Kan man spåra partikelexponering med passiv provtagningsmetodik?

Projektbeskrivning

Projektidé och ny kunskap
Partiklar exponeras vi för i olika arbetsmiljöer likväl som i vår omgivningsmiljö. Mängden och typen av partiklar varierar och det är sedan tidigare känt att variationen vid all exponering inom arbetslivet är stor både inom och mellan individer. För att kunna göra adekvata exponeringsbedömningar behöver man göra många upprepade mätningar vilket ofta är kostsamt med traditionella yrkeshygieniska metoder. Ett attraktivt alternativ är så kallade passiva provtagare vilka lätt kan placeras ut på många personer samtidigt. Det har nyligen presenterats en passiv provtagare för partiklar, the UNC passive sampler (UPS). Förutom att mäta partikelhalten (masskoncentrationen) kan man med svepelektronmikroskopi (SEM) också bestämma partiklarnas antal, storleksfördelning, morfologi samt kemiskt innehåll (elementarsammansättningen) och därmed också härleda deras källor. Vidare saknas generellt kunskap om vad som kan finnas bundet till partiklars yta. I detta projekt kommer vi att tillämpa en metod för att studera partikelassocierade ämnen. Detta är kompletterande kunskap som i framtiden kan användas i hälsoriskbedömningar och som underlag för riskförebyggande åtgärder. En annan aspekt är att provtagning med passiv provtagning är ett arbetsbesparande och effektivt sätt att samla data och kan användas i miljöer där pumpad provtagning inte är lämplig.

Svensk gruvnäring är en starkt växande industriell verksamhet i Sverige där antalet arbetare som exponeras för kemiska ämnen förväntas öka. Exponeringarna härrör från dieselavgaser, damm och partiklar från själva brytningen samt från annan verksamhet såsom kvarvarande spränggaser. Detta är en arbetsmiljö där det finns risk för exponering för hälsofarliga partiklar och där man behöver förbättrade verktyg för att kunna göra adekvata riskbedömningar. I ett nyligen erhållet EU-finansierat forskningsprojekt ”Mine Health” (april 2012-2015) som koordineras av Yrkes- och miljömedicin Umeå, avser man att mäta en rad parametrar: kvävedioxider, kolmonoxid och partikelexponeringen (inhalerbart, respirabelt) samt i en delstudie biomarkörer i urin och blod i gruvindustrin. I Mine Health ingår också kliniska undersökningar.

Vår projektidé är således att utvärdera den nya UPS-metoden genom partikelexponeringsstudier i en utsatt arbetsmiljö, utifrån mervärde i form av kompletterande information om partiklars natur samt enkelhet utifrån både mätning och analys. Då gruvmiljö är en angelägen miljö att utreda ur partikelexponeringssynpunkt, ser vi stora möjligheter att samorda fältmätningarna av partiklar med ”Mine Health” – projektet. Den nya kunskapen projektet kan medföra ligger främst inom möjligheterna att inhämta bred information om partiklar i inandningsluft som direkt är relevant för potentiella hälsoeffekter.

Varför gruvan?
I arbetsmiljöer kan den kemiska sammansättningen, partikelstorleksfördelningen och morfologin vara komplex och så är det även i gruvmiljöer. I gruvmiljöer är inte heller hälsoeffekterna är inte fullständigt utredda samt emissionskällorna är inte lokaliserade på ett adekvat sätt. De mätningar som är utförda i svenska gruvor är totaldammsmätningar, inhalerbart eller respirabelt damm samt kvarts. Personliga exponeringsmätningar i en svensk järnmalmsruva visade på partikelhalter av inhalerbart damm på i medeltal 3,2 mg/m3, och respirabelt damm på halter mellan 0.3-0.6 mg/m3, med enstaka värden upptill 1.5 mg/m3 (data från 1995-97). Någon storlekskaraktärisering av partiklarna går inte att finna bland vetenskapligt publicerade arbeten. Studier av gruvarbetare har fokuserats på dieselavgaser och arbetare i gruvor under jord räknas till den grupp som är högst exponerade för dieselavgaser och dammhalter med dieselavgaspartiklar mellan 500-2000 µg/m3 finns redovisade i litteraturen. Partiklar från dieselavgaser består av en kärna av kol (elementärt kol) som till sig adsorberar organiska ämnen. Storleken på typiska dieselpartiklar är 50-1000 nm.

