Metalle und ihre Verbindungen als Kontaminanten in Lebensmitteln

Als Bestandteile der Erdkruste sind Metalle und ihre Verbindungen überall verbreitet. Damit gelangen sie in die Atmosphäre, in Gewässer und in Böden. Über die Aufnahme und Speicherung in Pflanzen finden sie den Weg in die Nahrungskette und damit in Lebensmittel. In welchem Ausmaß Metalle in die Umwelt und damit potenziell in Lebensmittel gelangen, hängt neben natürlichen Expositionsquellen von der industriellen Nutzung ab. Schwere akute Gesundheitsstörungen durch Metallbelastungen in der allgemeinen Umwelt sind heutzutage selten, aber nicht ausgeschlossen. Hier sind insbesondere Cadmium, Blei, Quecksilber und Arsen von Belang. So wurde das Auftreten der sog. Itai-Itai-Krankheit in Japan mit dem Verzehr von cadmiumkontaminiertem Reis und Wasser in Verbindung gebracht. Quecksilbervergiftungen in der allgemeinen Bevölkerung wurden in Japan und im Irak beobachtet. Gründe hierfür waren im ersten Fall der Konsum von kontaminiertem Fisch aus quecksilberverseuchten Gewässern und im zweiten Fall der Verzehr von Saatgut, das mit quecksilberhaltigen Fungiziden behandelt wurde. Bleivergiftungen wurden hauptsächlich bei Kindern durch das Verschlucken von bleihaltigen Farben hervorgerufen. Auch im Fall von Arsen sind Umweltbelastungen von Bedeutung. Hier können insbesondere die Belastung von Böden und Trinkwasser sowie der Verzehr arsenbelasteter Nahrungsmittel zu subakuten oder chronischen Gesundheitsstörungen führen.

Während die Symptome akuter oder subakuter Metallvergiftungen gut bekannt sind und heutzutage nur noch selten auftreten, gewinnt die Aufklärung von chronischen Gesundheitsschäden, die bei länger andauernder Exposition gegenüber vergleichsweise geringen Konzentrationen toxischer Metallverbindungen relevant sind, an Bedeutung. Hierzu gehören beispielsweise Schädigungen des Zentralnervensystems durch Blei, Mangan und Quecksilber sowie Schädigungen des Immunsystems. Besonderes Interesse gilt ferner der Frage nach einer potenziell krebserzeugenden Wirkung von Metallverbindungen. Hier stehen Cadmium, Arsen und Blei im Vordergrund, die aufgrund von epidemiologischen Studien und/oder Tierversuchen als kanzerogen identifiziert und entsprechend beispielsweise von der International Agency for Research on Cancer (IARC), Lyon, und der Ständigen Senatskommission der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe (MAK-Kommission) eingestuft wurden. Diesen Einstufungen liegen jedoch oftmals inhalative und vergleichsweise hohe Expositionen am Arbeitsplatz zu Grunde. Ob dies jedoch auch für in der Regel geringere Expositionen über die Nahrung von Bedeutung ist, muss für die jeweiligen Metalle und ihre Verbindungen abgeklärt werden; zu berücksichtigen sind hierbei Unterschiede im Aufnahmeweg, in der Bioverfügbarkeit sowie die zu Grunde liegenden Wirkungsmechanismen, insbesondere Wechselwirkungen im Niedrigdosisbereich. Als Beurteilungsmaßstab für schädigende nicht-kanzerogene Effekte mit einer definierbaren Wirkungsschwelle können „Tolerable Weekly Intake“(TWI)-Werte zu Grunde gelegt werden, die u. a. von der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) für verschiedene Metalle abgeleitet wurden. Der Margin of Exposure (MOE) drückt das Verhältnis aus, welches zwischen der tatsächlichen Exposition der Verbraucher und jener Exposition besteht, die entweder in einem Tierexperiment oder in epidemiologischen Studien eine gesundheitliche Beeinträchtigung (z. B. Erhöhung der Tumorinzidenz) hervorruft, die bei einem bestimmten Prozentsatz der Exponierten zusätzlich auftritt.

