Essentielle und toxische Effekte von Mangan beim Menschen

Inhaltsverzeichnis

  Vorwort  4

1.  Einleitung  5

2.  Vorkommen und Gewinnung  5

3.  Chemische und physikalische Eigenschaften  6

4.  Verwendung  7

5.  Mangan im menschlichen Stoffwechsel  7

5.1.  Biochemische Grundlagen  7

5.2.  Bedarf  8

5.3  Mangan Mangel  9

5.3.1  Mensch  9

5.3.2  Tier  9

5.4  Mangan Quellen  9

5.5  Bioverfügbarkeit und Resorption  10

5.5.1  Resorption im Dünndarm  10

5.5.2  Pulmonale Resorption  10

5.5.3  Dermale Resorption  10

5.6  Mangankonzentrationen im Blut  11

5.7  Elimination  11

5.7.1  Biliäre Ausscheidung  11

5.7.2  Ausscheidung über Körpersekrete  11

5.8  Mangan Überversorgung und Toxizität  12

5.8.1  Akute Vergiftungen  12

5.8.2  Chronische Vergiftungen  12

6.  Gesundheitsrisiken und toxische Effekte  13

6.1  BAT Wert  13

6.2  MAK Wert  14

6.3  Berufskrankheit Manganismus  14

6.3.1  Beschreibung der Krankheit  14

6.3.2  Verlauf der Krankheit  15

6.3.3  Therapie  16

6.3.4  Prävalenz  16

7.  Heidelberger Mangan Studie  17

7.1  Einführung und Ziele  17

7.2  Kollektive  17

7.2.1  Teilkollektiv I  18

7.2.2  Teilkollektiv II  18

7.2.3  Teilkollektiv III  19

7.3  Körperliche und psychische Untersuchungen  20

7.3.1  Anamnese  20

7.3.2  Luft und Biomonitoring  21

7.3.2.1  Luftmonitoring  21

7.3.2.2  Biomonitoring  22

7.3.3  Körperliche Untersuchung  24

7.3.3.1  Parkinson Symptomatik  24

7.3.3.2  Herz  26

7.3.3.3  Blutkreislauf  26

7.3.3.4  Atemwege  27

7.3.3.5  Allgemeiner Gesundheitszustand  27

7.3.4  Klinisch chemische Untersuchung  28

7.3.4.1  Leber  28

7.3.4.2  Blut  29

7.3.4.3  Niere  29

7.3.5  Neuropsychologische und psychomotorische Testverfahren  30

7.3.5.1  Fragebögen  30

7.3.5.2  Neuropsychologisch kognitive Verfahren  33

7.3.5.3  Psychomotorische Test  35

7.3.6  Neurophysiologische Untersuchung  37

7.3.7  MRT  39

7.4  Schlussfolgerungen  41

8.  Trinkwasserverordnung  43

9.  Schlusswort  45

10.  Literaturverzeichnis  46

  Tabellenverzeichnis  

Tabelle 1:  Farben der Mn Verbindungen  6

Tabelle 2:  Schätzwerte für die angemessene Zufuhr  8

Tabelle 3:  Mangan Konzentration einiger ausgewählter Lebensmittel (mg 100g)  9

Tabelle 4:  Toxische Effekte durch Mangan Exposition  13

Tabelle 5:  Ergebnisse der Luftmessungen  21

Tabelle 6:  Ergebnisse des Biomonitorings (Trockenzellbatterieherstellung)  23

Tabelle 7:  WRS Gesamt Summenpunktwerte (Mittelwert und Bereich)  25

Tabelle 8:  Ergebnisse der körperlichen Untersuchungen im Bereich der Atemwege  27

Tabelle 9:  Relative Häufigkeiten der vom ärztlichen Untersucher vorgenommenen  

  Einschätzung des Gesundheitszustandes nach der klinisch körperlichen  

  Untersuchung  28

Tabelle 10:  Ergebnisse der Subskalen der EWL (Mittelwert und Bereiche)  32

Tabelle 11:  Neurologisch kognitive Verfahren und ihre zugrundeliegenden Konstrukte  33

Tabelle 12:  Übersicht der angewandten psychomotorischen Verfahren  35

Tabelle 13:  Ergebnisse der MLS  36

Vorwort

Mangan ist ein essentielles Spurenelement für den menschlichen Organismus. Durch hohe Dosen und/oder durch chronische Exposition kann es jedoch zu nachhaltigen gesundheitlichen Schäden kommen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Mangan- Effekte, insbesondere der neurotoxischen Effekte, auf den menschlichen Organismus.

Zunächst werden allgemeine Eigenschaften des Mangans aufgezeigt. Im Anschluss daran folgt eine Beschreibung der möglichen Gesundheitsrisiken undschäden, die Mangan hervorrufen kann.