Gruvdammet kan innehålla kvarts (kiselföreningar), metaller och dieselavgaser (inkl. oförbrända organiska ämnen såsom tex. kinoner (oxy-PAHer), och andra PAH:er). Idag används oftast emulsionssprängämnen (ammoniumnitrat, vatten, olja, emulgator och vid känsliggörandet tillsätts gasfyllda hålrum fysiskt eller kemiskt) tillsammans med sprängkaslar utan blyazid (sk. NPED) vid pallbrytning (dagbrott såsom Aitik, New Boliden) och vid tunneldrivning och skivrasbrytning (underjordsgruvor såsom Kiruna LKAB). Förutom sprängaser (kvävgas, koldioxid, vatten, kolmomoxid, kvävedioxid, kvävemonooxid, ammoniak) och en del fasta ämnen (aluminium-, natrium- och kalcium-oxider) från själva sprängämnet bildas aerosoler från berget. Med enorma fläktsystem ventileras mycket bort innan arbetet med att föra bort malmen eller sprängmassorna kan påbörjas (muntlig beskrivning från gruvbolag).

Studier har visat en ökad risk för hjärt-kärlsjukdom vid generellt partikulära exponeringar samt att det fanns indikationer på att dieselpartiklar sannolikt är mer toxiska än andra partiklar/förbränningspartiklar. Förutom dieselavgaser exponeras också gruvarbetare för olika metaller. Flertalet studier har också påvisat att övergångsmetaller tex. järn, nickel, kobolt, krom, koppar, vanadin m.fl., har pro-inflammatoriska effekter. Bakomliggande mekanismen är att de kan generera fria radikaler eller reaktiva syreföreningar och ge upphov till oxidativ stress. Även metaller som inte tillhör övergångselementen såsom bly och arsenik kan ge upphov till oxidativ stress genom att de hämmar de enzymer som balanserar nivåerna av många reaktiva syreradikaler. Sammantaget innebär detta att den yrkesmässiga exponeringen från i gruvmiljön är mycket komplex både sammansättningsmässigt och spatialt/temporärt. I dagsläget analyseras partikelmängderna med aktiva provtagare där masskoncentrationen utgör exponeringsunderlaget. Detta är kostsamt och kan inte genomföras i en omfattning för att ge en önskvärd exponeringsbild. Med ovanstående bakgrund är detta inte heller tillräckligt avseende den komplexa sammansättningen. Det finns behov för att både få en högre grad av upplösning gällande partikelsammansättningen och exponeringsvariabiliteten. Det finns alltså behov för att både få en högre grad av upplösning gällande partikelsammansättningen och exponeringsvariabiliteten och i båda fallen kan UPS vara en lösning.

Syfte
Huvudsyftet är att i en arbetsmiljö som gruva karaktärisera partikelexponeringen samt utveckla en användarvänlig metod för mätning av partiklar.

Specifika frågeställningar
1) Kan UPS användas för att studera exponeringen för partiklar med avseende på masskoncentration, storleksfördelning, form (morfologi) samt kemisk sammansättning och källor i gruvindustrin?
2) Kan UPS vara ett användarvänligt och effektivt sätt att studera exponeringsvariabilitet när det gäller partiklar i arbetsmiljön?