Arsen gehört zu den Halbmetallen und tritt sowohl in anorganischer als auch in organischer Form auf. War es früher hauptsächlich als beliebtes Mordgift bekannt, stehen heute für die Allgemeinbevölkerung eher Umweltbelastungen im Fokus, für die sowohl natürliche als auch anthropogene Quellen relevant sind. Die kommerzielle Verwendung von Arsen ist in der Bundesrepublik Deutschland inzwischen auf die Halbleiterfertigung beschränkt. International wird es bei der Laugenreinigung im Rahmen der Zinkgewinnung, in Holzschutz- und Pflanzenbehandlungsmitteln, in der Glas- und Keramikindustrie sowie als Bestandteil von Nichteisenmetalllegierungen eingesetzt. Aus toxikologischer Sicht muss zwischen anorganischem und organischem Arsen unterschieden werden; Ersteres ist wesentlich toxischer (s. unten). Eine je nach geologischen Gegebenheiten bedeutende Expositionsquelle für anorganisches Arsen ist das Grundwasser, wodurch es in Brunnen, ins Trinkwasser, aber auch in Pflanzen gelangt. Die gemessenen Arsenkonzentrationen im Grundwasser reichen von nicht nachweisbar bis 800 µg/l. Im Trinkwasser, in dem es als Arsenat (+5) oder Arsenit (+3) vorliegt, können in einigen Gebieten der Erde wie z. B. West-Bengalen und Bangladesch Arsengehalte von bis zu 9 mg/l erreicht werden. In Deutschland überschreiten die Trinkwassergehalte nur selten 10 µg/l; in einigen Mineralwässern wurden aber Werte von bis zu 45 µg/l nachgewiesen. Ferner gelangt Arsen über Phosphatdünger und Klärschlamm in Böden und damit in Pflanzen. Relevante Quellen für anorganisches Arsen sind, neben Trinkwasser: Reis und Reisprodukte, verarbeitete Getreideerzeugnisse sowie Milch und Milchprodukte. Insbesondere in Reis können in Abhängigkeit vom Anbaugebiet und der Anbaumethode (in der Regel Wasseranbau) sowie von der weiteren Verarbeitung vergleichsweise hohe Konzentrationen auftreten [1].

Der Hauptteil des über die Nahrung aufgenommenen organischen Arsens stammt in Deutschland aus Fisch und Fischprodukten, in denen Arsen vorwiegend als Arsenobetain oder Arsenocholin vorliegt. Darüber hinaus wurden in den letzten Jahren auch Arsenolipide in Fischölen identifiziert. Weiterhin relevant sind Braun- und Rotalgen, in denen mehr als 100 mg/kg TG Arsenozucker nachgewiesen wurden.

Werden längerfristig erhöhte Mengen an Arsen oder seinen anorganischen Verbindungen entweder inhalativ oder oral (z. B. über das Trinkwasser) aufgenommen, ist dies mit einer Reihe von toxischen Wirkungen verbunden. So treten vermehrt Schädigungen des peripheren und zentralen Nervensystems, des Atemtraktes, der Haut, der Leber und der peripheren Blutgefäße auf. Letzteres ist die Ursache für die sog. „Blackfoot Disease“ in Taiwan. Im Gegensatz zu den meisten anderen Metallverbindungen ist die kanzerogene Wirkung von Arsenverbindungen wesentlich klarer beim Menschen als im Tierversuch belegt. So wurden nach inhalativer Arsenbelastung in mehreren epidemiologischen Studien vermehrt Tumoren des Respirationstraktes beobachtet. Der erhöhte Gehalt von Arsen im Trinkwasser, und somit die orale Aufnahme, ist mit dem gehäuften Auftreten von Hautkrebs, aber auch von Lungen‑, Blasen- und Leberkrebs verbunden. Arsen(V) wird zunächst zu dem toxischeren Arsen(III) reduziert, bevor es in der Leber biomethyliert wird. Hier werden aus Arsenit jeweils drei- und fünfwertige mono- und dimethylierte Arsenspezies in Form von monomethylarsoniger Säure (MMA(III)), dimethylarsiniger Säure (DMA(III)), Monomethylarsonsäure (MMA(V)) und Dimethylarsinsäure (DMA(V)) gebildet. Galt diese Methylierung bis vor einigen Jahren noch als Detoxifizierung, zeigen Forschungsergebnisse der letzten Jahre, dass insbesondere die dreiwertigen methylierten Metabolite eine erhöhte Toxizität und auch Genotoxizität im Vergleich zu Arsenit aufweisen. Bezüglich der kanzerogenen Wirkungen sind neben der Induktion oxidativer DNA-Schäden eher indirekte Mechanismen von Bedeutung, insbesondere die Hemmung von DNA-Reparaturprozessen und die Beeinflussungen von DNA-Methylierungsmustern mit der Folge von veränderten Genexpressionsmustern von Protoonko- und Tumorsuppressorgenen sowie genomischer Instabilität. Diese Beeinflussungen treten im Fall von anorganischen Arsenverbindungen bereits bei sehr niedrigen, auch für Umweltexpositionen relevanten Konzentrationen auf [2]. Bezüglich der organischen Arsenverbindungen gelten Arsenobetain und Arsenocholin als toxikologisch unbedenklich, wohingegen eine toxikologische Bewertung von Arsenozuckern und Arsenolipiden noch aussteht.