Wichtiger Bestandteil dieser Arbeit ist eine differenzierte Betrachtungsweise der möglichen Mangan- Effekte. Es soll verdeutlicht werden, dass Mangan auf der einen Seite schädlich sein kann, es aber auf der anderen Seite nicht zwingend sein muss. Es gibt in Deutschland strenge Vorgaben, was die Konzentrationen von Mangan am Arbeitsplatz oder z. B. im Trinkwasser angeht.

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1. Einleitung

Mangan ist ein in geringer Konzentration ubiquitär vorkommendes Element in der Natur und ist seit langer Zeit bekannt. Schon die Römer, unter ihnen vor allem die Glasmacher, haben die Eigenschaft des Mangans, Glas zu entfärben, geschätzt. Sie nannten es Manganstein (lapis manganensis) oder Glasseife (sapo vitri). Mangan ist allgemein als Braunstein bekannt.

Der Name des Mangans leitet sich aus dem Griechischen (manganizein= ich reinige wirklich) ab.

1931 wurde erstmals nachgewiesen, dass das Spurenelement Mangan essentiell für den tierischen Organismus ist. Es dient als Cofaktor bei Enzymreaktionen der Aktivierung der Enzyme und in dieser Form hat es eine nicht zu vernachlässigende Rolle bei der Fortpflanzung und im Wachstum.

2. Vorkommen und Gewinnung

Die Erdrinde/-kruste enthält Mangan nach Eisen als zweit häufigstes Element. Die Konzentrationen sind in der Literatur unterschiedlich angegeben. Im Durchschnitt beträgt die Konzentration 0,1%. Sie schwankt zwischen 0,064 und 0,9%. Im Boden findet man Konzentrationen von durchschnittlich 560mg/kg.

Mangan kommt in der Natur nicht elementar vor, sondern in Form von oxidierten Erzen. Insgesamt gibt es über 100 Manganmineralien. Zu den wichtigsten zählen folgende:

^ Braunstein (MnO 2 )

^ Braunit (Mn 2 O 3 ) ^ Bixbyit (MnFe III ) 2 O 3 ^ Manganit (Mn 2 O 3 xH 2 O) ^ Hausmannit (Mn 3 O 4 ) ^ Schwarzer Glaskopf (Braunstein verunreinigt mit Kalium, Natrium und Barium) ^ Manganspat (MnCO 2 , Himbeerspat) ^ Rhodonit (MnSiO 3 )

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Grosse Manganerz- Lagerstätten findet man im Schwarzen Meer, Indien, China, Brasilien, Südafrika und Russland. In den genannten Gebieten liegt der Mangan- Gehalt bei 40 bis 50%.

Eine Besonderheit sind die sog. „Manganknollen“ der Tiefsee (Nordostpazifik). Hier hat sich das Mangan zusammen mit anderen Metalloxiden auf dem Meeresboden abgelagert. Die Manganerze werden im Tagebau gewonnen. Jährlich werden zwischen 20 und 30 Mio. t Mangan gefördert.

3. Chemische und physikalische Eigenschaften

Mangan ist ein helles silbergraues, hartes und sprödes Metall. Es steht im Periodensystem der Elemente in der 7. Nebengruppe, zusammen mit anderen Schwermetallen. In dieser Gruppe ist es das 1. Element. Mangan hat die Ordnungszahl/Protonenzahl 25. Die relative Atommasse beträgt 54,94g. Der Schmelzpunkt liegt bei 1247°C, der Siedepunkt bei 2090°C. In Säure ist Mangan unbeständig.

Mangan kommt in den Oxidationsstufen -III bis +VII vor. In Salzen findet man Mangan in der Oxidationsstufe +II vor. Die stabilste Oxidationsstufe ist bei +IV gegeben, in Form des Braunsteins (MnO 2 ). Je nach Oxidationsstufe, verändert sich die Farbe der Mangan-Ionen:

Tabelle 1: Farben der Mn- Verbindungen

Quelle: dtv- Atlas zur Chemie, Band 1, 1994

Mangan(II)-oxid ist stark oxidierend. Noch stärker jedoch oxidiert das Permanganat- Ion

- ).In saurer Lösung wird es unter Wasserstoff- Entwicklung zu farblosen Mn 2+ - Ionen

(Mn 4

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reduziert. In alkalischer und neutraler Lösung wird es zu braunem Mangan(IV)-oxid reduziert.

Eine weitere wichtige Manganverbindung neben dem Braunstein ist das Kaliumpermanganat (KMnO 4 ). Es kristallisiert in schwarzen, metallischen Kristallen. Seine Lösung ist tiefviolett. Kaliumpermanganat wird eingesetzt als Oxidations- und Desinfektionsmittel.

