Nanopartículas en ambientes de trabajo reales. ¿Pueden ser ambientes saludables?

La presencia de nanopartículas manufacturadas en el lugar de trabajo representa una nueva preocupación desde el punto de vista de un entorno de trabajo saludable. Además del gran desconocimiento que existe acerca de los efectos adversos que puedan causar sobre los organismos, el principal problema radica en la dificultad que representa controlar la situación, no sólo desde el punto de vista de la higiene industrial, sino que también desde la óptica ambiental en general. En el caso de las nanopartículas manufacturadas, se supone que se dispone de gran cantidad de información acerca de ellas ya que, al menos, se sabe para qué se fabrican, qué propiedades presentan y a qué uso industrial o comercial van destinadas. Ahora bien, las nanopartículas que se producen no intencionadamente como resultado, mayoritariamente, de procesos de combustión o de abrasión, presentan una dificultad adicional ya que, por ejemplo, su composición química puede no ser conocida con suficiente exactitud y su tamaño puede ser realmente variable. Existen diferentes técnicas para detectar y cuantificar nanopartículas ambientales, aunque cada una de estas técnicas se aproxima a los valores de concentración a través de diferentes estrategias. Esta comunicación pretende exponer los resultados obtenidos por medio de diferentes técnicas, así como, analizar las similitudes y diferencias encontradas cuando se utilizan conjuntamente en ambientes de trabajo reales, concretamente, en el sector de mantenimiento de superficies de embarcaciones.
Tema secundario: 
Autor principal: 
Yolanda
Martínez Laserna
Grupo de Investigación en Salud Laboral/ Universidad de les Illes Balears
España
Coautores: 
Juan Francisco
Expósito Rosell
HEMISPHERE COATING SERVICES SL (GLOBAL YACHTING GROUP)
España
Maria de las Nieves
Piña Capó
Departamento de Química/ Universidad de les Illes Balears
España
Pere M.
Deyà Serra
Departamento de Química/ Universidad de les Illes Balears
España
Introducción: 

Las tareas de mantenimiento de las superficies de embarcaciones en la industria náutica constituyen una parte importante del trabajo que se desarrolla en el sector industrial de astilleros en las Islas Baleares (España). Particularmente, entre las tareas más importantes están las que tienen por objeto el acondicionamiento previo de las diferentes superficies para poder aplicar, posteriormente, los tratamientos adecuados. Esta preparación consiste principalmente en limpiar las superficies mediante técnicas abrasivas ya sean de arenado o chorreo con material abrasivo (sandblasting) o de lijado (sanding).

Todas las tareas de abrasión llevan consigo la formación potencial de aerosoles de materia particulada en cuya composición estarán representados tanto los componentes del material abrasivo utilizado en la tarea como los productos que constituyen las capas de material que van a ser desbastadas.

En las tareas de arenado, el material abrasivo será, principalmente, silicato de aluminio y, en algún caso puntual, arena de sílice u otro material, mientras que, en las tareas de lijado, el material abrasivo será el que se pueda desprender por desgaste de los diferentes tipos de discos utilizados en los dispositivos de lijado o pulido.

Por otra parte, el material que debe desbastarse, esta constituido por las diferentes capas de material que protegen y embellecen las superficies de las embarcaciones. Se tratará de capas de material con actividad biocida (antifouling), de imprimación y de pintura de acabado, junto con los diferentes tipos de masilla y resinas utilizadas para eliminar las imperfecciones de las superficies [1-4]

En este estudio, se va a analizar el tipo de información que se puede obtener, en función de las técnicas de muestreo utilizadas, con el objeto de caracterizar las diferentes fracciones de los aerosoles formados en las tareas de lijado [5] de las superficies de las embarcaciones, nos referimos principalmente a las fracciones respirable e inhalable. En este sentido se presentan los resultados obtenidos mediante mediciones con equipos portátiles de lectura directa (instrumentos que ofrecen información en tiempo real sobre las concentraciones de partículas en el aire con alta resolución de tiempo), así como con muestreadores (dispositivos que recogen partículas sobre un substrato, en este caso filtros, para su posterior análisis), éstos últimos dirigidos a la caracterización física y morfológica de las partículas constituyentes de los aerosoles. De los resultados se podrán deducir aspectos fundamentales que permitirán concluir qué mediciones serán comparables entre sí y cuáles presentarán diferencias significativas y, por lo tanto, no serán comparables puesto que no medirán lo mismo.

