Ατμοσφαιρική ρύπανση και εισπνεόμενα σωματίδια

Γιατί τα σωματίδια καύσης είναι επικίνδυνα για την υγεία του ανθρώπου; 

   Η ατμοσφαιρική ρύπανση σε αστικές περιοχές αποτελεί σημαντικό παράγοντα νοσηρότητας και θνησιμότητας για τον άνθρωπο. Τις δεκαετίες του 1950 και 1960 τα φαινόμενα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε μεγάλες πόλεις (Λονδίνο, Λος Άντζελες) ήταν αποτέλεσμα της αλματώδους ανάπτυξης της κυκλοφορίας τροχοφόρων, των τοπογραφικών χαρακτηριστικών και της κεντρικής θέρμανσης κατά τους χειμωνιάτικους μήνες. Η ποιότητα καυσίμων ήταν μία από τις αιτίες για την παραγωγή τοξικών αερίων ρύπων. Οι κυριότεροι ρύποι είναι τα οξείδια του αζώτου (ΝΟΧ), το διοξείδιο του θείου (SO2), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) , ο καπνός (smoke) και οι πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs, volatile organic compounds). Οι μηχανές εσωτερικής καύσης των οχημάτων δημιουργούσαν μεγάλες ποσότητες καυσαερίων και η χρήση κάρβουνου ή μαζούτ για θέρμανση των σπιτιών και των γραφείων προκαλούσε σημαντικές ποσότητες καπνού, καυσαέρια και μικρής διαμέτρου εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια. 

   Η πρόσφατη χρήση καυσόξυλων (Δεκέμβριος 2012) και άλλα είδη βιομάζας σε τζάκια στην Αθήνα λόγω της οικονομικής κρίσης και της αύξησης της τιμής του πετρελαίου θέρμανσης προκάλεσε σημαντική αύξηση των συγκεντρώσεων του καπνού στην Αθήνα και άλλες αστικές περιοχές (αιθαλομίχλη σε Θεσσαλονίκη, Βόλος, κ.α). Ιδιαίτερα ανησυχητική για την υγεία των κατοίκων είναι η αύξηση σε εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη των 10 μικρών). Τα καυσαέρια και ο καπνός που δημιουργούνται σε τζάκια με ανεπαρκή εξαερισμό και συντήρηση είναι πηγές ρύπανσης σε εσωτερικούς χώρους όπως και στην περίπτωση του παθητικού καπνίσματος. Αλλά οι συγκεντρώσεις ρύπων από τζάκια είναι υψηλότερες και οι επιπτώσεις στο αναπνευστικό σύστημα του ανθρώπου πιο επικίνδυνες. 

   Αρχικά, οι επιστήμονες που μελετούσαν την ατμοσφαιρική ρύπανση επικέντρωσαν την προσοχή τους στα αέρια και τις πτητικές ενώσεις (CO, SO2, NOx, O3, αλδεΰδες, υδρογονάνθρακες, βενζολιο, κ.λπ) και στους μηχανισμούς που προκαλούσαν το φωτοχημικό νέφος και τις δευτερογενείς τοξικές ουσίες. Οι πρώτες νομοθεσίες για τις ανώτατες επιτρεπόμενες συγκεντρώσεις και τα ανώτατα όρια εκπομπών αφορούσαν κυρίως τα αέρια και τις πτητικές οργανικές ενώσεις. Οι αέριοι ρύποι περιορίσθηκαν δραστικά με τις αυστηρότερες νομοθεσίες, τη βελτίωση των καυσίμων, τις αποδοτικές μηχανές εσωτερικής καύσης και τους τριοδικούς καταλύτες για τα καυσαέρια. Ο καπνός και τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια των καυσαερίων θεωρούνταν ότι μπορούν να περιορισθούν με ειδικά φίλτρα και καλύτερη καύση του καυσίμου στις μηχανές των τροχοφόρων και ειδικά των μηχανών ντίζελ. 