4. Verwendung

Mangan wird zu 90% für Eisen- Mangan- Legierungen verwendet, die in der Stahlindustrie zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind das Stahleisen mit 2-5% Mangan, Spiegeleisen mit 5-30% Mangan oder das Ferromangan mit einem Anteil an Mangan von 30-80%.

Weitere Manganlegierungen werden mit Aluminium, Kupfer und Magnesium hergestellt. Eine weitere Verwendung findet Mangan in Form von Braunstein (MnO 2 ) in Trockenbatterien. Hier wird es als Depolarisator eingesetzt.

Eine wichtige Mangan- Verbindung ist das Kaliumpermanganat (KMnO 4 ). Kaliumpermanganat ist ein starkes Oxidationsmittel und wird für technische Oxidationen, als Bleichmittel, Holzbeize und zum Entfärben von Ölen verwendet. Organische Mangan-Verbindungen kommen in Pestiziden und Antiklopfmitteln (Kraftstoffzusatz) vor.

5. Mangan im menschlichen Stoffwechsel

5.1. Biochemische Grundlagen

Metalloenzyme haben in ihrem aktiven Zentrum Metalle, die als Cofaktoren bei Enzymreaktionen dienen. Mangan ist eines dieser Metalle. Es kommt in vielen Metalloenzymen vor, aktiviert hier jedoch meist nur unspezifisch die Enzyme. Wichtige Mangan-Glutaminsynthetase und die mitochondriale Superoxiddismutase. Mangan greift also in die Gluconeogenese, den Aminosäure- Stoffwechsel, den Harnstoffzyklus, den Bindegewebsstoffwechsel und den Lipidmetabolismus ein.

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Als Bestandteil der Superoxiddismutase kommt Mangan im weiteren Sinne die Funktion eines Antioxidans zu.

5.2. Bedarf

Laut DGE beträgt der durchschnittliche Mangangehalt im menschlichen Körper 10- 40mg. Eine besonders hohe Konzentration kann in den menschlichen Knochen nachgewiesen werden, ebenso- als Bestandteil mitochondrialer Enzyme- im mitochondrialen Gewebe (Leber, Pankreas, Niere).

Die Empfehlung der Deutschen Gesellschaft für Ernährung beläuft sich auf 2-5mg Mangan pro Tag für Erwachsene. Dieser Wert ist als Schätzwert angegeben, da man sich noch nicht einig ist, wie viel der Körper genau benötigt. Der Wert von 2-5 mg Mangan/Tag beschreibt den Wert, bei dem es weder zu einem Mangel noch zu einer Überdosierung kommen kann.

Tabelle 2: Schätzwerte für die angemessene Zufuhr

Quelle: Referenzwerte der Nährstoffzufuhr, 2001

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5.3 Mangan- Mangel

5.3.1 Mensch

Ein Mangan- Mangel beim Menschen kommt unter normalen Bedingungen kaum vor. Einigen Wissenschaftler ist es gelungen, unter experimentellen Bedingungen einen Mangan- Mangel auszulösen (Friedmann et al.). Sie beobachteten Hypocholesterinämie, Dermatitis und erhöhte Serumwerte für Calcium, Phosphat und alkalische Phosphatase. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass Mangan in einer Mangelsituation ebenso wie z. B. Calcium aus dem Knochen mobilisiert wurde, um die Homöostase im Blut zu gewährleisten.

5.3.2 Tier

Meist wurden Mangelerscheinungen in Tierexperimenten untersucht, in welchen die Tiere einer Mangan- Mangeldiät unterzogen wurden. Es traten Mangelerscheinungen auf wie Wachstumsstörungen, Skelett- und Knorpelveränderungen und Fertilitätsstörungen mit Degeneration der Sexualorgane.

5.4 Mangan- Quellen

Grundsätzlich gilt bei Mangan, dass Lebensmittel pflanzlicher Herkunft einen höheren Gehalt aufweisen als jene tierischer Herkunft. Getreideprodukte wie z. B. Haferflocken, Reis, Weizenkeime und Sojamehl enthalten viel Mangan. Zu Mangan- reichen Gemüsen zählen Knoblauch, Sojabohnen, weiße Bohnen, Lauch und Spinat. Auch beim Obst findet man einige bedeutende Manganlieferanten wie Ananas, Heidelbeeren und Himbeersaft. Auch Tee enthält nennenswerte Mengen des Spurenelements, ebenso wie Nüsse. Tierische Produkte und Meerestiere sind dagegen sehr arm an Mangan. Tabelle 3: Mangan- Konzentration einiger ausgewählter Lebensmittel (mg/100g)

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