Идентификация и характеристика содержания метаболита полициклических ароматических углеводородов 1-гидроксипирена в моче как маркера экспозиции работников электролизных цехов алюминиевого производства

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) относятся к приоритетным стойким наиболее опасным органическим загрязнителям, обладающим высокой токсичностью, сильной мутагенной и канцерогенной активностью. Воздействие ПАУ на организм человека представляет серьезную угрозу для его здоровья, является фактором риска онкологических заболеваний, что обусловливает необходимость проведения мониторинга биомаркеров экспозиции токсикантов класса ПАУ [1–3]. Ис- точниками воздействия техногенных ПАУ на окружающую среду и людей является ряд промышленных предприятий металлургической, нефтехимической и углеперерабатывающей промышленности (выплавка алюминия, чугуна и стали, производство кокса, битума, асфальта и др.) [4, 5].

В алюминиевой промышленности ПАУ образуются при плавке анодной массы в электролизерах, где идет получение алюминия с использованием технологии Содеберга с самообжигающимися и пред-

Шаяхметов Салим Файзыевич – доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник (e-mail: ; тел.: 8 (914) 874-22-43; ORCID: .

Алексеенко Антон Николаевич – кандидат химических наук, старший научный сотрудник (e-mail: ; тел.: 8 (914) 937-78-04; ORCID: .

Меринов Алексей Владимирович – кандидат биологических наук, младший научный сотрудник (e-mail: ; тел.: 8 (964) 117-07-49; ORCID: .

Журба Ольга Михайловна – кандидат биологических наук, заведующий лабораторией, старший научный сотрудник (e-mail: ; тел.: 8 (908) 655-09-86; ORCID: .

варительно обожженными угольными электродами. Большую группу поступающих в воздух рабочей зоны ПАУ представляют возгоны каменноугольных смол и пеков (смолистые вещества), в составе которых определяется более 12 ПАУ с разной степенью канцерогенной активности: бенз(а)пирен, хризен, дибенз(a,i)пирен, бенз(к)флуарантен, фенантрен, пирен, антрацен и др. [6–8].

В России и в большинстве других стран оценка воздействия ПАУ и их нормирование проводятся по наиболее опасному и изученному из них бенз(а)пи-рену. В то же время для оценки реальной химической нагрузки и риска повреждения здоровья, помимо контроля за уровнем ПАУ в воздухе, используется биомониторинг содержания самих соединений или их метаболитов в биосубстратах организма. Показатели биологического мониторинга свидетельствуют о количественном содержании токсикантов, которые действительно поступили в организм и оказывают на него воздействие [9, 10].

В мировой практике биомониторинг ПАУ обычно проводится путем определения общепризнанного маркерного метаболита 1-гидроксипирена (1-ОНРyr) в моче, поскольку пирен является основным компонентом в смесях ПАУ, а уровень его метаболита коррелирует с общим содержанием ПАУ в воздухе и повреждением ДНК у лиц, экспонированных бенз(а)пиреном [11–15]. Американская ассоциация государственных промышленных гигиенистов (ACGIH) установила предельное значение биологического индекса экспозиции (BEI) по содержанию 1-ОНРyr в моче – 2,5 мкг/дм3 1. Выполненные на зарубежных алюминиевых заводах биомониторин-говые исследования обнаружили высокие уровни содержания 1-ОНРyr в моче у рабочих, занятых обслуживанием электролизеров и изготовлением угольных анодов [11, 12, 16, 17]. В России до настоящего времени подобных исследований не проводилось. Также отсутствуют данные по сравнительной оценке уровней содержания 1-ОНРyr среди рабочих основных профессий при разных технологиях получения алюминия.

Одним из важных этапов биомониторинговых исследований является измерение содержания 1-ОНРyr в моче. Перспективным и надежным способом определения 1-ОНРyr в моче может явиться газовая хромато-масс-спектрометрия (ГХ-МС), которой присущи высокая эффективность и селективность разделения компонентов на колонке и возможность использования дейтерированного стандарта 1-ОНРyr-d9. Более того, апробация и внедрение в практику разработанной на базе имеющихся зарубежных методов ГХ–МС [12, 18, 19] собственной высокочувствительной и метрологически аттестованной в РФ методики определения 1-ОНРyr в моче [20] позволит достоверно оценить экспозицию ПАУ на организм при проведении медико-биологического мониторинга.

Цель исследования – идентификация и оценка уровней содержания биомаркера экспозиции ПАУ 1-ОНРyr в моче у работников электролизных цехов при традиционной и модернизированной технологиях производства алюминия.