Εισπνεόμενα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και του καπνού του τσιγάρου 

Παρά τις βελτιώσεις των καυσίμων και τη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε αστικές περιοχές, η προσοχή των επιστημόνων επικεντρώθηκε στα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια, ιδιαίτερα στα σωματίδια με αεροδυναμική διάμετρο 10 μm (1 μm =10-6 m) ή και μικρότερη (ιδιαίτερα 2,5 μm). Τα σωματίδια αυτά αποδείχθηκαν ότι έχουν εξαιρετικά τοξικές ιδιότητες και μπορούν να αποτελέσουν παράγοντα νοσηρότητας και θνησιμότητας από παθήσεις του αναπνευστικού συστήματος. Το μέγεθος σωματιδίων μικρότερο των 2,5 μm είναι παρόμοιο με τον καπνό του τσιγάρου. Αν και η σύστασή των σωματιδίων των καυσαερίων είναι διαφορετική από τον καπνό του τσιγάρου, περιέχουν ΠΑΥ, καρκινογόνες ουσίες, σταθερές ανθρακούχες ελεύθερες ρίζες (R•) και η ικανότητα καρκινογένεσης είναι παρόμοια. 

Εικόνα 1: Τα καυσαέρια των αυτοκινήτων και ιδιαίτερα ο καπνός είναι αποτέλεσμα της ατελούς καύσης των ορυκτών καυσίμων (βενζίνη, ντίζελ) και ο σχηματισμός μικροσκοπικών ανθρακούχων σωματιδίων (πισσώδους υφής) που φέρουν πόρους και προσροφημένες τοξικές ουσίες και μέταλλα. Τα σωματίδια είναι παρόμοια με τον καπνό του τσιγάρου και εξαιρετικά τοξικά

   Ο καπνιστής εισπνέει το «κύριο» ρεύμα του καπνού κατευθείαν στους πνεύμονες και το αναπνευστικό του σύστημα, ενώ το «δευτερεύον» ρεύμα όταν «κρατάει» το τσιγάρο στα χέρια του εισέρχεται κυρίως από την ρινική κοιλότητα. Τα δύο ρεύματα είναι εξίσου τοξικά, με το «δευτερεύον» να παρουσιάζει υψηλότερες συγκεντρώσεις καρκινογόνων ουσιών λόγω της πυρολυτικής καύσης του καπνού. 

     Το δευτερεύον ρεύμα του καπνού του τσιγάρου (secondary stream of tobacco smoke, or passive smoking) αυτό αποτελείς το ¨παθητικό» κάπνισμα για τους μη καπνιστές που βρίσκονται στους ίδιους εσωτερικούς χώρους. Το ενεργό κάπνισμα είναι γνωστό ότι είναι ο σημαντικότερος εξωγενής παράγοντας θνησιμότητας στον άνθρωπο (περίπου 5 εκατομμύρια πρόωροι θάνατοι καπνιστών κάθε χρόνο σε παγκόσμια κλίμακα). Το παθητικό κάπνισμα θεωρείται ότι είναι υπεύθυνο για το 5-10% των καρκίνων του πνεύμονα, μεγάλο ποσοστό για το άσθμα νεαρών ατόμων και διάφορες βρογχοπνευμονικές ασθένειες στον άνθρωπο. 

                        

Οι κάτοικοι αστικών περιοχών αναπόφευκτά εισπνέουν σημαντικές ποσότητες αιωρουμένων σωματιδίων καθημερινά από τα καυσαέρια τροχοφόρων, τον καπνό από κεντρικές θερμάνσεις και τα τζάκια στους εσωτερικούς χώρους. Η τοξικότητα των αιωρουμένων σωματιδίων είναι ανάλογη με την αστική κυκλοφοριακή πυκνότητα, τα είδη κεντρικής θέρμανσης, τον είδος του καυσίμου και τη διάρκεια της έκθεσης. Αν και είναι δύσκολο να εκτιμηθεί ο βαθμός έκθεσης και ο αντίστοιχος βαθμός κινδύνου (risk assessment) από την ατμοσφαιρική ρύπανση αστικών περιοχών, οι πρόσφατες επιδημιολογικές έρευνες δείχνουν ότι η ατμοσφαιρική ρύπανση συμβάλλει στο 3-5% της θνησιμότητας από τον καρκίνου του πνεύμονα στον άνθρωπο. Αλλά η ατμοσφαιρική ρύπανση των σωματιδίων ερεθίζει το αναπνευστικό σύστημα, προκαλεί βρογχοπνευμονικές φλεγμονές, έξαρσεις του άσθματος, και χρόνια αναπνευστική ανεπάρκεια 

Γιατί είναι επικίνδυνα τα τζάκια από τη χρήση καυσόξυλών ή/και βιομάζας; 

   Προβλήματα ρύπανσης εσωτερικών χώρων και της εξωτερικής ατμόσφαιρας από καπνό (αιθαλομίχλη) Η χρήση μαζούτ στις δεκαετίες 1950 και 1960 στην Αθήνα για τη θέρμανση κατά τους χειμερινούς μήνες δημιούργησε το κλασικό «νέφος» και την αποπνικτική ατμοσφαιρική ρύπανση.