Die IARC und die MAK-Kommission stuften Arsen und seine anorganischen Verbindungen in die Kanzerogenitätskategorie 1 ein, d. h. es handelt sich um Stoffe, die beim Menschen Krebs erzeugen. Sowohl von der Weltgesundheitsorganisation (WHO 1993), der amerikanischen Umweltschutzbehörde (EPA 2001) als auch durch die Trinkwasserverordnung (2001) wurde ein Trinkwassergrenzwert von 10 µg Arsen/l festgelegt. Seit dem 01.01.2006 gilt dieser Wert auch für natürliche Mineral- und Tafelwässer; Wasser zur Zubereitung von Säuglingsnahrung darf einen Gehalt von 5 µg/l nicht überschreiten (Min/TafelWV). Die vom Gemeinsamen FAO/WHO-Sachverständigenausschuss für Lebensmittelzusatzstoffe („Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives“, JECFA) im Jahr 1989 abgeleitete vorläufig tolerierbare wöchentliche Aufnahmemenge (Provisional Tolerable Weekly Intake, PTWI) von 15 µg Arsen/kgKG/Woche wurde 2010 zurückgezogen und auch von der EFSA (2009) als nicht angemessen bewertet [3]. Grundlage hierfür waren Berechnungen der sog. Benchmark-Dosis, welche BMDL₀₁-Werte („Benchmark Dose Lower Bound“, unterer Grenzwert des Vertrauensbereichs der Benchmark-Dosis für einen 1%igen Anstieg des Risikos) zwischen 0,3 und 8 µg Arsen/kgKG pro Tag für Lungen, Haut- und Blasentumoren sowie Hautschädigungen ergaben. Nach aktualisierten Abschätzungen der EFSA (2014) liegen die nahrungsbedingte mittlere Aufnahme bzw. die 95. Perzentile der nahrungsbedingten Aufnahme anorganischen Arsens für die Gruppe der Säuglinge und Kinder in Europa im Bereich von 0,2–1,4 bzw. 0,4–2,1 µg/kgKG und Tag und damit nahe am bzw. im BMDL₀₁-Wertebereich für das Auftreten von Tumoren bzw. Hautschädigungen beim Menschen [1]. Für Erwachsene in Europa liegen die nahrungsbedingte mittlere Aufnahme anorganischen Arsens im Bereich von 0,1–0,4 mg/kgKG und Tag und die 95. Perzentile bei 0,1–0,6 µg/kgKG und Tag, womit für einige Erwachsene in Europa eine Überschreitung der unteren Grenze des BMDL₀₁-Wertebereichs gegeben ist. Ein erhöhtes Krebsrisiko im Zusammenhang mit der nahrungsbedingten Aufnahme anorganischen Arsens kann daher für eine Reihe von Verbrauchern nicht ausgeschlossen werden, und die Expositionen sollten so weit wie möglich gesenkt werden [1, 3]. So gelten seit dem 01.01.2016 Höchstgehalte für anorganisches Arsen in Reis und Reisprodukten, die besonders hohe Gehalte in diesen Lebensmitteln verhindern sollen. Das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) empfiehlt darüber hinaus, Säuglinge und Kinder nicht ausschließlich mit Getreideprodukten auf Reisbasis zu ernähren [4], da sich sowohl für Kinder als auch für Erwachsene durch den Verzehr von Reis und Reisprodukten vergleichsweise niedrige MOE-Werte ergeben: von 9 bis 500 bzw. 37 bis 1000 bei mittleren Verzehrsmengen und von 2 bis 143 bzw. 12 bis 320 bei hohen Verzehrsmengen [5].

Cadmium ist ein natürliches Element der Erdkruste, in der es als Cadmiumoxid, Cadmiumchlorid, Cadmiumsulfat oder Cadmiumsulfit vorkommt. Cadmiumverbindungen sind sowohl in der Umwelt als auch am Arbeitsplatz weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Lötmetallen, in Pigmenten, als Stabilisatoren in PVC und in Batterien eingesetzt. Obwohl die industrielle Nutzung aufgrund der Toxizität in den letzten Jahren erheblich zurückgegangen ist, sind einige Anwendungsbereiche ansteigend. Hierzu zählt der Einsatz in Nickel-Cadmium-Akkumulatoren sowie in der Galvanik-Industrie.