 

Objetivos

  • Realizar mediciones mediante equipos portátiles de lectura directa fundamentados en la cuantificación de diferentes parámetros (número de partículas, área superficial, etc.) y equipos de medición indirecta que proporcionarán información gravimétrica y morfológica de los aerosoles generados.
  • Realizar una serie de mediciones de las concentraciones en masa de las fracciones relacionadas con la salud (inhalable y respirable) de los aerosoles generados en operaciones de lijado de superficies de embarcaciones de recreo, incluyendo, además, la fracción nanométrica de los mencionados aerosoles en caso de que ésta sea significativa.
  • Analizar qué mediciones son comparables entre sí y cuáles no en función de los parámetros evaluados y de las características de los muestreadores utilizados.
Metodología: 

El estudio se ha llevado a cabo en un astillero de Palma de Mallorca (Islas Baleares, España) en el cual, por un periodo de 10 jornadas de trabajo, se han realizado mediciones durante el lijado de las superficies de 5 embarcaciones. El estudio se ha llevado a cabo en los escenarios reales típicos de este tipo de trabajos, que son, bajo carpa de plástico dotada de elementos de ventilación para tareas de desbastado de las capas de pintura de acabado, de imprimación y de masillas y resinas, y en el exterior y bajo malla mosquitera para las capas de antifouling.

Todos los instrumentos de medida y de muestreo que se describen más abajo, se situaron cerca de la zona de respiración del trabajador, a una distancia inferior de 1 m del foco de exposición – es lo que se viene llamando referencia cercana (near reference) [6]. El estudio se diseñó de manera que las muestras se tomaron simultáneamente con la idea de poder comparar los resultados [7]. Por otra parte, para facilitar la movilidad de los trabajadores las bombas de muestreo se colocaron sobre un soporte móvil y los captadores se fijaron a la altura de las vías respiratorias.

Se han utilizado dos equipos portátiles de medida directa que se describen a continuación junto con sus características y los parámetros que se han determinado con cada uno de ellos:

Equipo 1: DiSCmini Matter Aerosol (Diffusion Size Classifier “mini”) [8]

Parámetros de medida: concentración de número de partículas (Np), diámetro medio de partícula (Dp), concentración de partículas depositada sobre la superficie pulmonar (LDSA: Lung deposited Surface area).

Fundamento: se ioniza el aire muestreado y los iones formados se unen a las partículas del aerosol. Las partículas así cargadas se recogen en el filtro de un electrómetro donde se mide la corriente eléctrica.

Tamaño de partícula: 10 – 700 nm

Intervalo de concentración de aerosoles: 103 – 106 partículas/cm3.

Caudal de muestreo: 1 L·min-1.

Tiempo de resolución: 1 segundo.

Equipo 2: DustTrakTM DRX [9] Monitor de Aerosoles Modelo 8533

Parámetros de medida: concentraciones de aerosol correspondientes a fracciones de tamaño PM1, PM2.5, PMResp, PM10 y PMtotal.

Fundamento: fotómetro láser de dispersión de luz

Tamaño de partícula: 100 – 15.000 nm

Intervalo de concentración de aerosoles: 0.001 – 150 mg·m-3

Caudal de muestreo 3 L·min-1

Tiempo de resolución: 1 segundo

Como equipos de medición indirecta (muestreadores) se han utilizado:

Equipo 3: Muestreador ciclón Higgins and Dewell de plástico conductor (Casella) con filtro de PVC de 37 mm de diámetro y 5 μm de tamaño de poro. Se ha utilizado con una bomba de muestreo personal a un flujo de aspiración de 2.0 L·min-1.

Equipo 4: Muestreador dual IOM Multidust [10, 11] (Institute of Occupational Medicine) de plástico antiestático dotado de un filtro de PVC de 25 mm y 5 μm de tamaño de poro. Se ha utilizado con una bomba de muestreo personal a un flujo de aspiración de 2.0 L·min-1.

Equipo 5: Impactador de Cascada SIOUTASTM PCIS (SKC Inc.) [12] que recoge simultáneamente 5 fracciones de materia particulada: A (2.50-10.00 μm), B (1.00-2.50 μm), C (0.50-1.00 μm), D (0.25-0.50 μm) y Post-filtro PF (< 0,25 μm) con filtros de teflón-PTFE de 25 mm para las etapas A, B, C y D y filtro de PFTE de 37 mm para el post-filtro. Se ha utilizado con una bomba de aspiración de alto caudal Leland Legacy operando a un flujo de 9 L·min-3.