   Η περιεκτικότητα σε 4-6% σε θείο του μαζούτ, τα οξείδια του αζώτου και ο καπνός των τροχοφόρων ήταν οι βασικές αιτίες. Με τη χρήση διϋλισμένου πετρελαίου για τις κεντρικές θερμάνσεις (θείο < 1%), και αργότερα φυσικού αερίου (αιθάνιο), και η καινούργια τεχνολογία οχημάτων με τριοδικούς καταλύτες (και η εκ περιτροπής κυκλοφορία στο κέντρο) βελτίωσαν σημαντικά την ατμοσφαιρική ρύπανση. Αλλά τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια παρέμειναν ως το σημαντικό πρόβλημα της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Πρόσφατα, με την οικονομική κρίση και την αύξηση της τιμής του πετρελαίου για θέρμανση, πολλοί κάτοικοι των Αθηνών επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν τα τζάκια τους και πολλοί από αυτούς χρησιμοποίησαν «κακής» ποιότητας καυσόξυλα και διάφορα υλικά (αναφέρονται πλαστικά, έπιπλα, ξύλινα αντικείμενα με χρώματα, κ.λπ). Το αποτέλεσμα ήταν να προκαλέσουν αύξηση του καπνού στην ατμόσφαιρα, δημιουργία αιθαλομίχλης σε ορισμένες ημέρες, και ιδιαίτερα αύξηση των σωματιδίων PM10.

Εικόνα 2. Τα τζάκια μπορούν να αποτελέσουν επικίνδυνες πηγές ρύπανσης των εσωτερικών χώρων. Σωστή χρήση και κατάλληλα καύσιμα είναι απαραίτητα για την καλή λειτουργία των τζακιών (και σε ικανοποιητικά αεριζόμενους χώρους).

      Η χρήση τζακιών σε χώρους που δεν αερίζονται ικανοποιητικά και η «κακή» ποιότητα καυσοξύλων παρουσιάζουν σημαντικά προβλήματα ρύπανσης των εσωτερικών χώρων και επιβάρυνση στην υγεία των κατοίκων. Τα τζάκια είναι γνωστό ότι απαιτούν καλή συντήρηση, τακτικό καθαρισμό, εξαερισμό των χώρων σε τακτά χρονικά διαστήματα και ικανοποιητική ποιότητα καυσίμων. Σε αντίθετη περίπτωση δημιουργούν σημαντική ποσότητα καπνού, ενώ παράγουν καρκινογόνους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ), διοξίνες και πτητικές οργανικές ενώσεις.. Τα ανθρακούχα σωματίδια του καπνού έχουν υψηλή τοξικότητα λόγω της προσρόφησης βαρέων μετάλλων, σταθερών ελευθέρων ριζών και διάφορες οργανικές ουσίες με μεταλλαξιγόνο δράση. Τα σωματίδια αυτά μοιάζουν με τον εισπνεόμενο καπνό του τσιγάρου και το μέγεθός τους είναι αρκετά μικρό για να εισχωρήσουν στο αναπνευστικό επιθήλιο και τις κυψελίδες.

 Γιατί τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια της καύσης είναι επικίνδυνα στην υγεία του ανθρώπου; 

      Τα αιωρούμενα σωματίδια (Particulate Matter, PM) είναι αποτέλεσμα ατελούς καύσης των καυσίμων (ξύλο, κάρβουνο, πετρέλαιο και σε μικρότερο βαθμό φυσικό αέριο). Η σύστασή τους αποτελείται από τοξικές, καρκινογόνες, μεταλλαξιγόνες και ερεθιστικές ουσίες (πτητικές οργανικές ουσίες, VOCs) του αναπνευστικούς συστήματος. Τα ΡΜ έχουν την ικανότητα να διεισδύουν στο εσωτερικό των κυψελίδων των πνευμόνων και να εγκλωβίζονται στο εσωτερικό τους. 