Bei nicht zusätzlich beruflich exponierten Nichtrauchern ist die orale Aufnahme über Lebensmittel die überwiegende Expositionsquelle. Aufgrund des ubiquitären Vorkommens in Böden ist Cadmium in allen pflanzlichen und tierischen Lebensmitteln vorhanden. Der Gehalt in tierischen Lebensmitteln ist abhängig vom Cadmiumgehalt in Futtermitteln. Aufgrund der Anreicherung von Cadmium finden sich hohe Gehalte insbesondere in der Leber und der Niere. In pflanzlichen Lebensmitteln sind insbesondere Nüsse, Kerne und Samen, darunter auch Kakaobohnen, cadmiumreich. Bezieht man jedoch die durchschnittlichen Verzehrsmengen mit ein, so tragen insbesondere Gemüse und Getreide zur Cadmiumaufnahme der Allgemeinbevölkerung bei [6]. Auch Schokolade, insbesondere Bitterschokolade, kann durchaus relevante Mengen an Cadmium enthalten, sodass entsprechende EU-Grenzwerte vorgeschlagen wurden (s. unten). Bei Rauchern trägt zusätzlich die inhalative Aufnahme erheblich zur Cadmiumexposition bei. Nicht zu vernachlässigen ist darüber hinaus die Freisetzung von Cadmium aus Keramikgefäßen mit cadmiumhaltiger Glasur. Zwar werden die im Jahr 1984 festgelegten Höchstmengen nur selten überschritten, aber selbst deren Einhaltung kann zu erheblichen Überschreitungen der tolerierbaren wöchentlichen Aufnahmemenge (TWI, s. unten) führen [7].

Akut toxische Wirkungen sind unter aktuellen Expositionsbedingungen selten. Dennoch sind schwere Gesundheitsstörungen beim Menschen durch Cadmiumexpositionen bekannt. Einen besonders gravierenden Fall von umweltbedingten Cadmiumvergiftungen stellte das Auftreten der sog. Itai-Itai-Krankheit in Japan dar, die auf den Verzehr von großen Mengen an kontaminiertem Reis zurückgeführt werden konnten. Die Krankheitssymptome waren starke Schmerzen im Rücken und in den Beinen, die durch Osteomalazie und Osteoporose ausgelöst wurden, deren Ursache massive Nierenschäden waren. Diese führten zu Störungen im Calcium‑, Phosphat- und Vitamin-D-Metabolismus in den Knochen. Für die Allgemeinbevölkerung potenziell relevante toxische Wirkungen umfassen insbesondere Nierenfunktionsstörungen (Nephropathie), Wirkungen auf das kardiovaskuläre System sowie Wirkungen auf das Knochensystem. Problematisch ist vor allem die starke Akkumulation von Cadmium in Leber und Niere. In diesen Organen induziert Cadmium Metallothionein, ein kleines, schwefelhaltiges Protein, und bindet daran. Obwohl dieses Protein vor der akuten Cadmium-Toxizität schützt, bewirkt es lange Halbwertszeiten von mehreren Jahrzehnten. Die höchsten Cadmiumgehalte finden sich in der Nierenrinde. Nierenfunktionsstörungen treten bereits bei vergleichsweise niedrigen Konzentrationen auf. Neben beruflich exponierten Personen können hiervon insbesondere Personen mit überdurchschnittlich hohem Verzehr von cadmiumhaltigen Lebensmitteln, Personen mit Calcium- Eisen- und Vitamin-D-Mangel sowie Raucher betroffen sein. Bei inhalativer Exposition gelten Cadmium und seine Verbindungen als krebserzeugend (Lunge und Niere beim Menschen, in Tierversuchen Lunge und Prostata) [8, 9]. Für die Kanzerogenität nach oraler Aufnahme ist die Datenlage nicht so eindeutig; jedoch liegen Hinweise auf Lungen‑, Prostata‑, Blasen‑, Gebärmutter- und Brusttumoren vor. Im Tierversuch wurden Tumoren der Prostata, der Hoden und der Nebenniere beschrieben. Bezüglich der zu Grunde liegenden Wirkungsmechanismen ist eine direkte DNA-schädigende Wirkung für die Kanzerogenität eher von untergeordneter Bedeutung; relevante Wirkungsmechanismen umfassen die Induktion von oxidativem Stress, die Hemmung von DNA-Reparatursystemen, die Inaktivierung von Tumorsuppressorproteinen sowie Veränderungen des DNA-Methylierungsmusters und damit der Genexpression [10].