Genomförande
Frågeställning 1. Fältvalidering av UPS i gruvmiljö är ett inledande valideringssteg i reell miljö för att säkerställa validiteten. Personburen provtagning sker parallellt med UPS och jämförande aktiva personburna metoder för att mäta inhalerbart och respirabelt damm,(vilka redan ingår i Mine Health), partikelfraktioner med Sioutas Cascade Impaktor samt för de ultrafina partiklarna Nanotracer (personburen partikelräknare). Dessutom kommer vi på lämpliga stationära arbetsplatser använda P-Trak som placeras i andningshöjd. Detta utförs i Aitikgruvan i Sverige på ett urval av gruvarbetare (ca:10 persx3 upprep) med olika arbetsuppgifter i gruvan. Arbetsuppgifterna kommer att kartläggas med någon form av dagbok/observation. Mätningarna är heldagsmätningar, men eftersom vi inte vet exakt vilka halter personerna exponeras för kommer vi också att mäta under två och tre dagar med samma UPS, (ej aktiv provtagning under tre dagar utan vi byter varje dag). Med nämnda metoder sker en jämförelse med avseende på storleksfördelning, antal och masskoncentration.
Innehållsanalys av partiklarnas metallinnehåll men även andra grundämnen på UPS genomförs med SEM/EDS. Metallanalysjämförelser sker mot mätningar inom Mine Health.
Provtagning av partikelassocierade ämnen sker med aktiv metod och analyser sker med GC-MS för de organiska komponenterna. Detta för att utöka karaktäristiken avseende de organiska ämnena, se nedan beskrivning under Metoder.
Resultaten kommer att ge oss kunskap om hur exponeringen ser ut och ligger sedan till grund för den fortsatta mätstrategin i gruvorna vid de upprepade mätningarna som finns planerade inom Mine Health.
Omgivningstemperaturen och relativ luftfuktighet registreras under provtagningstiden .

Frågeställning 2. Användarvänligheten prövas först i Aitikgruvan. Vi kommer att utveckla praktiska och tekniska lösningar så att arbetstagarna själva kan sätta fast och ta loss provtagaren i andningszonen på ett säkert sätt som minimerar risken för kontaminationen. Efter information och instruktion på plats kommer vi också att pröva det på distans, dvs utan närvaro av yrkeshygieniker. Försöket kommer inkludera 10-20 personer fördelat mellan olika arbetsgrupper med två upprepningar för varje person. Detta som ett första steg för att få en bild av exponeringsvariabiliteten. Utifrån detta modifieras mätstrategin i en fortsatt provtagning av exponerade personer. Hur många upprepningar som kommer att behövas för att kunna skatta ett medelvärde avgörs av den uppmätta variabiliteten. Variabiliteten kan studeras avseende partikelstorleksfördelning, masskoncentration och partiklarnas kemiska sammansättning. Dessa parametrar kan variera mellan olika arbetsmoment i gruvan (vilket är kopplat till vilken arbetsgrupp man tillhör), men det kan även finnas en daglig variation för ett och samma arbetsmoment (arbetsgrupp).


Praktisk betydelse av projektet
Det finns ett stort behov av nya tekniker för att provta partiklar för att kunna göra hälsoriskbedömningar. Anledningen är att tidigare använda partikelmått såsom masskoncentration inte alltid kan förklara uppkomna effekter utan man behöver annan information såsom ytarea, storleksfördelning etcetera. En enda, snabb och användarvänlig passiv personburen provtagare, för att bestämma partikelkoncentrationer, partiklarnas antal, storleksfördelning, kemiska sammansättning och morfologi, skulle markant öka möjligheten att använda och tolka varje personburen exponeringsmätning i hälsoriskbedömningar. Karaktärisering av partiklar gör det möjligt att spåra källor i miljöer där komplexiteten är ännu större än i en definierad arbetsmiljö tex i allmänmiljön. Med passiv teknik ökas också möjligheten att samla in en större mängd exponeringsdata vilket behövs för att klargöra exponeringsvariabiliteten vilket är ett måste för att kunna göra epidemiologiska studier, speciellt i miljöer som gruvor där variabiliteten förväntas vara stor.

Nyckelord; passiv provtagning, partiklar, karaktärisering, yrkesmedicin, miljömedicin, egenmätning, personburen