Материалы и методы. Исследования проводили на крупном алюминиевом предприятии Восточной Сибири, использующем традиционную технологию получения алюминия с самообжигающи-мися анодами (ТСА) и модернизированную – с предварительно обожженными анодами (ТОА).

Оценка содержания компонентов возгонов каменноугольных смол и бенз(а)пирена в воздухе электролизных цехов алюминиевого производства выполнена на основании анализа результатов собственных исследований и измерений санитарнопромышленной лаборатории предприятия [21], а также отечественных и зарубежных литературных данных [22, 23].

Химико-аналитическое исследование содержания метаболита ПАУ 1-гидроксипирена в моче включало в себя два этапа: сбор и обработка проб мочи, ГХ-МС-анализ метаболита и оценка результатов исследования.

Идентификацию и количественное определение 1-ОНРyr в моче проводили с помощью газового хроматографа Agilent 7890A с масс-селективным детектором Agilent 5975, капиллярной колонкой HP-5MS (30×0,25×0,25 мкм), жидкостным автосампле-ром Agilent 7693 согласно предложенной методике [20]. Для обработки проб использовали оптимизированные способы ферментативного гидролиза конъюгированной формы метаболита β-глюкоронидазой при 55 °С в течение 60 мин, двойной жидкостножидкостной экстракции аналита гексаном с упариванием в токе инертного газа, дериватизации растворенного сухого остатка в силилирующем растворе N, О-бис трифторацетамида (БСТФА) в триметилсилиловый эфир при комнатной температуре, хроматографирования в режиме мониторинга выбранных ионов (SIM) с m/z 290, 275, 299, 284 [24]. Количественное измерение 1-ОНРyr в моче проводилось с помощью внутреннего изотопно-меченого стандарта 1-ОНРyr-d9. Хроматограммы индивидуальной идентификации 1-ОНРyr в образцах мочи работников представлены на рис. 1.

При апробации предложенной методики ГХ-МС-определения содержания 1-ОНРyr в моче были выявлены следующие методические особенности: установлены оптимальные условия и параметры обработки проб мочи, обеспечивающие значительное сокращение ее времени за счет уменьшения продолжительности ферментативного гидролиза β-глюкоронидазой и дериватизации 1-ОНРyr силили- рующим реагентом БСТФА; достигнута высокая точность анализа при использовании внутреннего изотопно-меченого стандарта 1-ОНРyr-d9, отмечено повышение чувствительности методики определения вследствие увеличения степени экстракции аналита из биоматериала с помощью двукратной ЖЖЭН – гексаном. Пределы обнаружения и количественного определения для 1-ОНРyr составили соответственно 0,02 и 0,1 мг/мл, что значительно ниже предела обнаружения, установленного зарубежными методами измерения метаболита в моче (0,1–0,5 мг/мл) [12, 18].

Рис. 1. Хроматограммы опытного и контрольного образцов мочи: А – работник производства, концентрация – 1,98 мкг/л; В – контрольный образец, концентрация – 0,28 мкг/л

Работники электролизных цехов (142 человек), среди которых проводилась идентификация и анализ содержания биомаркера 1-ОНРyr в моче, были разделены на три группы: имеющие производственный контакт с ПАУ, в зависимости от профессии и используемой технологии электролиза алюминия, а также лица контрольной группы. Первую группу составили 112 работников основных профессий цехов, использующих ТСА: электро-лизники, анодчики и машинисты кранов (средний возраст – 37,5 ± 0,8 г. и средний стаж – 9,0 ± 0,5 г.). Во вторую группу вошли 30 работников, занятых в цехах, применяющих ТОА: операторы автоматизированного процесса производства по обслуживанию новых высокопроизводительных электролизеров (операторы-электролизники), перетяжке анодных рам (операторы-рамщики) и мостовых кранов (операторы-крановщики). Средний возраст работников данной группы составил 37,4 ± 1,2 г., средний стаж – 6,7 ± 0,7 г. Третью, контрольную, группу составили 14 человек, не работающих на этом предприятии и не имеющих профессиональный контакт с ПАУ.

Для объективной оценки содержания 1-ОНРyr у работников сбор проб мочи осуществляли при проведении периодического медицинского осмотра в поликлинике завода перед началом следующей утренней рабочей смены. Результаты измерений 1-ОНРyr в моче работников сравнивали с медианным уровнем контрольной группы (0,17 мкг/л) и предельным значением BEI (ACGIH) в моче, который составляет 2,5 мкг/л1.

Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием статистического программного обеспечения Jamovi (version 2.3.2), с помощью непараметрических критериев Краскела – Уоллиса и Манна – Уитни с поправкой Бонферрони и без нее. Результаты проведенных исследований представлены в виде медианы ( Ме ), межквартильного размаха ( Q 25 –Q 75 ) и интервала концентраций, мкг/л.