Εικόνα 3. Οι πνεύμονες στον άνθρωπο αποτελούν ακρογωνιαίο όργανο για την παραλαβή του οξυγόνου και την αποβολή του διοξειδίου του άνθρακα. Οι κυψελίδες (alveoli) και οι εσωτερικές τους επιφάνειες, όπου γίνεται η ανταλλαγή αερίων, αποτελούν θύλακες εγκλωβισμού των μικρής διαμέτρου σωματιδίων της ατμοσφαιρικής ρύπανσης.

   Οι πνεύμονες του ανθρώπου κατά τη βιολογική τους εξέλιξη έχουν αναπτύξει εξαιρετικούς αμυντικούς μηχανισμούς και καθαρισμούς των σωματιδίων και τοξικών ουσιών με τη βοήθεια του βλεννοκροσσωτού συστήματος των αεραγωγών. Η βλεννοκροσσωτή κάθαρση στους πνεύμονες καθώς και τα κυψελιδικά μακροφάγα αντιμετωπίζουν τις φλεγμονώδεις δράσεις και είναι ακρογωνιαία βιολογικά συστήματα που προστατεύουν και αντιμετωπίζουν αέριους και σωματιδιακούς ρύπους. 

   Όπως είναι γνωστό, ο καπνός του τσιγάρου και τα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης προκαλούν δομικές και λειτουργικές ανωμαλίες στο βλεννοκροσσωτό σύστημα. Βραχύχρονη έκθεση προκαλεί στάση των κροσσών in vitro, ενώ μακροχρόνια έκθεση προκαλεί βλάβες στο επιθήλιο, υπερέκκριση βλέννης και δυσκινησία των κροσσών. 

   Η χρόνια βρογχίτιδα των καπνιστών, ή ατόμων που εισπνέουν μακροχρόνια τοξικούς ρύπους και σωματίδια της αστικής ρύπανσης, χαρακτηρίζεται από βλάβη της βλεννοκροσσωτής κάθαρσης Η επίδραση των σωματιδίων στο πνευμονικό παρέγχυμα προκαλεί αυξημένο αριθμό φλεγμονωδών κυττάρων (μακροφάγα, ουδετερόφιλα) στους πνεύμονες. 

   Την τελευταία δεκαετία έγιναν συστηματικές έρευνες με αιωρούμενα σωματίδια ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην περιοχή της Αθήνας και σε εξατμίσεις διαφόρων τροχοφόρων. Η συλλογή των εισπνεόμενων αιωρουμένων σωματιδίων έγινε με ειδικά φίλτρα. Το υδατικό διάλυμα των σωματιδίων αυτών έδειξαν έντονη παραγωγή ελευθέρων ριζών (ιδιαίτερα ρίζες υδροξυλίου, ΗΟ•), οι οποίες είναι καρκινογόνες στα πνευμονικά κύτταρα. Διεισδύουν στον πυρήνα μέσω της λιπιδικής μεμβράνης και λόγω της υψηλής ενεργότητας «επιτίθενται» στο DNA προκαλώντας μεταλλάξεις. Παρόμοιες βλάβες προκαλούνται στις πρωτεΐνες, τα ένζυμα και τα λιπίδια των κυττάρων (λιπιδική υπεροξείδωση, lipid peroxidation). ‘ Ολες αυτές οι βλάβες που συνεργούν με το κάπνισμα και συσσωρεύονται με τη μακροχρόνια έκθεση είναι αιτίες φλεγμονωδών καταστάσεων, ενεργοποίησης ογκογονιδίων (που προκαλούν ενδοκυτταρικά την έναρξη μηχανισμών για δημιουργία κακοήθων νεοπλασιών) και αθηρωματικών φλεγμονών στο κυκλοφορικό σύστημα του ανθρώπου. 

    Οι μελέτες που έχουν γίνει τα τελευταία χρόνια (το Εργαστήριο της Οργανικής Χημείας έχει να παρουσιάσει σημαντικό αριθμό ερευνών στον τομέα αυτό, δες τη βιβλιογραφία) δείχνουν ότι σημαντικό μέρος της τοξικότητας είναι οι σταθερές ανθρακούχες ελεύθερες ρίζες. Τα στερεό δείγματα των σωματιδίων παρουσιάζουν (φασματοσκοπία Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού) σταθερές ελεύθερες ρίζες, επιβεβαιώνοντας άλλες έρευνες. Οι ρίζες αυτές καθιστούν τα σωματίδια ισχυρά καρκινογόνα. Οι έρευνες αυτές είναι μέρος της διεθνούς ερευνητικής προσπάθειας για πιστοποίηση μηχανισμών καρκινογένεσης στον άνθρωπο από περιβαλλοντικούς ρύπους. 

