Un enfoque no trivial para la prevención de la exposición a sílice cristalina

La sílice cristalina es esencial para la producción de muchos productos utilizados en la vida cotidiana. Muchos trabajadores están potencialmente expuestos en sus puestos de trabajo a sílice cristalina respirable (SCR), cuya inhalación prolongada causa silicosis. Aunque la mejor medida preventiva es la sustitución de las sustancias peligrosas por otras que lo sean menos, en este caso es inviable sustituir al cuarzo en sectores tales como el de la cerámica, vidrio, construcción, etc. La toxicidad del cuarzo puede ser anulada por ciertas sustancias, que pueden hacer que los grupos silanol presentes en la superficie de las partículas de SCR no interactúen en médios biológicos, eliminando su toxicidad. Este recurso preventivo, ampliamente estudiado a escala de laboratorio, no se ha utilizado industrialmente hasta la fecha. En el proyecto europeo SILICOAT se está estudiando la adición de estas sustancias en los procesos de fabricación de productos cerámicos. Se ha constatado que la incorporación de ciertos aditivos en algunas composiciones prácticamente elimina la toxicidad del cuarzo contenido en las mismas, sin modificar las variables de proceso más susceptibles de verse afectadas.
Palabras Clave: 
Silice Cristalina Respirable; Cerámica; Toxicidad; ORP Conference
Autor principal: 
Alberto
Escrig vidal
Instituto de Tecnología Cerámica UJI-AICE, Castellón (España)
España
Coautores: 
María Jesús
Ibañez García
Instituto de Tecnología Cerámica UJI-AICE, Castellón
España
Eliseo
Monfort Gimeno
Instituto de Tecnología Cerámica UJI-AICE, Castellón
España
Giuliana
Bonvicini
Centro Ceramico di Bologna (CCB), Bologna
Italia
Arturo
Salomoni
Centro Ceramico di Bologna (CCB), Bologna
Italia
Otto
Creutzenberg
Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM), Hannover
Alemania
Christina
Ziemann
Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM), Hannover
Alemania

Introducción

La sílice cristalina, en forma de cuarzo, es uno de los componentes más abundantes de la corteza terrestre. Asimismo, como materia prima goza de innumerables aplicaciones. De hecho, la mayoría de las industrias vinculadas a la construcción utilizan cuarzo como materia prima fundamental. En consecuencia, el cuarzo es uno de los principales constituyentes de nuestro entorno.

Con frecuencia, el cuarzo se procesa con un tamaño de partícula tal que puede entrar en suspensión en el ambiente al manipularlo. La inhalación prolongada de sílice cristalina respirable (SCR) origina una neumoconiosis que se denomina clínicamente silicosis. La silicosis es una enfermedad profesional de carácter irreversible que aún prevalece hoy en día, especialmente en países en vías de desarrollo.

Aparte de estar ligada a una enfermedad profesional propia, la Agencia Internacional de Investigación sobre el Cáncer (IARC) ha planteado la posibilidad de que exista un vínculo entre la exposición a SCR y el riesgo de contraer cáncer de pulmón [1–3]. En efecto, este organismo ha clasificado a «la sílice cristalina inhalada en la forma de cuarzo o cristobalita» como carcinógena para los humanos (grupo 1) [3].

No obstante, en la monografía de la IARC en la que se establecía la citada clasificación [2] se puntualizó que: «la carcinogénesis no se ha constatado en todas las situaciones industriales estudiadas», lo que no tenía precedentes hasta la fecha. Además, también se indicaba que «la carcinogénesis parece depender de características inherentes a la sílice cristalina o de factores externos que afectan a su actividad biológica».

Al contrario que los agentes tóxicos moleculares, la toxicidad de los agentes particulados no viene determinada totalmente por su fórmula química, sino que su reactividad depende en gran medida de muchos factores como la historia química, térmica y mecánica de las partículas [4,5]. Esto significa que pueden tenerse dos agentes químicos con la misma composición nominal —por ejemplo, SiO2—, pero con una toxicidad radicalmente opuesta.

