (13,3%) составляющие 78,1% суммы ОН-РАН были наиболее распространёнными аналитами, за ним следовали 2- и 9-гидроксифенантрены (7,4 и 2,4% соответственно) и 6-ОНChr (0,3%). В то же время в моче работников цехов с ТОА отмечался иной порядок распределения ОН-РАН: преобладали 2-ОНNap (37%), 2-ОНFle (16,5%) и 1-ОНPyr (16,2%). Доля других метаболитов была значительно меньше: 3-ОНPhe – 9,3%, 9-ОНРhe – 5,3%, 2-ОНPhe – 4,8%, 6-ОНChr – 0,3%.

Обсуждение

В настоящее время особую актуальность приобретают оценка реальных уровней экспозиции полиаренов и анализ рисков для здоровья работников современных алюминиевых производств. В мировой практике повышенные уровни содержания маркёрных токсикантов в объектах окружающей среды и биосубстратах человека рассматриваются как серьёзные доказательные аргументы их негативного воздействия на здоровье. Угрозу здоровью представляют не только сами ПАУ, но и продукты их метаболизма, зачастую более опасные, чем исходные соединения [9, 21, 22].

Проведённые нами ранее исследования [7] показали, что наиболее высокие концентрации индивидуальных соединений и суммы 13 идентифицированных ПАУ отмечались в цехах, использующих ТСА, особенно в рабочей зоне анодчиков. Более низкие значения ПАУ (в 2–93 раза) зарегистрированы в цехах с ТОА. В целом суммарная токсичность обнаруженных ПАУ, выраженных через Б(а)П – эквивалентные коэффициенты, превышала ПДК Б(а)П в 1,8–7,3 раза. При этом доля вклада отдельных соединений в суммарную степень опасности ПАУ варьировала от 17,6 до 80,3%, что свидетельствует о необходимости оценки содержания в воздухе всей смеси ПАУ и выявление в моче работников приоритетных ОН-РАН.

Результаты настоящего исследования продемонстрировали статистически значимые различия медианных концентраций отдельных ОН-РАН и ∑ОН-РАН в моче как между исследуемыми цехами, профессиональными группами, так и по сравнению с контрольной группой и допустимой величиной BEI для 1-ОНРуr. Так, у работников цехов с ТСА и ТОА медианные концентрации ∑ОН-РАН и отдельных метаболитов, особенно 2-ОНNap, 2-ОНFle, 1-ОНРуr и 3-ОНPhe, в моче были в 1,7–120,7 раза выше, чем в контрольной группе. При этом уровни содержания регламентируемого ACGH 1-OHPyr в моче работников цехов с ТСА (электролизников, анодчиков и машинистов кранов) превышали значение BEI в 2–28 раз. Более того, самые высокие концентрации ОН-РАН в моче, превышающие значения контрольной группы и ВЕI, отмечались у анодчиков по сравнению с электролизниками и машинистами кранов, что свидетельствует о высоком уровне химической нагрузки ПАУ и риске нарушения здоровья у анодчиков.

Важно, что в цехах с ТОА существенных различий содержания приоритетных ОН-РАН в моче между основными группами профессий не наблюдалось. Тем не менее уровни содержания 1-ОНРyr в моче работников были выше предела ВЕI в 1,2–2,9 раза, особенно у крановщиков, рабочее место которых расположено в верхней зоне цеха, что может указывать на накопление метаболита в организме и повышенный риск для здоровья работающих. При этом концентрации обнаруженных ОН-РАН в моче работников цехов с модернизированной ТОА оказались в 1,9–2,6 раза ниже, чем аналогичный показатель у рабочих цехов с традиционной ТСА. По данным Tuček M. и соавт., концентрация 1-ОНPyr в моче на уровне 4,4 мкг/г креатинина (примерно 3,4 мкг/л) может быть связана с относительным риском возникновения рака лёгких примерно на уровне 1,3, а уровни свыше 7,7 мкг/г креатинина (около 6 мкг/л) рассматриваются как повышенный риск карциномы лёгких у работников [23]. При этом степень негативного влияния полициклических ароматических углеводородов на организм во многом определяется их химической структурой и токсикологическими характеристиками ОН-РАН. Поступая в организм, соединения ПАУ подвергаются метаболизму с образованием гидроксилированных производных, способных связываться с ДНК и запускать канцерогенный процесс [3].

Сравнение полученных результатов с данными зарубежной литературы показало, что уровни содержания 2-ОНFle, 2-, 3-ОНРhe и 1-ОНРyr в моче анодчиков цехов с ТСА были в 2,7–70 раз выше, чем показатель у работников коксохимического производства (27,6; 3,7; 5,7; 15,4 мкг/л соответственно), лесных пожарных (2,3; 0,5; 1,1; 0,9 мкг/л) и асфальтировщиков дорог (1-ОНРyr 0,26–1,4 мкг/л). При этом у электролизников и машинистов кранов цехов с ТСА и у всех профессиональных групп работников цехов с ТОА значения ОН-РАН были ниже, чем у рабочих коксохимического завода, но выше уровней ОН-РАН у лесных пожарных и асфальтировщиков дорог [14, 17, 18].