El análisis gravimétrico de las diferentes fracciones se llevó acabo utilizando “muestras blanco” para la corrección de resultados y acondicionamiento previo y posterior del filtro durante 24 h en cámara de humedad constante de acuerdo con las normas de los fabricantes.

Se han determinado todos los parámetros anteriores para cuatro tareas diferentes de lijado en función del material constituyente de la capa desbastada, a saber, pintura de acabado (AC), imprimación (IM), antifouling (AF) y masilla-resina (SR: Saneo Radial).

Para la caracterización morfológica de las muestras de aerosol se han utilizado imágenes de microscopia electrónica SEM (Scanning Electron Microscopy) obtenidas sobre los mismos filtros de PVC y TEM (Transmission Electron Microscopy) recogidas sobre rejillas de oro Quantifoil ® con agujeros de 1 μm y malla de 200 mesh con separación de 4 μm. Las rejillas se colocaron sobre filtros de PVC de 37 mm y 5 μm de tamaño de poro, sobre el muestreador ciclón. Caudal de muestreo: 2 L·min-1.

El análisis estadístico se realizó mediante el software de estadística SPSS (Versión 24.0 IBM Corp, Amonk, NY). Los estadísticos descriptivos utilizados para las diferentes fracciones de materia particulada son la media aritmética (AM) de las concentraciones por jornada y desviación estándar (SD).  La comparación de las diferentes concentraciones registradas par a par mediante los diferentes sistemas de captación se llevó a cabo mediante el test t para dos muestras independientes.  Los valores no significativos (p > 0.05) indican que las concentraciones no son estadísticamente diferentes.  El contraste de normalidad para todos los pares de muestras se realizó mediante el test Shapiro-Wilk. El uso de pruebas no paramétricas en los supuestos en los que no se cumple la prueba de normalidad se realizó mediante el test U de Mann-Whitney, con un nivel de significación p < 0.05.

Las partículas generadas en el proceso son estadísticamente significativas si la concentración media de las partículas en el aire en el lugar de trabajo es mayor que tres veces la desviación estándar de la concentración [13] del fondo. Es decir, si se cumple que el número de partículas (Np) dividido por la desviación estándar de la concentración de fondo (σBG) es superior a 1:

Np/ 3sBG > 1

Resultados: 

El diseño del estudio realizado durante las 10 jornadas de medición se resume en la Tabla 1. Todas las muestras y mediciones se realizaron simultáneamente a efectos de poder realizar las comparaciones pertinentes.

Los huecos de la tabla corresponden a experimentos fallidos que han tenido que eliminarse ya sea porque se produjo la saturación del filtro o porque se detectó la rotura del mismo o porque hubo un funcionamiento defectuoso del equipo de medida directa.

La Tabla 2 recoge los valores de diferentes parámetros (Np, Dp y LDSA) determinados mediante el equipo DiSCMini durante las 10 jornadas de trabajo estudiadas, distribuidas en 3 jornadas de tareas de acabado (AC), 3 jornadas más de tareas de imprimación (IM), 3 de antifouling (AF) y 1 de masilla-resina (SR). Se trata, en todos los casos, de valores promedio por jornada de trabajo. Se muestran los valores obtenidos correspondientes a la zona cercana a la de respiración del trabajador, así como los valores determinados antes del inicio de las tareas, que se han considerado como valores de fondo y que podrían definirse como valores ambientales con contribución de aerosoles producidos en zonas cercanas, aunque externas, al lugar de trabajo objeto de este estudio.

Los valores de Np obtenidos durante las diferentes tareas son, en todos los casos, al menos un orden de magnitud superior a los valores de fondo. De forma general, los diámetros medios de las partículas (Dp) generadas por el proceso de lijado, son menores que los de las partículas de fondo, que podríamos considerar como partículas ambientales (p.e. polen). Como resultado de la combinación de los dos parámetros anteriores, la superficie pulmonar afectada por la deposición de partículas generadas (LDSA) es muy superior a la debida a las partículas de fondo.

Los valores presentados en la tabla muestran una gran variabilidad entre jornadas tanto en las mediciones cerca del trabajador como en las de fondo. La variabilidad es una característica en los estudios llevados a cabo en escenarios reales y siempre hay que contar con ella.

