Poluarea aerului - poluantii atmosferici, gaze si vapori

POLUAREA AERULUI

Prin poluare se intelege modificarea calitatii aerului atmosferic, rezultata in urma unor fenomene naturale, dar mai ales antropice, care depasesc mecanismele de autoepurare ale aerului.

Sursele naturale de poluare sunt specifice anumitor zone, sunt cunoscute si se pot lua masuri de protectie ale populatiei, printr-o informare permanenta si un sistem de interventie eficient.

Dintre aceste surse fac parte: eruptiile vulcanice, incendiile padurilor, eroziunea solului de catre curentii de aer, intinderile de desert. In afara acestora mai sunt fenomene naturale generale, care apar in anumite perioade (in functie de conditiile atmosferice si geografice) si se refera la descompunerea substantelor organice cu degajarea unor gaze (CH₄ , H₂S , NH₃, CO₂), disconfortante prin miros, care se pot cumula uneori la valori periculoase.

Daca primele surse de poluare antropica (de orgine umana) ale aerului au fost sistemele de incalzire locala, treptat pe masura dezvoltarii comunitatilor umane au aparut surse noi ca cele industriale, precum si cele de trafic. De aceea legislatia s-a adresat initial supravegherii emisiilor rezultate din sursele industriale, apoi a vizat si sursele de trafic.

Astfel din anul 1925 dateaza primele programe guvernamentale pentru supravegherea si controlul poluarii in SUA: Salt Lake City in 1926, New York-1937, Leicester-1939 si altele.

In domeniul poluarii aerului atmosferic se foloseste termenul de „smog”, care defineste un amestec de poluanti sub forma de fum si ceata, format deasupra marilor orase poluate, care determina iritarea ochilor si a mucoasei cailor respiratorii.

Aceste fenomene s-au descris deasupra Londrei, Los Angeles, Denver, Atena, etc.

Tabel 4. Surse si poluanti emisi – USA 1999

Tabel 5. Surse si poluanti emisi in Sao Paulo – Brazilia 1999

Se estimeaza ca 30-40% din europeni traiesc in orase, in care sunt expusi la SO₂ si NO_x avand probleme de sanatate in functie de concentratie, durata, varsta, susceptibilitate individuala.

Tabel 6 Contributia % a surselor de poluare in Atena - 1996

1. POLUANTII ATMOSFERICI

In aerul atmosferic se gasesc o multitudine de factori (fizici, chimici, biologici) staini de compozitia naturala a aerului, sau compusi proprii dar in concentratii modificate fata de cele naturale, care reprezinta potentiale pericole pentru sanatatea oamenilor. Acesti factori pot deveni nocivi in anumite conditii, creeaza disconfort, altereaza conditiile de mediu, sau pot afecta direct starea de sanatate.

Putem defini poluantii ca factori nocivi, care prin compozitie, concentratie (doza) si timp de actiune pot afecta direct sau indirect starea de sanatate.

In functie de starea de agregare se pot clasifica in aerosoli si compusi sub forma de vapori sau gaze.

1.1. AEROSOLII

Sunt reprezentati de un amestec de compusi organici si anorganici sub forma de particule solide si lichide, care se gasesc suspendate in aer.

Expunerea la aerosoli se asociaza cu cresterea riscului de morbiditate si mortalitate prin bronsita in special in randul astmaticilor si persoanelor in varsta.

Principalele surse de poluare sunt reprezentate de sursele de incalzire cu carbuni si lemne, gazele de esapament, fumatul si alte surse de combustie.

Praful reprezinta fractiunea solida a aerosolilor, care a sedimentat.

Fumul reprezinta un amestec de particule solide, lichide si gaze, rezultat in urma combustiilor.

Particule solide (particulate matter-PM), reprezinta prticulele foarte mici, a caror importanta deriva din marime si compozitia lor chimica. Ele adsorb la suprafata lor apa, substante in stare gazoasa, metale grele.

50-60% din masa acestor particule o reprezinta matricea organica sub forma de fum, funingine, rezultate in urma unor combustii naturale (arderea padurilor), surse fixe de combustie sau motoare diesel.

E.P.A. (Agentia pentru protectia mediului din S.U.A.) limiteaza concentratia acestor particule la 265µg/m³, fara a standardiza concentratia si in aerul interior. Studii epidemiologice au pus in evidenta concentratii in locuinte in medie de 50µg/m³, iar in sali de asteptare, baruri pana la 500µg/m³ (Brooks 1995), in interior fumatul fiind principala sursa de poluare.