La SCR es un ejemplo manifiesto de dicha variabilidad. Se ha comprobado que la toxicidad del cuarzo depende de su origen y de los minerales que lo acompañan (con independencia de que lo hagan desde el propio yacimiento) [6–9]. En relación con esto, es notable la «anomalía escocesa» en la que una cohorte mostraba un desarrollo de silicosis inusual [10]. Efectivamente, los resultados epidemiológicos en general son un reflejo de la toxicidad variable de la SCR y, de hecho, no está claro que exista una relación directa entre la exposición a SCR y el cáncer de pulmón, sin la presencia previa de silicosis [1–3,11,12].

Así, puede afirmarse con rotundidad que cada cuarzo cuenta con su propia toxicidad. Se ha sugerido que las «características inherentes» de la SCR mencionadas en la monografía de la IARC hacen referencia a las características físicas y químicas de su superficie, mientras que los «factores externos» son precisamente otras sustancias que acompañan a la SCR y que influyen en su toxicidad [5].

Si este postulado es correcto, entonces sería teóricamente posible modificar la toxicidad de la SCR a voluntad, de manera que la exposición a este contaminante sea intrínsecamente segura. Esta posibilidad ofrece un nuevo enfoque para la prevención del riesgo asociado a la exposición a SCR, siendo posible eliminar el riesgo desde el origen.

En este trabajo se describen los fundamentos de una medida preventiva basada en la posibilidad indicada, la cual está siendo desarrollada en el marco de un proyecto europeo. Asimismo, se analiza el status que los autores creen que tendría una medida preventiva tan poco convencional en el marco de la prevención de riesgos.

Metodología

Fundamentos

El principio en el que se basa la medida preventiva propuesta es, de hecho, bastante antiguo. En los años 60, Schlipköter y Brockhaus [13] postularon que los grupos silanol (Si-OH) en la superficie del cuarzo son los mediadores del efecto patológico de la SCR y, lo que es todavía más remarcable, que debería ser posible neutralizar estos centros activos mediante moléculas que se adsorban fuertemente en ellos. El N-óxido de polivinilpiridina (PVPNO) posee esta característica. El grupo O de este compuesto forma puentes de hidrógeno con los grupos silanol, de manera que se produce un recubrimiento de las partículas de SCR. El tratamiento de SCR con PVPNO reduce drásticamente la hemólisis, la citotoxicidad y el daño sobre los macrófagos [14].

Otra sustancia con capacidad para la inhibición de la toxicidad del cuarzo es el lactato de aluminio [15–17]. Esta sustancia tiene una eficacia comparable a la del PVPNO [18]. Su efecto es tan evidente que ha sido utilizado para distinguir la toxicidad específica del cuarzo en mezclas de polvo [8].

Mediante el uso de organosilanos también se han obtenido excelentes resultados en esta materia [19–21]. A diferencia del PVPNO, que forma puentes de hidrógeno con el cuarzo, los organosilanos reaccionan químicamente con los grupos silanol en la superficie del cuarzo (figura 1).

Figura 1. Reacción entre el cuarzo y el propiltrimetoxisilano en medio acuoso.

Por último, ciertos autores [22] demostraron que los ácidos fuertes de Lewis, como el AlCl3 o el FeCl3, son también capaces de modular la acción lesiva de la SCR. Además, estos autores comprobaron que la cantidad necesaria para producir la máxima inhibición coincide precisamente con la que se requiere para hacer que el cuarzo sea isoeléctrico, lo que respalda la hipótesis del mecanismo basado en los grupos silanol.

Integración en los procesos productivos

Según el conocimiento de los autores, ninguno de los tratamientos arriba indicados parecen haberse utilizado para la prevención de los riesgos por exposición a SCR, con excepción de ciertas pruebas en Canadá pero que eran bastante rudimentarias y estaban orientadas con fines terapéuticos [23]. El principal motivo de esta escasa (o, más bien, ninguna) implementación a escala industrial es probablemente el bajo valor añadido del cuarzo como materia prima. Sin embargo, lo poco convencional de esta medida preventiva también ha podido influir en este sentido, como se comentará más adelante.