Für erwachsene „Normalverzehrer“ (mittlere tägliche Verzehrmenge für alle möglichen cadmiumhaltigen Nahrungsmittel bei mittlerem Cadmium-Gehalt der Nahrungsmittel) in Deutschland wurde unabhängig vom Geschlecht die wöchentliche nahrungsbedingte Cadmium-Aufnahme mit ca. 1,5 µg/kgKG abgeschätzt. Vielverzehrer (hohe tägliche Verzehrmenge für alle möglichen cadmiumhaltigen Nahrungsmittel bei mittlerem Cadmium-Gehalt der Nahrungsmittel) in Deutschland liegen geschlechtsunabhängig bei einer Cadmium-Aufnahme von 2,3 µg/kgKG und Woche. Noch höher (3 µg/kgKG und Woche) liegt die nahrungsbedingte Cadmium-Aufnahme bei Vielverzehrern aus der Gruppe der Vegetarierinnen und Vegetarier in Deutschland [11]. Die EFSA (2012) hat für Erwachsene bzw. für Kinder der Altersgruppe 3 bis <10 Jahre in Europa eine mittlere nahrungsbedingte Cadmium-Aufnahme im Bereich von 1,5–2,2 bzw. von 3,1–5,0 µg/kgKG und Woche abgeschätzt [12]. Für Vielverzehrer liegt laut Berechnungen der EFSA (2012) bei Erwachsenen in Europa die nahrungsbedingte Cadmium-Aufnahme im Bereich von 2,5–4,8 µg/kgKG und Woche und bei Kindern der Altersgruppe 3 bis <10 Jahre in Europa im Bereich von 4,6–10,2 µg/kgKG und Woche [12].

Cadmium und seine Verbindungen wurden sowohl von der IARC als auch von der MAK-Kommission als humankanzerogen eingestuft (Kanzerogenitätskategorie 1) [8, 9]. Für die orale Aufnahme über Lebensmittel ist jedoch der TWI-Wert bewertungsrelevant. Diesbezüglich hat die EFSA den von der WHO im Jahr 1989 festgelegten PTWI-Wert von 7 µg Cd/kgKG, also ca. 500 µg Cd pro Woche bei Erwachsenen, 2009 deutlich auf 2,5 µg Cd/kgKG gesenkt und 2011 bestätigt [13, 14]. Ausschlaggebend war hierbei die Verhinderung von Nierentoxizität, die anhand der Ausscheidung von β‑2-Mikroglobulin im Urin als Biomarker abgeschätzt wurde. Der TWI-Wert wird im Durchschnitt in Europa von erwachsenen „Normalverzehrern“ eingehalten; für die Bevölkerungsgruppe der Kinder in Europa liegt aber bereits die mittlere nahrungsbedingte Cadmium-Exposition oberhalb des TWI-Wertes. Das Gleiche gilt für erwachsene Vielverzehrer sowie für Raucher. Um den TWI-Wert einzuhalten, wurden Höchstmengen für Cadmiumgehalte in einzelnen Lebensmitteln abgeleitet, so beispielsweise ab 2019 gültige Werte für Schokolade und Kakaopulver (siehe in Verordnung (EG) Nr. 488/2014 [15]).

Blei kommt weit verbreitet in der Umwelt vor. Insbesondere die Verwendung von Tetraethylblei als Antiklopfmittel in Kraftstoffen war lange Zeit eine wichtige Emissionsquelle. Durch die Abschaffung von verbleiten Kraftstoffen sind die Konzentrationen von Blei in der Luft, in Lebensmitteln und nachfolgend im Blut der Allgemeinbevölkerung deutlich zurückgegangen. Für die europäische Allgemeinbevölkerung stellen heutzutage Lebensmittel, insbesondere Getreide und Getreideprodukte, Kartoffeln, Blattgemüse und Trinkwasser, die Hauptexpositionsquelle dar. Typische Bleikonzentrationen in Lebensmitteln liegen zwischen 10 und 200 µg/kg, wobei pflanzliche Lebensmittel in der Regel weniger Blei enthalten als tierische. Höhere Gehalte finden sich in Innereien, Muscheln, Pilzen und Gewürzen, die zum Teil deutlich über 1 mg/kg liegen können [16]. Zudem kann Wildfleisch von mit Bleimunition erlegtem Wild hohe Bleigehalte aufweisen [17]. Mögliche zusätzliche Expositionsquellen bestehen in Bleirohren für die Trinkwasserversorgung in Altbauten und in der Verwendung von Keramikgeschirr mit bleihaltiger Glasur, insbesondere für die Aufbewahrung saurer Lebensmittel wie Fruchtsäfte [7].