Agresivitatea particulelor este determinata de mai multi factori: concentratie, diametru, natura lor chimica si timpul de expunere. In functie de diametru particulele se clasifica (dupa Gibbs. W.) in :

particule cu diametrul intre 100-10 µm, care sunt sedimentabile in aer imobil cu o viteza uniform accelerata, se depun pe suprafete (sol, vegetatie, ape, cladiri, sau in interior); nu difuzeaza in aer, sunt nerespirabile, dar disconfortante, iar cand sunt antrenate de curentii de aer se retin in nazo-faringe si trahee. Cand se vorbeste de particule nu se ia in considerare compozitia lor chimica, insa pe termen indelungat (ani) trebuie avut in vedere si acest aspect, pentru ca pot sa apara modificari la nivel ecologic, prin concentrarea lor in sol sau vegetatie, cu afectarea florei, faunei dintr-o anumita zona, prin substantele chimice pe care le contin.

particule cu diametrul de 10 µm si mai mici (PM₁₀) rezulta in special din combustii, sunt particule in suspensie, cu o mare stabilitate in aer, difuzeaza putin in aer, sedimenteaza in aer imobil cu viteza uniforma; au o agresivitate mare deoarece sunt respirabile. Sunt respirabile, fiind retinute la diferite nivele in arborele respirator, in functie de diametru. Cea mai mare agresivitate o au particulele cu diametrul de 2,5 µm sau mai mic (PM_2,5), care ajung pana la nivel alveolar, au o compozitie diferita de celelalte, avand un continut mai mare in apa si radicali acid (sulfat, nitrat), metale grele. Datorita dimensiunilor foarte mici sunt deplasate de curenti de aer la distanta si patrund in cladiri. PM_0,5 sunt considerate particule ultrafine si rolul lor asupra sanatatii inca nu s-a certificat.

particule cu dimensiuni intre 0,1-0,001µm, care nu sedimenteaza in aer imobil, deoarece au miscari de tip brownian si se deplaseaza prin ciocnire, difuzeaza foarte mult. Desi sunt respirabile si ajung pana la nivelul alveolelor, in cea mai mare parte sunt eliminate cu aerul expirat.

In functie de natura chimica a acestor particule efectele determinate pot fi:

toxice (plumb, mercur, cadmiu, etc.);

cancerigene (hidrocarburi aromatice, nitrosamine, arseniu, crom, etc.);

iritante (particule care in functie de diametru produc leziuni tip inflamatie aseptica la nivel respirator);

alergizante (polen, puf, fibre de in, canepa, praf de casa, etc.);

fibrozante (bioxid de siliciu, oxizi de fier, carbune, asbest, etc.).

In aerul poluat al oraselor se intalnesc ca principali poluanti: PM_2,5, NO₂ si ozon. In orasele foarte mari datorita fenomenului de poluare s-a creat un microclimat propriu cu perioade de stagnare a aerului in zone declive, care favorizeaza cumularea de poluanti, ce reactioneaza intre ei, rezultand compusi noi, cu agresivitate chiar mai mare. Aceste fenomene de poluare severa s-au semnalat in ultima perioada in Mexico City si Sao Paulo – Brazilia, precum si in orase din tari in curs de dezvoltare (Shenyang – China). Incalzirea cladirilor cu pierdere de caldura in exterior poate sa contribuie la fenomenul de inversie termica, ce duce de asemenea la cumularea poluantilor.

In toate tarile dezvoltate aspectele medicale legate de poluarea aerului sunt foarte bine studiate alaturi de cele corelate cu fumatul si manifestarile alergice, astfel aproximativ 5 % din decesele lunare in orasele mari se datoreaza poluarii.

In tarile in curs de dezvoltare rata foarte mare a bolilor respiratorii in timpul iernii este atribuita poluarii la care se adauga fumatul, sistemul de incalzire si factorul infectios. Poluarea aerului este implicata in bolile acute si cronice respiratorii, bolile cardio-vasculare, cancerul pulmonar, afectiuni neurologice.

Un studiu efectuat in Germania a pus in evidenta in zile in care concentratia suspensiilor totale depasea 100 µg/m³, o crestere a frecventei consultatiilor pediatrice prin boli respiratorii acute, cu 37 % fata de zilele in care concentratiile erau intre 10-70 µg/m

In Suedia un studiu similar a evidentiat o crestere cu 10 % a simptomelor respiratorii la valori peste 22 µg/m³ a suspensiilor totale.

In Republica Ceha in perioada smogului de iarna mortalitatea infantila era cu 20-30 % mai mare in zone poluate fata de zone nepoluate.