La tarea de imprimación (IM) es la que mayor número de partículas (Np) produce, resultando un orden de magnitud superior a las demás tareas. Además, las partículas generadas en esta tarea son de menor tamaño (Dp) que las producidas en los demás procesos de lijado. Como resultado de todo ello, los valores de LDSA para la tarea IM son, de forma general, los más elevados.

La Tabla 3 muestra los valores obtenidos con el equipo DustTrak correspondientes a los valores promedio por jornada de las diferentes fracciones másicas de aerosol generado en las operaciones estudiadas. El equipo determina diferentes fracciones másicas del aerosol segregadas por tamaño (PM1, PM2.5, PM10) definidas de acuerdo con la norma ISO 23210:2009 así como una fracción denominada PMTOTAL que incluye partículas de hasta 15μm de diámetro aerodinámico y, además, determina una fracción PMRESP (fracción respirable) definida de acuerdo con el criterio de la ACGIH [14].

En general, los valores de concentración de las diferentes fracciones másicas correspondientes a las tareas IM resultan ser ligeramente mayores que para las demás tareas siguiéndole las tareas AC, SR y AF, por este orden.

Atendiendo a las definiciones de las diferentes fracciones, de los valores obtenidos se puede deducir que la fracción PM1 representa entre un 24 y un 47% del total de partículas del aerosol. Este aspecto es importante porque en esta fracción se deben encontrar, en caso de existir, las nanopartículas.

La Tabla 4 muestra los valores de concentración media por jornada determinados mediante los equipos 3 y 4, es decir, captadores Ciclón e IOM Multidust. Los valores obtenidos con el ciclón corresponden a la fracción respirable del aerosol muestreado (CYC). El captador dual IOM Multidust permite determinar simultáneamente las fracciones inhalable (IOM FI) y respirable (IOM FR) del aerosol.

La variabilidad de los resultados correspondientes a jornadas diferentes también queda de manifiesto en esta tabla.

En general se observa que los valores de concentración IOM FI son más elevados que los IOM FR para todas las tareas y, también, que los valores IOM FR son muy superiores a los CYC y presentan desviaciones estándar más elevadas. Los valores CYC parece que no dependen de la tarea, mientras que los valores IOM FR son significativamente distintos según la tarea estudiada y lo mismo ocurre para los valores IOM FI.

Los valores de concentración promedio por jornada obtenidos mediante el captador Sioutas™ se muestran en la Tabla 5. Se observa que, en general, si bien la fracción más importante es la correspondiente a las partículas más grandes (fracción A: 10 – 2.5 μm) la fracción de partículas menores de 0.25 μm es significativa para todas las tareas, en concordancia con los resultados del DustTrak para la fracción PM1 (Tabla 3), confirmando la presencia de material nanométrico generado durante las tareas de lijado objeto de este estudio.

Se ha comprobado estadísticamente que todas las distribuciones de concentraciones registradas y descritas en este apartado se ajustan a una distribución normal (test Shapiro-Wilk, n < 50), excepto los resultados obtenidos para el captador IOM FR.

 

 

Discusión de resultados: 

Inicialmente, entre los valores de concentración determinados, algunos debieran ser comparables directamente puesto que teóricamente miden la fracción respirable del aerosol definida de acuerdo con el mismo criterio. Este es el caso de las concentraciones medias por jornada PMRESP (DustTrak, Tabla 3), IOM FR y CYC (Tabla 4) para las que se ha realizado la comparación estadística, tomadas dos a dos.

 

La aplicación del test t indica que las concentraciones obtenidas para PMRESP del DustTrak (AM=5.9 mg/m3, SD = 3.4) y las concentraciones medias por jornada obtenidas para el CYC (AM=4.4 mg/m3, SD = 1.5) no presentan diferencias estadísticamente significativas (p= 0.237, n=17). Mientras que las concentraciones obtenidas para la PMRESP (DustTrak) y CYC se ajustan a una distribución normal, no ocurre lo mismo con las concentraciones registradas mediante IOM FR, en este caso, es necesario una prueba no paramétrica usando el test U de Mann-Whitney. El análisis mediante el programa SPSS confirma que existen diferencias estadísticamente significativas entre las concentraciones PMRESP (DustTrak) y IOM FR (AM=18.6 mg/m3, SD = 18.7) y también entre IOM FR y CYC con un nivel de significación p=0.001 y p =0.002 respectivamente.