Die mittlere Bleiaufnahme mit der Nahrung wird für Erwachsene in Europa von der EFSA (2012) mit 0,4 bis 0,6 µg/kgKG und Tag, die 95. Perzentile mit 0,7 bis 1,0 µg/kgKG und Tag angegeben. Die Mittelwerte für Kinder liegen zum Teil deutlich darüber, so wird für Kinder im Alter von 1 bis 3 Jahren eine nahrungsbedingte mittlere Bleiaufnahme im Bereich von 1,0 bis 1,5 µg/kgKG und Tag sowie ein 95. Perzentil der nahrungsbedingten Blei-Aufnahme von 1,4 bis 2,8 µg/kgKG und Tag abgeschätzt [18].

Die Resorption von anorganischen Bleiverbindungen nach oraler Aufnahme hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie Alter, Ernährungsstatus, Zusammensetzung der Nahrung, Eisen- und Calciumstatus. Die Resorption löslicher Bleiverbindungen scheint bei Kindern höher als bei Erwachsenen zu sein. Nach der Aufnahme wird Blei zunächst im Blut transportiert und reichert sich in Leber und Nieren und vor allem in den Knochen an. Beim Erwachsenen befinden sich mehr als 90 % des resorbierten Bleis in den Knochen. Im Blut liegt Blei vorwiegend in den Erythrozyten vor und besitzt eine Halbwertzeit von etwa 30 Tagen, im Knochen hingegen von mehreren Jahren. Die Ausscheidung erfolgt überwiegend mit dem Urin und den Fäzes [16, 19].

Die toxischen Wirkungen von Blei betreffen verschiedene Organsysteme wie das blutbildende System, das Herz-Kreislauf-System, das Nervensystem, die Nieren und die Knochen. Akute Bleivergiftungen kommen heute nur noch selten vor, sie können zu Erbrechen und Darmkoliken bis hin zum Nierenversagen führen. Zu den für die Allgemeinbevölkerung relevanten chronischen Wirkungen von Blei zählen die Nierentoxizität, kardiovaskuläre Effekte und die Neurotoxizität, da diese bereits bei geringer Bleibelastung auftreten können. Besonders empfindlich auf Blei reagiert das sich noch in Wachstum und Entwicklung befindliche Gehirn von Kindern sowohl in der Phase vor der Geburt (pränatal) als auch nach der Geburt (postnatal). Empfindlichste Zeichen der Entwicklungsneurotoxizität sind eine Verminderung des Intelligenzquotienten sowie die Verminderung von Lern- und Gedächtnisleistungen. So wurden in epidemiologischen Studien bei Kindern unter 10 Jahren verminderte Intelligenzquotienten bei Blutbleispiegeln unter 100 µg/l beschrieben; ein diesbezüglicher NOAEL (No Observed Adverse Effect Level) konnte bislang nicht abgeleitet werden [16, 19].

Anorganische Bleiverbindungen sind kanzerogen im Tierversuch, sie führen vor allem zur Bildung von Nierentumoren. Von der IARC wurden diese Verbindungen in Gruppe 2 A („probably carcinogenic to humans“) als kanzerogen eingestuft. Da Blei jedoch nicht direkt genotoxisch wirkt und die krebserzeugenden Dosen im Tierversuch sehr viel höher sind als die Exposition der Allgemeinbevölkerung, wird es als unwahrscheinlich angesehen, dass die Aufnahme von Blei über Lebensmittel ein signifikantes Krebsrisiko darstellt [16].

Die EFSA hat auf der Basis von Befunden zur Entwicklungsneurotoxizität bei Kindern sowie kardiovaskulären Effekten und Nierentoxizität bei Erwachsenen mittels Benchmark-Berechnungen einen BMDL₀₁ bzw. BMDL₁₀ von 0,5 ; 1,5 und 0,6 µg Blei/kgKG und Tag ermittelt. Der bisherige von der WHO festgelegte PTWI-Wert von 25 µg/kgKG wird daher als nicht mehr angemessen angesehen. Die Betrachtung des „Margin of Exposure“ (MOE), des Verhältnisses zwischen der Benchmark-Dosis, bei der eine geringe, aber messbare negative Auswirkung feststellbar ist, und der Exposition des Menschen, ergab, dass gerade in der suszeptiblen Gruppe der Säuglinge und Kleinkinder bereits die nahrungsbedingte mittlere Bleiaufnahme den von der EFSA abgeleiteten Referenzwert (BMDL₀₁-Wert von 0,5 µg/kgKG und Tag) überschreitet. Für erwachsene „Normalverzehrer“ liegt die nahrungsbedingte Blei-Aufnahme im Bereich des Referenzwertes für Entwicklungsneurotoxizität, und für erwachsene „Vielverzehrer“ wird der Referenzwert überschritten. Somit besteht unter den gegenwärtigen Expositionsbedingungen insbesondere Anlass zur Sorge vor entwicklungsneurotoxischen Effekten [16].