1.2. GAZE si VAPORI

Substantele in stare gazoasa prin proprietatile lor fizico-chimice prezinta unele particularitati in ceea ce priveste mecanismul si locul de actiune. Astfel solubilitatea este determinanta in declansarea efectelor.

1.2.1 BIOXIDUL DE SULF

Este un gaz iritant, solubil in apa. Se gaseste ca atare in aer,  ca aerosoli acizi, sau adsorbit pe suprafata particulelor. Principalele surse sunt reprezentate de eruptii vulcanice, combustii, industria textila, farmaceutica.

Se absoarbe aproximativ 85% la nivelul mucoasei nazale, restul in caile respiratorii superioare, de unde trece in sange, se transforma in sulfat la nivel hepatic si se elimina renal.

Experimental s-au pus in evidenta urmatoarele modificari:

Scaderea puterii de aparare a macrofagelor, crescand frecventa infectiilor.

Scaderea clearence-ul particulelor inerte.

Expunerea la concentretii mici, dar de lunga durata creste riscul bronsitei.

Puterea de penetrare este mai mare in respiratia bucala fata de cea nasala.

Efecte functionale respiratorii

Experimental:

bronhoconstrictia cu cresterea rezistentei in caile aeriene;

ingrosarea mucoasei;

stimularea receptorilor de la nivelul mucoasei;

Expunerea umana: la 1, 5, 13 ppm timp de 10 minute determina un raspuns rapid bronhoconstrictor. Astmaticii reactioneaza la valori <1ppm, spre deosebire de persoanele sanatoase, care reactioneaza la valori in jur de 5 ppm, iar in respiratia de tip oral reactiile apar la concentratii de 1-3 ppm.

Un studio efectuat in Atena a evidentiat o crettere cu 4% a mortalitatii in zile in care SO₂ a depasit concentratii de 150µg/m³, iar in Lyon si Marseille procentul deceselor prin boli respiratorii la personae peste 65 ani a fost de 9-11% la concentratii peste 100µg/m

Tabel 7. Efecte in expunerea pe 24 ore  in functie de LOAEL (µg/m³

Recomandari OMS : - 500 µg/mc pe 10 minute;

- 125 µg/mc timp de 24 ore.

1.2.2. ACIDUL SULFURIC si SULFATII

Bioxidul de sulf se oxideaza la acid sulfuric si sulfati, avand drept catalizatori metalele (Fe, Mn, Vn), rezultate din arderea combustibililor fosili sau din topirea metalelor. In final resulta sulfati si bisulfti de amoniu, care sunt adsorbiti pe particule < 2,5 µm. Aceste saruri sunt mai iritante decat SO₂, in schimb acidul sulfuric are cel mai puternic efect iritant, alterand clearence-ul pulmonar al particulelor si alterand mecanismele majore de aparare. Este un raspuns bifazic: dupa o expunere la concentratii mici < 250 µg/m³ se produce o crestere a clearence mucos, iar la expuneri > 1000 µg/m³ scade clearence-ul.

Dupa expuneri pe termen lung la concentratii mici >100µg/m³ se produce o hiperplazie a celulelor mucosecretorii, cresterea pH celular cu afectarea activitatii macrofagelor, crescand astfel frecventa bronsitelor.

Aerosolii si SO₂ sunt compusi chimici de tip reducatori, care in concentratii mari si in conditii meteorologice speciale (umiditate crescuta, ceata) stau la baza formarii smogului de tip reducator, cunoscut si sub numele de smog londonez.

Datorita concentratiilor crescute de NO_x si SO₂ in prezenta vaporilor de apa, in aer se formeaza acizi. Acestia sunt concentrati in urma precipitatiilor in sol si in sursele de apa. Se realizeaza o crestere a aciditatii la acest nivel, afectand flora si fauna existenta in mod natural.

Radicalii acid favorizeaza dizolvarea si migrarea unor metale (mercur, cadmiu, plumb) din sol si concentrarea lor in plante, iar pe aceasta cale patrunderea lor in lantul trofic animal si in final al omului.

De asemenea acesti compusi acizi degradeaza materialele de constructie, masele plastice, cauciucul, corodeaza suprafetele metalice ale cladirilor, sau operele de arta si arhitectonice.

In aerul atmosferic au loc o serie de reactii chimice in prezenta radiatiilor solare, rezultand un amestec format din: ozon, oxizi de azot, aldehide, peroxiacetil-nitrati (PAN) si hidrocarburi, cunoscut sub numele de smog oxidant fotochimic, sau smogul de Los Angeles. Principalul compus oxidant al smogului este ozonul.