     Γιατί τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια εγκλωβίζονται στις πνευμονικές κυψελίδες 

Τα αιωρούμενα σωματίδια των καυσαερίων, πέρα από τον εγκλωβισμός τους στο στενό κυψελιδικό χώρο, μεταφέρουν μικρές ποσότητες βαρέων μετάλλων, πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ), διοξίνες, πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs), και σταθερές ανθρακούχες ελεύθερες ρίζες που είναι προσροφημένες στους πόρους τους. Ο εγκλωβισμός τους είναι αποτέλεσμα του μικρού αεροδυναμικού μεγέθους, το σχήμα τους με αιχμηρές κορυφές που εισχωρεί στο ενδοκυτταρικό επιθήλιο, η λιποδιαλυτότητά τους και η δυσκολία να εκδιωχθούν με τον βλεννοκροσσωτό μηχανισμό. Με το πέρασμα του χρόνου, οι τοξικές, καρκινογόνες και μεταλλαξιγόνες αυτές ουσίες απελευθερώνονται στον κυψελιδικό χώρο και με μηχανισμούς ελευθέρων ριζών, κυρίως, προκαλούν οξειδωτικές βλάβες στο πρωτεϊνούχο επιθήλιο, στο DNA των κυττάρων και στις κυτταρικές λιπιδικές μεμβράνες. Το μέγεθος, η σύσταση, οι συγκεντρώσεις και ο χρόνος έκθεσης σε αιωρούμενα και εισπνεόμενα σωματίδια είναι παράμετροι που συμβάλλουν στην αυξημένη νοσηρότητα και θνησιμότητα. Οι έρευνες αυτές για τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης έχουν δημοσιευθεί σε έγκυρα επιστημονικά περιοδικά και έχουν τύχει μεγάλης αναγνωσιμότητας. Η επιστημονική συμβολή των Ελλήνων επιστημόνων για την έρευνα αυτή στον τομέα της περιβαλλοντικής χημείας και τοξικολογίας είναι σημαντική. 

Εικόνα 4. Τα εισπνεόμενα σωματίδια (αεροδυναμική διάμετρος μικρότερη των 10 μm) εισχωρούν στους αεραγωγούς και καταλήγουν στις κυψελίδες, όπου λόγω μεγέθους εγκλωβίζονται. Σωματίδια PM10 (scanning microscope).

 Με το πέρασμα του χρόνου, οι τοξικές, καρκινογόνες και μεταλλαξιγόνες αυτές ουσίες απελευθερώνονται στον κυψελιδικό χώρο και με μηχανισμούς ελευθέρων ριζών, κυρίως, προκαλούν οξειδωτικές βλάβες στο πρωτεϊνούχο επιθήλιο, στο DNA των κυττάρων και στις κυτταρικές λιπιδικές μεμβράνες. Το μέγεθος, η σύσταση, οι συγκεντρώσεις και ο χρόνος έκθεσης σε αιωρούμενα και εισπνεόμενα σωματίδια είναι παράμετροι που συμβάλλουν στην αυξημένη νοσηρότητα και θνησιμότητα. 

     Η επιστημονική βιβλιογραφία για την δημιουργία εισπνεόμενων αιωρουμένων σωματιδίων από την καύση ορυκτών καυσίμων, στα καυσαέρια αυτοκινήτων και άλλες πηγές καύσης είναι εκτεταμένη. Οι έρευνες για τα αιωρούμενα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης έχουν δημοσιευθεί σε έγκυρα επιστημονικά περιοδικά και έχουν τύχει μεγάλης αναγνωσιμότητας. Η επιστημονική συμβολή των Ελλήνων επιστημόνων για την έρευνα αυτή στον τομέα της περιβαλλοντικής χημείας και τοξικολογίας είναι επίσης σημαντική. 

    Υπάρχουν πολυάριθμες επιδημιολογικές έρευνες , ιδιαίτερα πλούσια από Έλληνες ερευνητές, για τις επιπτώσεις στην υγεία του ανθρώπου από τα εισπνεόμενα σωματίδια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. 

Αθανάσιος Βαλαβανίδης
(Καθηγητής, Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Αθηνών)

atmitos.gr