Auf europäischer Ebene wurden Höchstgehalte für Blei in einzelnen Lebensmitteln (beispielsweise 20 μg/kg für Milch, 50 μg/kg für Fruchtsaft, 100 μg/kg für Fleisch, Obst und Gemüse, 200 μg/kg für Getreide, 300 μg/kg für Blattgemüse sowie 1500 μg/kg für Muscheln) festgelegt (VO (EG) 1881/2006, [20]), die deutsche Trinkwasserverordnung gibt einen seit 2013 abgesenkten Grenzwert von 10 μg Blei/l vor [21].

Als dritthäufigstes Element der Erdkruste kommt Aluminium als natürlicher Bestandteil, aber auch durch anthropogene Aktivitäten ubiquitär in der Umwelt vor. Die Allgemeinbevölkerung ist vor allem über Lebensmittel mit Aluminium exponiert. In unverarbeiteten Lebensmitteln sind meist weniger als 5 mg Aluminium/kg enthalten. In Backwaren, Gemüse, Milchprodukten, Wurstwaren, Innereien, Meeresfrüchten, zuckerreichen Lebensmitteln und Mehlprodukten liegen durchschnittliche Gehalte bei 5 bis 10 mg/kg. Sehr hohe Durchschnittskonzentrationen wurden in Teeblättern, Kräutern, Kakao und Kakaoprodukten sowie Gewürzen bestimmt. Weitere relevante Expositionen resultieren aus der Verwendung von Aluminiumverbindungen als Lebensmittelzusatzstoffe und von aluminiumhaltigen Lebensmittelbedarfsgegenständen bei der Verarbeitung, Lagerung und Verpackung von Lebensmitteln. Insbesondere bei der Verarbeitung und Lagerung von säure- oder salzhaltigen Lebensmitteln, aber auch bei der Verwendung von Backblechen aus Aluminium bei der Herstellung von Laugengebäck kann die unsachgemäße Handhabung zu erhöhten Aluminiumgehalten der Lebensmittel führen [22‐24].

Für die mittlere wöchentliche Aufnahme von Aluminium mit der Nahrung durch Erwachsene in Europa gibt die EFSA (2008) einen Bereich von 0,2–1,5 mg/kgKG an, für hoch über die Nahrung mit Aluminium exponierte Verbraucher können bis zu 2,3 mg/kgKG und Woche erreicht werden [22]. Für Kinder (Altersgruppe 1–15 Jahre) in Europa gibt die EFSA eine nahrungsbedingte wöchentliche Aluminium-Aufnahme von 0,7–2,3 mg/kgKG als 97,5. Perzentile an [22]. Die Bioverfügbarkeit nach oraler Aufnahme wird mit 0,1 bis 0,3 % angegeben, wobei in Abhängigkeit von der Verbindungsform mit Schwankungen um den Faktor 10 zu rechnen ist. Zudem hat die Lebensmittelmatrix einen großen Einfluss auf die Bioverfügbarkeit von Aluminium nach oraler Aufnahme. Im Blutplasma liegt Aluminium hauptsächlich an Transferrin und in geringerem Maß an Citrat gebunden vor. Eine Anreicherung erfolgt vor allem in den Knochen. Zur biologischen Halbwertszeit von Aluminium liegen in der Literatur unterschiedliche Angaben vor. Beim Menschen werden nach intravenöser Verabreichung von Aluminiumcitrat Halbwertszeiten von mehreren Jahren beschrieben. Die Ausscheidung von resorbiertem Aluminium erfolgt vorwiegend mit dem Urin [22].