1.2. OZONUL

Se afla in mod natural in concentratii foarte mici (urme) in aerul troposferic si in concentratii mult mai mari in stratosfera, sub forma unui strat cu o grosime de 2-5mm, la 20-30 Km altitudine, care formeaza un ecran protector fata de radiatiile solare si in special fata de ultraviolete de tip B si C. In ultima perioada de timp se observa o tendinta de cumulare a ozonului la nivelul troposferei, fiind considerat un poluant iritant, precum si depletia lui de la nivelul stratosferei.

Este un agent oxidant puternic, care se formeaza prin actiunea radiatiilor ultraviolete asupra NO₂  si a compusilor organici volatili (VOC). Concentratia depinde de gradul de poluare, dar si de conditiile meteorologice. Cele mai mari valori au fost semnalate deasupra Oceanului Atlantic si la 3000 m altitudine, in Germania s-au evidentiat 120µg/m³, iar in USA pana la 400µg/m

Radiatiile ultraviolete cu lungimi de unda mica din troposfera au suficienta energie, care este absorbita de NO₂

NO₂ +h.v O. + NO

O. +O₂O₃

O₃ +NONO₂

Acest proces este ciclic, iar in absenta hidrocarburilor (care au rol de catalizatori), reactiile sunt incetinite. Hidrocarburile in special cele aromatice se oxideaza in prezenta O si rezulta radicali liberi, care reactioneaza cu NO si se formeaza NO₂

Balanta acestor reactii va fi de 1 la 3 pentru ozon, care se acumuleaza in special cand insorirea este puternica si pe seama NO₂  rezultat din traficul de dimineata. Pe langa ozon se formeaza si alti radicali liberi (aldehide, peroxi acetil nitrati-PAN), denumiti generic oxidanti fotochimici.

Ozonul oxideaza gruparile sulfidril si aminoacizii din enzime, coenzime, proteine, precum si acizii grasi polinesaturati la peroxizi (toti fiind compusi ai membranelor biologice).

Compus foarte iritant atat in caile respiratorii superioare, cat si inferioare, care interferea cu mecanismele de aparare ale organismului.

Concentratia ozonului s-a corelat in diverse studii epidemiologice cu:

• Simptome de cai respiratorii superioare: rinoree, iritatia laringelui;
• Simptome de cai respiratorii inferioare: tuse, whising, durere retrosternala;
• Simptome nespecifice: cefalee, oboseala.

Este un poluant oxidant, dependent de fenomenele meteorologice si gradul de poluare determinat in primul rand de trafic (intre 60-135 milioane de americani traiesc in zone cu concentratii de ozon >0,12ppm). In Los Angeles frecvent nivelele depasesc 0,2-0,3ppm.

Efecte acute obtinute in urma unor studii experimentale:

Afecteaza celulele epiteliale, secretorii si ciliate, care sunt cele mai sensibile.

Modifica permeabilitatea alveolo capilara.

Scade volumul expirator maxim pe secunda (cu cat expunerea este mai indelungata apar efecte cumulative).

Scade puterea de aparare la infectii.

Efectul bronhoconstrictor este mai mic comparativ cu expunerea la acid sulfuric, insa efectul inflamator este comparativ mai mare (creste de 8 ori numarul polimorfo nuclearelor).

Prostaglandinele PGE₂ si PGF_2a, tromboxan B₂ scad in lavajul bronho alveolar la om.

Potentialul sensibilizarii alergice primare este slab, dar creste frecventa crizelor de astm.

Efecte cronice:

Hiperplazia celulelor alveolare;

Alterarea celulelor ciliate si Clara din caile aeriene mici, prin efectul cumulat al concentratiei si timpului de expunere (CxT);

Cresc lactat dehidrogenaza si elastaza, markeri ai injuriilor la nivel pulmonar.

Este greu de separat efectul ozonului fata de ceilalti poluanti iritanti, de aceea cele mai multe studii urmaresc efectul combinat al poluantilor iritanti.

Experimental s-a urmarit expunerea la ozon, ca principal constituent al smogului, creandu-se artificial conditiile smogului de Los Angeles.

Recomandari OMS privind concentratia ozonului:

-150-200µg/m³ pentru 1 ora expunere;

-100µg/m³ pentru 8 ore.

Efectele datorate depletiei stratosferice de ozon

Se presupune ca stratul de ozon stratosferic s-a format acum cateva bilioane de ani, in urma distructiei si recombinarii oxigenului, prin energia solara.