Известно, что одним из важных этапов биомониторинга ПАУ является оценка процентных соотношений и корреляционных связей между уровнями экскретируемых с мочой ОН-РАН. Такой анализ позволяет выяснить метаболический профиль и выявить релевантные биомаркёры экспозиции ПАУ у работников вредных производств [14]. Анализ расчётов процентных соотношений содержания разных групп ОН-РАН в моче у работников цехов с ТСА и ТОА выявил общее преобладание 2-ОНNap, 2-ОНFle, 1-ОНPyr и 3-ОНPhe, составляющее соответственно 78,1 и 78,9% от ∑ОН-РАН. Ранговый порядок долевого распределения ОН-РАН в моче работников цехов с ТСА имел следующую последовательность: 2-ОНFle (24% от ∑ 7 ОН-РАН) > 1-ОНРyr (21,3%) > 2-ОНNap (19,5%) > 3-ОНРhe (13,3%) > 2-ОНРhe (7,4%) > 9-ОНРhe (2,4%) > 6-ОНСhr (0,3%). У работников цехов с ТОА ранговый порядок долевого распределения имел вид: 2-ОНNap (37%) > 2-ОНFle (16,5%) > 1-ОНPyr (16,2%) > 3-ОНPhe (9,3%) > 9-ОНРhe (5,3%) > 2-OHPhe (4,8%) > 6-ОНСhr (0,3%). Выявленные различия в распределении ОН-РАН, вероятно, были обусловлены разными технологиями электролиза алюминия, уровнями содержания в воздухе цехов соединений ПАУ и их качественным составом, связанными с этим метаболическими и кинетическими процессами экскреции из организма.

Корреляционный анализ взаимосвязи между содержанием ОН-РАН в моче работников цехов с ТСА и ТОА продемонстрировал высокую степень корреляции между концентрациями регламентируемого маркёра экспозиции ПАУ 1-ОНРyr и уровнями 2-ОНFle (r = 0,86 и 0,869 соответственно), 2-ОНРhe (r = 0,884 и 0,848) и 3-ОНРhe (r = 0,902 и 0,932), а также умеренную и слабые связи между уровнями 1-ОНРyr и концентрациями 2-ОНNap (r = 0,433 и 0,412), 9-ОНРhe (r = 0,254 и 0,426) и 6-ОНChr (r = 0,292). Также отмечалась высокая степень корреляции между уровнями 2-ОНFle и 2-ОНРhe (r = 0,891 и 0,813), 3-ОНРhe (r = 0,886 и 0,841), между содержанием 2-ОНРhe и 3-ОНРhe (r = 0,945 и 0,898) в моче обследованных, что указывает на действие единого источника (фактора) загрязнения воздуха рабочей зоны. В целом порядок расположения исследуемых ОН-РАН в зависимости от тесноты (силы) их корреляции с нормируемым 1-ОНРyr был следующим: высокая – 2-ОНFle; 2-OHPhe; 3-ОНРhe > умеренная – 2-ОНNap > слабая – 9-OHPhe; 6-ОНСhr. Интерпретация данных анализа количественного распределения и ассоциаций между концентрациями ОН-РАН в моче работников цехов с ТСА и ТОА показывает, что 2-ОНNap, 2-ОНFle и 3-OHPhe могут быть применены в качестве приоритетных биомаркёров воздействия общих ПАУ в дополнение к общепризнанному маркёрному метаболиту 1-ОНРyr. Использование только 1-ОНРyr для оценки риска опасности экспозиции ПАУ может приводить к потере информации о характере и степени негативного воздействия широкого спектра полиаренов.

Ограничения исследования. Одно из потенциальных ограничений этого исследования – сложность определения содержания в моче работников гидроксилированных метаболитов высокомолекулярных (5,6-ядерных) ПАУ, которые преимущественно удалялись с фекальными выделениями. Необходимы дальнейшие исследования неметаболизированных лёгких (2–3-ядерных) и тяжёлых (5–6-ядерных) соединений ПАУ в крови и моче работников.

Заключение

Результаты проведённых исследований продемонстрировали высокие уровни содержания индивидуальных ОН-РАН и суммы ОН-РАН (включая маркёрный 1-ОНPyr) в моче работников алюминиевого производства, превышавшие в 1,7–120,7 раза значения контрольной группы и в 1,2–28 раз – предел BEI для 1-ОНPyr. Такой результат может свидетельствовать о серьёзной угрозе здоровью работников. Самые высокие медианные концентрации ОН-РАН в моче и связанные с ними риски для здоровья наблюдались у работников, особенно анодчиков, цехов с ТСА, более низкие (в 1,9–2,6 раза) – у работников цехов с ТОА. Разница была обусловлена применяемой технологией производства алюминия, уровнями экспозиции ПАУ и профессией работников. В групповом составе измеренных ОН-РАН в моче работников данных цехов отмечено преобладание 2-OHNap, 2-OHFle, 1-OHPyr и 3-OHPhe (78,1 и 78,9% от ∑ОН-РАН). Установлены тесные корреляционные связи между содержанием нормируемого маркёрного метаболита ПАУ – 1-OHPyr и уровнями доминирующих 2-OHFle (r = 0,86 и 0,869), 3-OHPhe (r = 0,902 и 0,932) и 2-OHNap (r = 0,433 и 0,412) в моче работников цехов с ТСА и ТОА. Полученные данные свидетельствуют о том, что 2-OHNap, 2-OHFle и 3-OHPhe в моче могут быть применены в качестве приоритетных биомаркёров воздействия общих ПАУ при оценке риска для здоровья работников производства алюминия в дополнение к общепризнанному нормированному ACGIH маркёрному метаболиту ПАУ – 1-OHPyr. Одновременное определение в моче уровней нескольких приоритетных биомаркёров экспозиции ПАУ позволит выявить характер воздействия смеси полиаренов и объективно оценить риски для здоровья работников.