Результаты и их обсуждение. В результате анализа данных ранее проведенных исследований установлено, что содержание летучих компонентов возгонов каменноугольных смол и бенз(а)пирена в воздухе рабочей зоны электролизных цехов при использовании ТСА составляло 0,2–0,36 и 0,21–3,9 мкг/м³ соответственно, превышая допустимые уровни (0,2 и 0,15 мкг/м³ соответственно) в среднем до 1,8 и 26,0 раза соответственно. При этом наибольшие среднесменные концентрации смолистых веществ и бенз(а)пирена, превышающие ПДК до 1,8 и 26,0 раза соответственно, отмечались в рабочей зоне у анодчиков и электролизников. В то же время в цехах с ТОА средние концентрации возгонов каменноугольных смол на рабочих местах находились в пределах допустимого уровня (0,2 мг/м³), а бенз(а)-пирена – составляли 0,5–1,4 ПДК [21, 22]. По данным зарубежных авторов, уровни бенз(а)пирена в воздухе электролизных цехов европейских алюминиевых заводов варьировались от 0,19 до 2,8 мкг/м³ и достигали 48 мкг/м³ на рабочем месте анодчика, непосредственно вблизи самообжигающихся анодов Содеберга [17, 23]. Таким образом, совершенно очевидно, что с гигиенической точки зрения, для оптимизации условий труда в электролизных цехах необходима планомерная модернизация оборудования с переходом на технологию предварительно обожженных анодов.

Результаты ГХ-МС-анализа содержания 1-ОНРyr в моче работников электролизных цехов, использующих традиционную и модернизированную технологии получения алюминия, приведены в таблице и на рис. 2.

Анализ результатов исследований показал, что у всех обследованных, работающих в электролизных цехах, а также лиц контрольной группы, не имеющих профессионального контакта с ПАУ, отмечалось наличие метаболита 1-ОНРyr в моче, уровни которого варьировались в широком диапазоне – от 0,17 до 267,0 мкг/л и от 0,08 до 0,9 мкг/л соответственно.

В процессе исследований у работников электролизных цехов были выявлены значимые различия

Концентрации 1-гидроксипирена в моче работников основных профессий электролизных цехов получения алюминия

Тип технологии, профессия	n	Me ( Q 25 –Q 75 ), мкг/л	Min–Max, мкг/л
ТСА. Все работники	112	11,0 (2,4–39,3)*	0,17–267,0
Электролизник	49	3,6 (1,5–13,3)▲	0,17–98,0
Анодчик	26	75,2 (16,5–138,5)▲, ■, ♦	0,87–267,0
Машинист крана	37	11,8 (2,7–30,0)■	0,18–57,7
ТОА. Все работники	30	3,5 (1,4–7,3)*	0,61–14,7
Оператор-электролизник	16	3,5 (1,3–7,7)	0,61–14,7
Оператор-рамщик	6	2,2 (1,6–3,4)♦	1,1–7,3
Оператор-крановщик	8	6,8 (2,4–7,8)	0,81–10,9
Группа контроля	14	0,17 (0,10 – 0,30)	0,08–0,9

П р и м е ч а н и е : *^{, ♦, ▲, ■} – различия сравниваемых показателей между группами, статистически значимы при p < 0,05.

Рис. 2. Доля проб, превышающих предел BEI 1-OHPyr в моче (%) у работников электролизных цехов с ТСА и ТОА уровней содержания 1-ОНРyr в моче, как между основными группами рабочих профессий, так и по сравнению с контрольной группой и рекомендованным ACGIH предельным значением BEI. Так, медианные концентрации 1-ОНРyr в моче у работников цехов с ТСА – электролизников, анодчиков и машинистов кранов – превышали значения контрольной группы и BEI в 21–442 и 1,4–30 раз соответственно (p < 0,05). Наибольшее количество проб с превышением предельного значения BEI 1-ОНРyr в моче отмечалось у анодчиков и машинистов кранов – 96,1 и 75,7 % соответственно, в то время как у электро-лизников – 57,1 %. При этом у анодчиков, выполняющих операции по обслуживанию и замене само-обжигающихся угольных анодов в электролизерах, уровни содержания 1-ОНРyr в моче были самыми высокими, превышающими предел BEI в среднем в 30 раз, а также параметры 1-ОНРyr в моче у элек- тролизников – в 20 раз и у машинистов кранов – в 6,3 раза (p < 0,05). Это свидетельствует о доминирующем производственно-обусловленном уровне воздействия соединений ПАУ в рабочей зоне анодчиков и высоком риске развития нарушений их здоровья.