Observatii spatiale facute in perioada 1956-1976 au constatat o stabilitate a stratului de ozon, pentru ca apoi acesta sa scada sub 1 mm grosime in special deasupra Antarcticei, incepand cu anul 1985, datorita degajarii pe perioada verii polare a unor poluanti cu rol de catalizatori ai reactiilor de distructie ale ozonului (azot, hidrogen, radicali liberi de clor, brom). Moleculele de freoni (clor fluoro carboni-CFC), datorita stabilitatii si reactivitatii chimice crescute pot distruge pana la 10.000 molecule de ozon.

Deasupra Europei stratul de ozon a scazut in ultima perioada cu aproximativ 3% anual. Principalele cauze ale acestui fenomen fiind: zborurile stratosferice (in special prin emisia de gaze de ardere, dar si prin fenomenul de bang sonic), precum si prezenta freonilor, folositi ca agenti de refrigerare, spumanti in incendii, agenti propulsori in spray, aparate de conditionare a aerului.

Prin diminuarea stratului de ozon (de la 2-5mm la mai putin de 1mm) creste gradul de penetrare al RUV cu lungimi de unda mici la nivelul scoartei terestre. Depletia ozonului stratosferic si acumularea de CO₂ in straturile mai joase ale atmosferei, duc la schimbari climatice globale.

Ca efecte in urma supraexpunerii la RUV creste riscul cancerului de piele, a unor modificari precanceroase cutanate (celule scuamoase, hipercheratoza), cataracta si posibile efecte imunologice, care se observa la persoanele, care prin specificul activitatii lucreaza mai mult timp in aer liber, in conditiile in care nu au echipament de protectie (constructori, agricultori, pescari). Ca efecte indirecte apar modificari ale productiei agricole si asupra sistemelor acvatice.

S-a incheiat in anul 1987 Protocolul de la Montreal, dupa care a urmat Conventia de la Viena cu un amendament adoptat in 1990, privind protectia stratului de ozon, la care a aderat si Romania.

1.2.4. OXIZII DE AZOT

NO resulta din combustii, trafic, fumat, iar NO₂ este un poluant secundar, care resulta prin oxidare in prezenta luminii, sau direct prin combustii la temperaturi foarte mari in termocentrale sau in interior prin folosirea sobelor cu gaz. Este un compus al smogului fotochimic si favorizeaza ploile acide.

Copiii sunt cei mai sensibili prin afectarea cailor respiratorii in totalitate si chiar la nivel alveolar.

Efecte experimentale in expunerea la NO₂:

• Leziuni de tip inflamator la nivelul bronhiilor dupa 4-6 ore de expunere la 2 ppm.
• La expuneri de 2-5 ppm sunt afectate limfocitele T.
• La expuneri de 0,6 ppm scade inactivarea virala a macrofagelor (prin interleukina-1, care este modulator citotoxic al functiei de imunitate cellulara).
• Ca efect cronic s-a produs experimental emfizem la hamsteri.

Tabel 8. Efecte cornice in expunerea la NO_x

Recomandari OMS :

- 400µg/mc timp de 1 ora (justificat de LOAEL la astmatici).

- 150µg/mc media pe 24 ore (are la baza repetarea expunerii si protectia fata de efectele cronice).

Alti poluanti oxidanti: VOC, PAN, cu efecte iritante la nivelul conjunctivelor, iar la concentratii mai mari si la nivel pulmonar.

1.2.5. ALDEHIDE (formaldehida si acroleina)

Formaldehida are efect iritant datorita solubilitatii foarte mari in apa. Irita conjunctivele, mucoasa nasala si a tractului respirator superior.

Pragul olfactiv este de: 0,5-1 ppm

2-3 ppm produce o iritatie usoara

4-5 ppm este intolerabil

Este prezenta in aerul interior rezultand din materiale de constructie, furnituri, folosirea unor spume pe baza de uree-formaldehida, in izolarea instalatiilor. Studii privind expunerea cronica ocupationala si efectele cronice la copii au pus in evidenta o scadere semnificativa a “peak expiratory flow” la o expunere de 60 ppb, iar la copiii astmatici la 50 ppb.

Formaldehida are si efect alergizant, iar experimental la soareci prin inhalare de lunga durata s-a dovedit a fi cancerigena (cancer nazal), precum si o frecventa mare a acestei localizari la expusi profesional.

Acroleina

Este o aldehida nesaturata, cu efecte iritante mai puternice decat formaldehida (1 ppm produce iritatia ochilor si a mucoasei tractului respirator).

In expunerile de lunga durata efectele iritante apar prin cumulare.

In concluzie se poate spune ca expunerea la poluanti iritanti in functie de nivelul si timpul de expunere induc: