Oddziaływanie pyłu inhalabilnego na zdrowie ludzi: fakty, teorie i hipotezy

1. Oddziaływanie pyłu inhalabilnego na zdrowie ludzi: fakty, teorie i hipotezy Józef S. Pastuszka Politechnika Śląska, Katedra Ochrony Powietrza Gliwice

2. 1 m3 powietrza, który wdychamy posiada masę około 1,3 kg i zawiera: 0,96 kg azotu 0,30 kg tlenu 16 g argonu   10 g pary wodnej (zmienia się z wilgotnością)   0,66 g dwutlenku węgla

3. SUBSTANCJE ŚLADOWE metan (1,1 mg) tlenek węgla (60 – 250 μg) wodór (około 55 μg) ozon (30 – 200 μg) tlenki azotu (8 – 170 μg) dwutlenek siarki (0,2 – 100 μg) cząstki stałe (pyły) (0,2 – 100 μg) tereny nieskażonej obszary przyrody, zurbanizowane regiony polarne

4. Pierwsze spostrzeżenie: cząstki aerozolu stanowią mniejszość nawet spośród substancji śladowych, ich wkład do masy powietrza wynosi około 10-9 – 10-7

5. PRZYKŁADY znaczenia aerozolu atmosferycznego 1) Cząstki aerozolu są niezbędne jako zarodniki kondensacji w chmurach (zatem odgrywają istotną rolę w cyklu hydrologicznym) 2) Aerozol dominuje we wszystkich efektach optycznych w atmosferze Ekstynkcja cząstek aerozolu kontynentalnego = 80 Mm-1 (molekuły powietrza, których udział masowy jest 65 milionów razy większy mają współczynnik ekstynkcji = 11,6 Mm-1)

6. EFEKTY ZDROWOTNE Początkowo były jedynie podejrzenia i hipotezy, a zapylenie traktowano jako wskaźnik ogólnego zanieczyszczenia powietrza. Stąd → pomiar opadu pyłu (słoje Wecka) Następnie pomiar stężenia pyłu zawieszonego w powietrzu –– pył całkowity (TSP) Następnie pojęcie pyłu inhalabilnego (PM10).

7. Badania epidemiologiczne wykazały, iż pyłowe zanieczyszczenie powietrza implikuje pogorszenie funkcjonowania płuc (Dassen i inni, 1986), zwiększoną częstością występowania symptomów i chorób układu oddechowego (Graham, 1990; Pope, 1991) oraz śmiertelności (Ostro, 1993) i to nawet przy stężeniach aktualnie występujących na wielu obszarach zurbanizowanych (Dockery i inni, 1996). Nie tylko wieloletnie badania epidemiologiczne, ale także badania toksykologiczne wykazały niekorzystny wpływ inhalacji pyłu na zdrowie ludzi narażonych na stężenia, które zgodnie z obowiązującymi normatywami uważane są za bezpieczne (Spurny, 1996).

8. Fakty te znalazły także potwierdzenie w obserwowanym w ostatnich trzydziestu latach w USA i Europie Zachodniej braku korelacji pomiędzy znaczącą poprawą jakości środowiska a liczbą zachorowań na choroby, które można wiązać przyczynowo z narażeniem na pył. Zaskakujący brak spadku zachorowań ludności na choroby układu oddechowego (w tym także alergie), przy zasadniczym zmniejszeniu się zapylenia powietrza obserwujemy także w ostatnich dekadach na terenie Górnego Śląska.

9. gdzie: • DTk – dawka zintegrowana danej substancji przez osobę k wchłaniana przez okres T w wyniku przebywania tej osoby we wszystkich mikrośrodowiskach j • J - ilość mikrośrodowisk, w których przebywała osoba k w czasie T • Cj,k- stężenie danego zanieczyszczenia na które narażona jest osoba k w przedziale czasu Δt, w mikrośrodowisku j • Δtj,k - czas spędzony przez osobę k w mikrośrodowisku • w - współczynnik wchłaniania

10. Ważna jest dawka pozostająca w organizmie. Stąd konieczność pomiaru stężeń drobnych frakcji, przede wszystkim pyłu respirabilnego (PM5, PM4, PM2.5)

11. Rys. Miejsca depozycji ziaren pyłu w układzie oddechowym

16. EFEKTY ZDROWOTNE * Inhalacja drobnych cząstek aerozolu wiąże się ze wzrostem śmiertelności populacji generalnej, oraz z chorobami układu oddechowego i z chorobami układu krążenia. *Cząstki aerozolu mogą być nośnikami substancji toksycznych / kancerogennych (np. produkty rozpadu radonu, WWA) oraz mikroorganizmów (bakterie, grzyby)

17. EFEKTY ZDROWOTNE *Z badań epidemiologicznych wynika, że wzrost stężenia PM10 o 10 μg/m3 powoduje kilkuprocentowy wzrost zachorowań na choroby górnych dróg układu oddechowego, w tym astmy. *Nie udało się ustalić żadnej progowej dawki / stężenia i wydaje się, że odpowiednią jest liniowa zależność dawka-odpowiedź.