A pesar de la exigua experiencia práctica, se creyó conveniente investigar la posibilidad de incorporar un tratamiento para eliminar la toxicidad del cuarzo utilizado en procesos industriales. Las industrias consideradas fueron las del sector cerámico tradicional. Estas empresas son especialmente adecuadas para el estudio pues procesan grandes cantidades de materias primas que contienen cuarzo. Además, frecuentemente estas materias primas se someten a un tratamiento en suspensión acuosa y el medio acuoso es ideal para que tengan lugar las reacciones químicas y/o procesos coloidales por los que se produce el recubrimiento del cuarzo.

Del conjunto de aditivos enumerados previamente (nótese que los organosilanos son una familia amplísima de compuestos), se seleccionaron aquellos que eran susceptibles de resultar en unos menores costes de tratamiento. Se comprobó asimismo que el recubrimiento realmente tenía lugar y que éste no repercutía negativamente en el proceso productivo. Los detalles de este estudio pueden encontrarse en la referencia [23].

Estado de desarrollo de la tecnología

En el momento de redacción de la presente comunicación ya se dispone de resultados de las determinaciones toxicológicas realizadas sobre los cuarzos tratados. Estos resultados indican que es posible eliminar virtualmente la toxicidad del cuarzo mediante el tratamiento con todos los compuestos seleccionados. El compuesto que ofreció mejores resultados en términos de reducción de la toxicidad y comportamiento en proceso fue el propiltrimetoxisilano. Estos resultados se publicarán en futuras comunicaciones.

Por supuesto, el tratamiento entraña unos costes. Las estimaciones que se barajan actualmente sugieren que estos costes serían, en el peor de los casos, inferiores al 10% del valor de las materias primas una vez procesadas. Esta cifra podría considerarse tolerable por sí misma, teniendo en cuenta los potenciales beneficios en términos de salud de los trabajadores. Además, estos costes son susceptibles de ser optimizados. No obstante, ante la perspectiva de una normativa más estricta en lo referente a la exposición a SCR, podría considerarse el tratamiento como una alternativa o, al menos, un complemento a las medidas preventivas tradicionales de carácter correctivo. Seguidamente, se intenta ofrecer una primera aproximación acerca de si esta correspondencia es legítima.

Encuadramiento de la tecnología propuesta en la prevención de riesgos

Con el objeto de discernir si la medida preventiva propuesta tiene cabida en los sistemas de prevención de riesgos actuales, en primer lugar, se examinará el marco normativo europeo en este sentido. No habiendo normativa europea específica sobre limitación de la exposición a SCR, las disposiciones aplicables serían las de la Directiva 98/24/CE relativa a la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores frente a los riesgos relacionados con los agentes químicos durante el trabajo. Esta Directiva establece, en su Artículo 6:

«…preferentemente el empresario debe evitar el uso de un agente químico peligroso sustituyéndolo por un agente o proceso que, con arreglo a sus condiciones de uso, no sea peligroso o sea menos peligroso para la seguridad y la salud de los trabajadores…»

De forma similar, la Directiva 2004/37/CE, relativa a la protección de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición a agentes carcinógenos o mutágenos durante el trabajo, señala como medida preferente de protección frente a estos agentes (Artículo 5):

«…sustituir el agente carcinógeno o mutágeno por una sustancia, preparado o proceso que, en las condiciones de uso, no sean peligrosos para la seguridad y salud, o lo sean en menor grado…»

Acogiéndose a este principio general, frecuentemente conocido como principio de sustitución, la tecnología propuesta gozaría incluso de preferencia frente a las medidas convencionales de prevención de la exposición a SCR, tales como la ventilación general o las extracciones localizadas.

No obstante, este planteamiento está encontrado con lo que viene siendo el ejercicio habitual de la prevención de riesgos por exposición a agentes químicos; en particular, con la evaluación de riesgos. La evaluación de riesgos químicos involucra, convencionalmente, la medición de la exposición al agente químico, la cual se compara con el Límite de Exposición Profesional (LEP). Los LEP son un concepto atractivo pues se entiende que delimitan, aunque explícitamente se indique que no es así [26], una situación en la que la exposición es segura basándose en el conocimiento disponible.

Posiblemente promovido por el pronunciamiento de la IARC acerca de la carcinogénesis de la SCR, el Comité Científico para los LEP (SCOEL) de la Comisión Europea propuso un LEP para la SCR de 0,05 mg/m3 [25]. Este valor es sustancialmente inferior al actualmente vigente en muchos países de la Unión Europea, incluida España. Así pues, existen evidencias de que los LEP a SCR se verán reducidos en futuro próximo. De hecho, en España ya hay una propuesta de modificación [26].

