Evaluación de la fracción bioaccesible de metales traza en muestras urbanas de PM10 recogidas junto a una planta de fabricación de aleaciones de manganeso

Abstract

RESUMEN: Durante las últimas décadas, numerosos estudios han establecido una relación entre la exposición crónica a niveles altos o moderados de manganeso (Mn) en aire y la aparición de problemas de salud de tipo neurológico. A pesar de ello, no existe regulación europea que establezca valores límite de manganeso en aire. Sin embargo, la Organización Mundial de la Salud (OMS) ha propuesto un valor guía anual de 150 ng Mn/m3. La determinación de la fracción bioaccesible del Mn, es decir, la cantidad máxima de metal potencialmente disponible para alcanzar el sistema sanguíneo, resulta vital para realizar una correcta evaluación de su efecto sobre la salud. El presente trabajo fin de máster tiene como objetivo determinar la bioaccesibilidad del Mn presente en muestras de partículas en suspensión (24h-PM10) recogidas previamente en Maliaño (Cantabria, España), un área urbana donde se han registrado niveles elevados de Mn de acuerdo al criterio establecido por la OMS, atribuidos principalmente a la proximidad de la zona a una planta de fabricación de aleaciones de ferromanganeso. Además, también se ha determinado la fracción bioaccesible de Zn y Fe, debido a que se trata de dos metales cuya presencia en el aire se relaciona igualmente con esta actividad. Un total de 24 filtros fueron sometidos a ensayos de lixiviación, empleando como agentes extractantes dos tipos de fluidos sintéticos que simulan el surfactante pulmonar: solución Gamble (pH=7,4) que simula el fluido intersticial característico de la zona extracelular de los alveolos, y ALF (pH=4,5) que simula el fluido de la región intracelular tras la respuesta del sistema inmunitario. Para ello, cada filtro fue cortado en 6 partes iguales (3 réplicas para Gamble y 3 réplicas para ALF) e introducido en un tubo de polietileno con 30 ml de fluido. Los tubos fueron introducidos en un incubador (37ºC) y agitados con un rotatorio (10 rpm) durante 24h. Al finalizar el ensayo, las muestras fueron centrifugadas (4200 rpm, 10 min), filtradas (0,45 μm, PP) y correctamente almacenadas (pH=2, 4ºC). La determinación de la concentración de metal en los lixiviados se realizó mediante ICPMS (espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo). La fracción bioaccesible de Mn, Fe y Zn resultó ser mayor empleando la solución ALF como agente lixiviante. La solubilidad del Mn en Gamble fue entre el 6,3% y el 31,3%, con una media de 17,9%. La fracción bioaccesible de Fe y Zn fue cercana a 0 % en este fluido. Por el contrario, la solubilidad del Fe y Zn fue superior en la solución ALF. Su fracción bioaccesible estuvo entre el 35,4% y el 94,6% (media=56,8%), y entre el 37,9% y el 112% (media=73,5%), respectivamente. Finalmente, ya que la fracción bioaccesible del Mn estuvo por encima del 100 % en todas las muestras, puede asumirse que la solución ALF es capaz de extraer el contenido total del metal. La bioaccesibilidad del Mn empleando la solución Gamble disminuye al aumentar la concentración total de Mn en aire. Esta correlación negativa se debe a la diferente especiación del Mn en las muestras de material particulado; en particular, las muestras con alto contenido en Mn son menos bioaccesibles, lo cual se asume que es debido a las aportaciones de compuestos de Mn menos solubles por parte de fuentes fugitivas de la fabricación de aleaciones de manganeso en condiciones de viento sur. Por último, se aprecia una correlación positiva entre la bioaccesibilidad del Zn empleando la solución ALF y el contenido total del mismo. Sin embargo, no se dispone de información suficiente de su especiación para explicar este hecho.

ABSTRACT: Over the last few decades, several epidemiological studies have provided solid evidence for association of chronic exposure to manganese (Mn) and adverse neurological health effects. In spite of this, there is not a specific European regulation to limit the values of manganese in air. However, the World Health Organization proposed a guideline value of 150 ng/m3 of manganese in air. The assessment of the bioaccesible fraction of Mn, the largest amount of pollutants dissolved in lung fluid as available to reach the circulatory system, is essential to evaluate the health effects. The objective of the present Master’s Final Project is to evaluate the bioaccessibility of Mn using particulate matter samples (24h PM10) in the region of Maliaño (on the north of Spain) placed close to manganese alloy factory where the level of Mn is elevated according to the WHO. Besides, the bioaccessibility of Fe and Zn were also studied, since these metals are also releases from the factory. In this project, 24 quartz filters were evaluated using as leaching agent two different surrogate lung fluids: Gamble’s solution (pH=7.4) an interstitial fluid that simulates the extracellular lung fluid conditions, and ALF (pH=4.5) that simulates the intracellular conditions related with phagocytosis. Each filter was cut into 6 similar pieces (3 replicates used with Gamble’s solution and 3 more with ALF), and then, put into contact with 30ml of surrogated fluid using polyethylene tubes. The samples were placed into an isothermal chamber at 37ºC, with agitation (10rpm) for 24h. Finally, the samples were centrifuged at 4200 rpm for 10 minutes and filtered through 0.45 μm PP filters. Finally, the samples were acidified and stored at 4ºC. Metal analysis was performed by ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry). The results show that all the metals have a greater bioaccessibility using the ALF fluid. Mn solubility in Gamble’s solution ranged from 6.3% to 31.3%, with a mean value of 17.9%. However, the bioaccessibility for Zn and Fe was near to 0%. On the other hand, the solubility of Mn on ALF was above 100% in the samples. Nevertheless, the soluble fraction of Zn and Fe ranged between 37.9% and 112% (mean=73.5%), and 35.4% and 94.6% (mean=56.8%) respectively. In addition, the bioaccessibility for Mn, using Gamble’s solution as leaching fluid, decreases when the total concentration of Mn increases. This negative correlation is due to the different manganese speciation in the particulate matter samples. Particularly, high-manganese samples showed lower bioaccessibility, which is assumed to be due to the release of low-solubility Mn compounds coming from fugitive sources of manganese alloy production under South wind conditions. Finally, it exists a positive correlation between the bioaccessibility of Zn using ALF and the total concentration of Zn in air. However, there is not enough information to explain how Zn speciation changes the bioaccessibility.