В цехах, применяющих модернизированную ТОА, медианные значения 1-ОНРyr в моче работников основных профессий составляли 2,2–6,8 мкг/л, превышая предел BEI в среднем в 1,4–2,7 раза, преимущественно у операторов-электролизников и операторов-крановщиков ( p < 0,05). При этом самые низкие концентрации 1-ОНРyr в моче, находящиеся в пределах BEI, определялись у операторов-рамщиков (2,2 мкг/л), выполняющих работу по перетяжке анодных рам и ремонту временной подвески анодов на электролизерах. Доля проб мочи, превышающих предел BEI 1-ОНРyr, также была более высокой у операторов-электролизников (62,5 %) и операторов-крановщиков (75,0 %) по сравнению с операторами-рамщиками (33,3 %).

Сравнение измеренных значений экскреции 1-ОНРyr с мочой у экспонированных работников в зависимости от применяемой технологии получения алюминия показало, что медианные концентрации данного метаболита в моче у операторов-рамщиков и в целом у всей когорты работников основных профессий цехов с модернизированной ТОА были достоверно ниже ( p < 0,05), чем у аналогичных групп работников цехов с традиционной ТСА (в 34,2 и 3,1 раза соответственно). Указанное может быть связано с существенным снижением образования и поступления в рабочую среду новых цехов компонентов ПАУ вследствие использования в новых электролизерах предварительно обожженных анодов, что подтверждается данными мониторинга содержания в воздухе смолистых веществ и бенз(а)-пирена [21, 22].

Следует отметить, что полученные результаты в целом согласуются с данными зарубежных исследований, отражают производственно-профессиональные особенности экскреции 1-OHPyr с мочой у работников, занятых обслуживанием электролизеров [12, 17, 24]. Особенно примечателен факт обнаружения повышенного уровня содержания 1-ОНРyr в моче у анодчиков цехов с ТСА, а также у машинистов (операторов) электромостовых кранов, находящихся в верхней зоне электролизных корпусов, куда поступают восходящие потоки вредных пылегазовых микстов. Исследования ряда авторов показали, что воздействие ПАУ на уровне 1-ОНРyr в моче 4,4 мкг/л может соответствовать относительному риску возникновения рака легких примерно на уровне 1,3, а содержание метаболита в моче свыше 7,7 мкг/л уже может оцениваться как наиболее высокий риск карциномы легких для рабочих [25, 26]. Следовательно, выявленные высокие уровни содер- жания 1-ОНРyr и существенное их превышение предельного значения BEI в моче у основных профессиональных групп работников алюминиевого производства могут свидетельствовать о серьезной угрозе для их здоровья. Примененный нами ГХ-МС-метод индикации содержания маркерного метаболита ПАУ – 1-ОНРyr в моче у экспонированных работников позволяет объективно оценивать экспозицию ПАУ на организм при проведении био-мониторинговых исследований. Наиболее действенным и радикальным путем профилактики профессиональной и производственно обусловленной (в том числе онкологической) заболеваемости работников является внедрение новых технологий электролиза алюминия с использованием обожженных углеродных и инертных анодов, современных герметичных электролизеров, полной автоматизации и механизации процессов и пыле-газоулавливания, позволяющих удалить токсические и канцерогенно-опасные вещества из производственной среды.

Выводы. Таким образом, результаты проведенных биомониторинговых исследований свидетельствуют о высоком содержании маркерного метаболита ПАУ – 1-ОНРyr – в моче у работников электролизных цехов алюминиевого завода, кото- рое зависит от уровня экспозиции компонентов ПАУ, применяемой технологии и профессии работника. Наивысшие внутренние нагрузки ПАУ по содержанию 1-ОНРyr в моче и связанный с ними риск нарушения здоровья установлены у анодчиков и машинистов кранов в цехах с традиционной ТСА, самые низкие – у операторов цехов с модернизированной ТОА. Апробированный метод ГХ-МС-идентификации метаболита ПАУ 1-ОНРyr в моче в качестве биомаркера может применяться для адекватной оценки производственной экспозиции к соединениям ПАУ, в том числе бенз(а)пирену. Проведенные исследования позволяют рекомендовать выполнение биомони-торинговых исследований 1-ОНРyr в моче работников электролизных цехов алюминиевых заводов при проведении углубленных медицинских осмотров для разработки мер первичной и вторичной профилактики профессиональных и производственно-обусловленных заболеваний.

Финансирование. Работа проведена в рамках средств, выделяемых для выполнения государственного задания ФГБНУ ВСИМЭИ.