Evidentemente, el tratamiento del cuarzo contenido en las materias primas pulverulentas para reducir su toxicidad no debería afectar significativamente a las concentraciones ambientales de este contaminante. En consecuencia, una evaluación de riesgos basada únicamente en el LEP vigente atribuiría exactamente el mismo riesgo con independencia de la presencia del tratamiento.

Imagínese que se dispusiera de un único LEP genérico para vapores orgánicos. En tal caso, se tendrían ambigüedades similares a la indicada, pues está generalmente reconocido que los vapores de, por ejemplo, benceno entrañan un riesgo superior a los de etanol. En el caso de una sustancia que exhibe un polimorfismo en lo referente a su toxicidad de la manera que lo hace la SCR, está claro que la situación es mucho más delicada.

Debe señalarse que los autores en ningún momento están proponiendo que el tratamiento de la SCR desarrollado sea un sustituto de las medidas preventivas convencionales. Como se ha señalado, dicho tratamiento no reduciría la cantidad de polvo en el ambiente que, con independencia de su naturaleza, se considera nocivo e insalubre. No obstante, cuando los LEP son tan reducidos como los propuestos para la SCR, debido fundamentalmente a la severidad de las patologías asociadas, es difícil que estos niveles de exposición puedan conseguirse por medios convencionales. El tal caso, el tratamiento propuesto sería un excelente complemento para minimizar el riesgo, cuya adopción no deberían verse coartada meramente por motivos de simplicidad administrativa.

Cabe indicar también que los métodos cualitativos de evaluación de riesgos (higiene inversa), cuya aplicación se está haciendo cada vez más habitual y aceptada, permitirían, en principio, tener en cuenta todas las consideraciones señaladas y distinguir mejor el grado de peligrosidad de los materiales presentes en la atmósfera de trabajo [27,28]. Sin embargo, la determinación de la peligrosidad de las sustancias presentes se suele establecer en función de su clasificación establecida según los procesos de registro y notificación a la Agencia Europea de Sustancias Químicas (ECHA), reflejada en las fichas de seguridad, lo que tampoco permitiría tener en cuenta la reducción de toxicidad de la SCR por el tratamiento propuesto.

Actualmente, la clasificación de peligrosidad del cuarzo y de los materiales que lo contienen no está armonizada, aunque la recomendada por IMA-Europe [29] es la que se presenta en la tabla 1.

Contenido en SCR (%)

Clasificación de peligrosidad según Reglamento CLP

<1

Sin clasificación

1–10

STOT RE 2

>10

STOT RE 1

Tabla 1. Clasificación de peligrosidad de los materiales que contienen SCR según IMA-Europe [29].

Esta diferencia de clasificación en función del contenido en SCR se fundamenta en base a la consideración efectuada por la Guía de aplicación de criterios de clasificación publicada por la ECHA [30], que en su capítulo 1.2.3.2 dice textualmente: «Also for human health, different forms (e.g. particle sizes, coating) or physical states may result in different hazardous properties of a substance or mixture in use». En este caso, la clasificación se establece en base al contenido en SCR, concepto que incluye de forma inherente el tamaño de partícula de la sustancia considerada. De la misma forma, se podría considerar una clasificación diferente para el cuarzo recubierto (coating), «forma» contemplada también en la mencionada guía. No obstante, la guía continúa diciendo: «However, due to test complexity, not every form or physical state can be tested for each health hazard», lo que reconoce las dificultades prácticas de este enfoque.

En definitiva, aunque se cree que la tecnología desarrollada es un instrumento preventivo de gran utilidad para la protección de la salud de los trabajadores expuestos a SCR y está basada en los principios generales de la higiene industrial, paradójicamente los propios criterios de higiene operativos podrían suponer una barrera frente a la implementación de esta medida preventiva.