18. EFEKTY ZDROWOTNE Brak dawki progowej – schorzenia obserwowano już nieznacznie powyżej naturalnego tła wynoszącego dla PM2.5 3-5 µg/m3 w USA i w Europie Zachodniej (Air QualityGuidelines – Global Uptade 2005)

19. EFEKTY ZDROWOTNE *Jak dotąd nie udowodniono jednoznacznie, aby jakaś konkretna frakcja aerozolu mogła być traktowana jako podstawowa przyczyna ujemnych efektów zdrowotnych i nie ustalono żadnego mechanizmu biologicznego wiążącego inhalację aerozolu z konkretnym skutkiem zdrowotnym.

20. EFEKTY ZDROWOTNE Tym niemniej wykazano, że frakcja drobna (< 2,5 μm) jest znacznie bardziej związana z ujemnym efektem zdrowotnym niż frakcja pyłów grubych (2,5 μm – 10 μm). W latach dziewięćdziesiątych pojawiła się hipoteza, że za efekty zdrowotne odpowiadają przede wszystkim ultradrobne cząstki (< 0,1 μm).

21. Jakie cechy pyłu wpływają na jego szkodliwość: 1. Wielkość dawki pozostającej w organizmie, a więc: stężenie, rozkład ziarnowy (im więcej drobnych cząstek tym gorzej), 2. Higroskopijność, 3. Skład chemiczny, 4. Cechy powierzchniowe, w tym kompozycja chemiczna i morfologia.

22. B A Zdjęcie mikroskopowe próby aerozolu atmosferycznego w Katowicach A) przed dializą; B) po dializie.

23. B A Zdjęcie mikroskopowe próby aerozolu atmosferycznego w Katowicach, A) Przed dializą; B) po dializie.

24. Powierzchniowa warstwa cząstek aerozolu, (o grubości rzędu nanometrów) odgrywa niezwykle istotną rolę zarówno w procesach środowiskowych, jak również w toksykologii inhalabilnych cząstek pyłu. Na powierzchni cząstek pyłu ma miejsce adsorpcja różnych substancji gazowych obecnych w atmosferze. Charakterystyka fizyko-chemiczna powierzchni drobnych cząstek aerozolu (o średnicy aerodynamicznej < 2,5 µm) istotnie wpływa na pochłanianie i rozpraszanie światła słonecznego, a więc ma ważne implikacje klimatyczne. Po inhalacji cząstek aerozolu, to na powierzchni cząstek następuje kontakt z płynami fizjologicznymi.

25. SPEKTROSKOPIA FOTOELEKTRONÓW WZBUDZANYCH PROMIENIAMI RENTGENOWSKIMI Warunek energetyczny emisji fotoelektronów: EK = h - EB gdzie: EB - energia wiązania elektronu w atomie, zależna od rodzaju atomu i jego otoczenia, h - stała Plancka; h = 6,62 ·10-34 J·s, - częstotliwość promieniowania X, EK - energia kinetyczna fotoelektronu. fotoelektron Schemat powstawania fotoelektronów. 2p3/2 powłoka L 2p1/2 2s hn foton h 1s powłoka K emisja fotoelektronu

26. Fotoemisja - spektrometr + hn EF 0 4f7 4f6 8 hn 4d10 4d9 140 EB (eV) widmo

28. NOWE WEZWANIA Wydaje się, że pomimo obserwowanej, na skutek znaczącej redukcji emisji ze źródeł przemysłowych, generalnej poprawy jakości powietrza na terenie Europy, w tym także na Górnym Śląsku, rzeczywiste narażenie wielu ludzi na cząstki PM10 zwiększyło się ze względu na lawinowo narastający ruch pojazdów samochodowych w ostatniej dekadzie. Wyniki kilku prac opublikowanych w ostatnich latach sugerują związek między zamieszkiwaniem w pobliżu ruchliwych dróg a chorobami układu oddechowego (Weiland i inni, 1994; Nitta i inni, 1993; Ciccone i inni, 1998; Jansen i inni, 2001). Jak się wydaje, jest to wynikiem nie tylko podwyższonego stężenia PM10, a zwłaszcza drobnych cząstek w pobliżu ruchliwych ulic, ale także zwiększoną toksycznością tych cząstek. Aerozol emitowany z pojazdów samochodowych zawiera szereg substancji alergizujących, toksycznych i kancerogennych, w tym WWA (Kinney i inni, 2000; Vogt i inni, 2003; Pakkanen i inni, 2003).

29. NOWE WEZWANIA Narażenie na cząstki ultradrobne (nanometryczne) Narażenie na cząstki włókniste Narażenie na bioaerozole

30. Cząstki pyłu osadzone na włóknach krokidolitu. Particles collected on crocidolite fibers. (Rendall, 1991) Bar = 100 µm

31. Cząstki pyłu osadzone na włóknach szklanych. Particles collected on glass fibers. (Rendall, 1991) Bar = 100 µm