Die toxischen Wirkungen von Aluminium beim Menschen betreffen die Lunge (nach inhalativer Exposition), die Knochen und das zentrale Nervensystem. Bei Versuchstieren sind darüber hinaus Hodenschädigungen, Embryotoxizität und Wirkungen auf das sich entwickelnde Nervensystem bei den Nachkommen beobachtet worden. Beim Menschen traten toxische Effekte hauptsächlich bei Dialysepatienten, die gegenüber hohen Konzentrationen von Aluminium im Dialysewasser und durch die therapeutische Gabe von Aluminiumhydroxid als Phosphatbinder exponiert waren, oder nach der Einnahme aluminiumhaltiger Antazida auf. Es wurden Mineralisierungsstörungen der Knochen und neurotoxische Wirkungen („Dialyse-Enzephalopathie“) verursacht. Ein Zusammenhang zwischen Aluminiumexposition und dem Auftreten der Alzheimer-Erkrankung konnte auch bei hochexponierten Personen nicht gezeigt werden, da sich die neuropathologischen Veränderungen deutlich unterscheiden. Dennoch gibt es zahlreiche Hinweise darauf, dass Aluminium die Blut-Hirn-Schranke passieren kann und in höheren Konzentrationen neurotoxisch wirkt. Die genaue Ursache ist unklar, diskutierte Mechanismen sind oxidativer Stress, Erhöhung des intrazellulären Calciumgehaltes, verstärkte Synthese von Stickstoffmonoxid, Störung des Eisenhaushalts und Wechselwirkungen mit Proteinen des Zytoskeletts [22, 25].

Ausgehend von Studien zur Entwicklungsneurotoxizität bei Mäusen wurde unter Berücksichtigung eines Unsicherheitsfaktors von 100 auf den NOAEL von 10 mg/kgKG und Tag bzw. eines Unsicherheitsfaktors von 300 auf den LOAEL (Lowest Observed Adverse Effect Level) von 50 mg/kgKG und Tag von der EFSA ein TWI-Wert von 1 mg/kgKG und Woche abgeleitet [22].

Vom JECFA wurde ausgehend von einem NOAEL von 30 mg/kgKG und Tag aus einer Studie zur Entwicklungs- und Neurotoxizität an Ratten unter Berücksichtigung eines Unsicherheitsfaktors von 100 ein PTWI-Wert von 2 mg/kgKG und Woche abgeleitet [26].

Die von der EFSA abgeschätzte nahrungsbedingte mittlere wöchentliche Aluminium-Aufnahme kann zur Ausschöpfung bzw. auch zur Überschreitung des TWI-Wertes führen. Für „Vielverzehrer“ sowohl aus der Gruppe der Erwachsenen wie aus der Gruppe der Kinder kann der TWI-Wert der EFSA deutlich überschritten werden. Eine Verminderung der nahrungsbedingten Aluminium-Exposition ist daher angezeigt.

Während akute Gesundheitsschäden durch aktuelle Expositionen in Europa nicht zu befürchten sind, können für einige Metalle bzw. Halbmetalle chronische Gesundheitsstörungen nicht ausgeschlossen werden; insbesondere Cadmium‑, Arsen- und Bleiverbindungen sind in diesem Zusammenhang relevant (Tab. 1). Im Fall von Arsenverbindungen legen sog. Benchmark-Berechnungen nahe, dass auch unter Berücksichtigung aktueller Aufnahmemengen ein Krebsrisiko nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, da kein ausreichender Abstand zwischen geschätzter mittlerer nahrungsbedingter Exposition und der berechneten Benchmark-Dosis vorliegt. Bei Cadmium stehen nierentoxische Wirkungen im Vordergrund, die zumindest bei Kindern und sog. Vielverzehrern nicht ausgeschlossen werden können. Die Exposition gegenüber Bleiverbindungen ist in den letzten Jahren erheblich gesunken. Allerdings sind auch bei gegenwärtigen Expositionen entwicklungsneurotoxische Wirkungen nicht auszuschließen, da bislang kein NOAEL für diese Wirkungen identifiziert werden konnte und die mittlere nahrungsbedingte Aufnahme im Bereich der berechneten Benchmark-Dosis liegt. Bei allen drei Metallen sollten daher Expositionen unbedingt minimiert werden, zumal bei bestimmten Verzehrsgewohnheiten und in bestimmten Altersgruppen die Aufnahme noch deutlich höher liegen kann. Auch nahrungsbedingte Expositionen gegenüber Aluminium liegen durchaus im Bereich des TWI; allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, dass erheblich höhere Unsicherheitsfaktoren bei dessen Ableitung im Vergleich zu den anderen beschriebenen Metallen berücksichtigt wurden, sodass bei durchschnittlicher Exposition nicht mit einer toxischen Wirkung durch die Aluminiumaufnahme aus Lebensmitteln gerechnet werden muss. Eine Verminderung der Aluminiumexposition, insbesondere für Säuglinge, Kleinkinder und Kinder, ist dennoch anzustreben, um in allen Teilen der Bevölkerung den TWI einhalten zu können.