Conclusiones

En este trabajo se presenta la posibilidad de prevenir el riesgo por exposición a SCR mediante un tratamiento que elimina su toxicidad desde el origen. Este concepto se adecua bien al marco normativo general de la prevención de riesgos químicos. Sin embargo, aunque el tratamiento propuesto minimiza fehacientemente el riesgo para la salud de los trabajadores, dichas ventajas podrían no quedan patentes en una evaluación de riesgos convencional basada únicamente en los LEP. En este sentido, los autores consideran que sería deseable que tratamientos como el presentado se contemplen en la evaluación de riesgos, pues reducen los riesgos en origen, lo que es un principio básico en higiene industrial.

Agradecimientos

La tecnología descrita en la presente comunicación se desarrolló en el marco del proyecto SILICOAT, financiado por el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea (FP7/2007–2013), con Grant Agreement nº 285787.

Los autores también quieren expresar su agradecimiento al personal de todas las empresas y asociaciones empresariales participantes en el proyecto: APICER (Portugal), ATOMIZADORA, PORVASAL y ASCER (España), FLAMINIA (Italia), WALKÜRE, ZIEGEL y BVKI (Alemania).

Referencias bibliográficas

  1. IARC. Silica and some silicates. Lyon: IARC. pp. 1–239, 1987.
  2. IARC. Silica, some silicates, coal dust and para-aramid fibrils. Lyon: IARC. pp. 41–240, 1997.
  3. IARC. A review of human carcinogens. C. Metals, arsenic, fibres and dusts. Lyon: IARC. pp. 355–405, 2010.
  4. K. Donaldson y P. J. A. Borm. The quartz hazard: a variable entity. Ann. Occup. Hyg. 42(5), 287–294, 1998.
  5. B. Fubini. Surface chemistry and quartz hazard. Ann. Occup. Hyg. 42(8), 521–530, 1998.
  6. A. Clouter y K. Donaldson. Workplace quartz samples are less inflammogenic than DQ12 standard quartz at equal mass. En: 7th International Symposium on Particles Toxicology, Maastricht, 13–15 Octubre, 1999.
  7. G. Attik, R. Brown, P. Jackson, O. Creutzenberg, I. Aboukhamis y B. H. Rihn. Internalization, cytotoxicity, apoptosis, and tumor necrosis factor-α expression in rat alveolar macrophages exposed to various dusts occurring in the ceramics industry. Inhal. Toxicol. 20(12), 1101–1112, 2008.
  8. E. Monfort, M. J. Ibáñez, A. Escrig, P. Jackson, D. Cartlidge, B. Gorbunov, O. Creutzenberg y C. Ziemann. Respirable crystalline silica in the ceramic industries. Sampling, exposure and toxicology. cfi/Ber. DKG 85(12), 36–42, 2008.
  9. A. Escrig, E. Monfort, M. J. Ibáñez, G. Bonvicini, O. Creutzenberg y C. Ziemann. Caracterización de la toxicidad de la sílice cristalina respirable en la industria cerámica. En: LIII Congreso de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, L’Alcora, 23–25 Octubre, 2013.
  10. B. G. Miller, S. Hagen, R. G. Love, C. A. Soutar, H. A. Cowie, M. W. Kidd y A. Robertson. Risks of silicosis in coalworkers exposed to unusual concentrations of respirable quartz. Occup. Environ. Med. 55(1), 52–58, 1998.
  11. D. Amadori. Silicosis and carcinogenesis. Cer. Acta 13(4–5), 68–77, 2001.
  12. C. McDonald. Silica and lung cancer. En: V. Castranova, V. Vallyathan y W. E. Wallace (Eds.) Silica and silica-induced lung diseases. Boca Raton: CRC Press, pp. 383–396, 1996.
  13. H. W. Schlipköter y A. Brockhaus. Die Hemmung der experimentellen Silikose durch subkutane Verabreichung von Polyvinylpyridin-N-Oxyd. J. Molec. Medicine 39(22), 1182–1189, 1961.
  14. V. Castranova. Suppression of the cytotoxicity and fibrogenicity of silica with PVPNO. En: V. Castranova, V. Vallyathan y W. E. Wallace (Eds.) Silica and silica-induced lung diseases. Boca Raton: CRC Press, pp. 293–298, 1996.
  15. R. Bégin, S. Massé, M. Rola-Pleszczynski, M. Martel; Y. Desmarais, M. Geoffroy, L. Le Bouffant, H. Daniel y J. Martin. Aluminium lactate treatment alters the lung biological activity of quartz. Exp. Lung Res. 10, 385–399, 1986.
  16. G. M. Brown, K. Donaldson y D. M. Brown. Bronchoalveolar leukocyte response in experimental silicosis: modulation by a soluble aluminum compound. Toxicol. App. Pharm. 101(1), 95–105, 1989.
  17. R. Duffin, P. S. Gilmour, R. P. F. Schins, A. Clouter, K. Guy, D. M. Brown, W. Macnee, P. J. Borm, K. Donaldson y V. Stone. Aluminium lactate treatment of DQ12 quartz inhibits its ability to cause inflammation, chemokine expression, and nuclear factor-κB activation. Toxicol. App. Pharm. 176(1), 10–17, 2001.
  18. C. Albrecht, A. M. Knaapen, A. Becker, D. Höhr, P. Haberzettl, F. J. Van Schooten, P. J. Borm y  R. P. F. Schins. The crucial role of particle surface reactivity in respirable quartz-induced reactive oxygen/nitrogen species formation and APE/Ref-1 induction in rat lung. Resp. Res. 6(129), 2005.
  19. J. H. Wiessner, N. S. Mandel, P. G. Sohnle, A. Hasegawa, y G. S. Mandel. The effect of chemical modification of quartz surfaces on particulate-induced pulmonary inflammation and fibrosis in the mouse. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 141(1), 111–116, 1990.
  20. V. Vallyathan, V. Castranova y N. S. Dalal y K. Van Dike. Prevention of the acute cytotoxicity associated with silica containing minerals. US 5096733, 1992-03-17.
  21. V. Castranova, K. Van Dyke, L. Wu, N. S. Dalai y V. Vallyathan. Suppression of silica-induced toxicity with organosilane surface coating. En: V. Castranova, Vallyathan y W. E. Wallace (Eds.) Silica and silica-induced lung diseases. Boca Raton: CRC Press, pp. 283–291, 1996.
  22. R. P. Nolan, A. M. Langer, J. S. Harington, G. Oster y I. J. Selikoff. Quartz hemolysis as related to its surface functionalities, Environ. Res. 26(2), 503–520, 1981.
  23. P. Heffernan. Aluminium therapy of silicosis. Br Med J. 1(4458), 928, 1946.
  24. A. Escrig, M. J. Ibáñez, E. Monfort, G. Bonvicini, A. Salomoni, O. Creutzenberg y C. Ziemann. Selección de aditivos para la reducción de la toxicidad del cuarzo en composiciones cerámicas. En: QUALICER 2014. XIII Congreso mundial de la calidad del azulejo y del pavimento cerámico, Castelló, 17–18 Febrero, 2014.
  25. SCOEL. Recommendation from Scientific Committee on Occupational Exposure Limits for Silica, Crystalline (respirable dust). SCOEL, 2002.
  26. INSHT. Límites de Exposición Profesional para agentes químicos en España 2014. Madrid: Ministerio de Empleo y Seguridad Social, 2014.
  27. HSE. COSHH Essentials. [En línea] Londres: HSE. [Consulta: 2014-03-05] <http://www.coshh-essentials.org.uk>
  28. INSHT. NTP 935. Agentes químicos: evaluación cualitativa y simplificada del riesgo por inhalación (I). Aspectos generales. Madrid: Ministerio de Empleo y Seguridad Social, 2012.
  29. IMA-Europe. Classification and labelling of crystalline silica (fine fraction). [En línea] Bruselas: IMA-Europe. [Consulta: 2014-03-07] <http://www.crystallinesilica.eu/sites/crystallinesilica.eu/files/documents/Position%20Paper%20Classification%20of%20RCS%20(January%202014).pdf>
  30. ECHA. Guidance on the Application of CLP Criteria. Helsinki: ECHA, 2013.

Papers relacionados

ORP 2015
Virginia
Alarcon martinez
PGV Prevención
España
ORP 2015
Luís
Carrapo Vitorino
Armada Portuguesa
Portugal
ORP 2015
Jorge Raúl
Parente
Universidad Tecnológica Nacional
Argentina