Además, los valores de concentración que proporciona el captador IOM Multidust para la fracción respirable (IOM FR, Tabla 4) son mayores que los del ciclón (CYC, Tabla 4), por lo que el comportamiento del captador IOM en las condiciones reales del trabajo aquí estudiado (dirección y velocidad del aire, existencia de partículas grandes, …) cabe suponer que es menos eficaz que si la determinación se realiza en condiciones controladas de laboratorio.

Estos resultados indican que el muestreador IOM Multidust no es apropiado para este estudio [15, 16] dadas las condiciones experimentales en las que se lleva a cabo.

Además, tal como se observa en las imágenes 1  (imágenes SEM de 2 fracciones aleatorias de filtros diferentes de PVC de 25 mm, lijado de imprimación), los impactos de las partículas que ingresan en el captador con trayectoria perpendicular al mismo, pueden provocar la rotura del filtro y acumularse en el fondo del muestreador. Finalmente, debido al tamaño del orificio de entrada que presenta el IOM (15 mm de diámetro), pueden penetrar partículas realmente grandes – superiores incluso a 100 μm – o facilitar la deposición pasiva de partículas. Todo ello tiene como resultado la sobrevaloración de la concentración másica del aerosol [17] tal como se observa en los valores incluidos en la Tabla 4.

La imagen 2 corresponde a una fracción aleatoria de un filtro recogido con el captador IOM Multidust, donde se observan partículas de gran tamaño. Las partículas recogidas presentan una morfología irregular.

Análogamente se han comparado los resultados obtenidos mediante el equipo de medida directa DustTrak (Tabla 3) y algunas combinaciones de fracciones determinadas por el impactador Sioutas (Tabla 5). Para el estudio estadístico se han comparado tres series de valores de la siguiente forma: PM1 con la suma de fracciones C + D + PF, PM2.5 con la suma de fracciones B + C + D + PF y PMTOTAL con la suma de todas las fracciones de SIOUTAS (A + B + C + D + PF).

La ejecución del test t sobre pares de valores indica que la suma de fracciones C + D + PF del captador Sioutas (AM = 3.1 mg·m-3, SD = 1.5) y la fracción PM1 del DustTrak (AM = 5.3 mg·m-3, SD = 3.1) no miden concentraciones diferentes (p = 0.078, n = 17).  De forma similar ocurre con las otras dos comparaciones:  es el caso de la suma de las fracciones B + C + D + PF del captador SIOUTAS (AM = 4.9 mg·m-3, SD = 2.0) y las de la fracción PM2.5 del monitor DustTrak (AM = 5.4 mg·m-3, SD = 3.2), donde los resultados indican que no existen diferencias  estadísticamente significativas entre las concentraciones registradas (p = 0.702, n = 17) y el caso de la suma de todas las fracciones del SIOUTAS (AM = 8.8 mg·m-3, SD = 4.2) y PMTOTAL (AM = 16.7 mg·m-3, SD = 12.9) donde también se confirma que los dos captadores no miden concentraciones diferentes (p = 0,105, n = 17).

Por otra parte, los valores obtenidos mediante el impactador SIOUTAS para la fracción de partículas menores de 0.25 μm, y también los valores de la fracción PM1 determinada mediante el equipo DustTrak, no son despreciables, por lo que se puede deducir que muy probablemente existe una fracción nanométrica significativa que merece ser estudiada, principalmente por los efectos adversos que puede causar sobre la salud de los trabajadores.

El estudio de los aerosoles formados mediante el equipo DiSCMini, revela que, efectivamente, existe una fracción de partículas en los aerosoles de lijado para las que, al menos una de sus dimensiones, es inferior a 100 nm según se deduce de los diámetros de partícula (Dp) encontrados (Tabla 2). Independientemente de la composición química de este tipo de nanopartículas generadas, únicamente por ser de este tamaño, las nanopartículas son capaces de depositarse en la superficie pulmonar y causar efectos nocivos. El DiSCMini determina un parámetro que mide la superficie de interacción entre las partículas y el pulmón: el LDSA (Lung Deposited Surface Area concentration). Este parámetro se considera como una métrica relevante para los efectos adversos para la salud que pueden causar las partículas de los aerosoles [18].

La imagen 3 muestra la serie de tiempo de la concentración LDSA obtenida a partir de mediciones en continuo con el monitor DiSCMini en la que se observa la variación del parámetro LDSA en 4 jornadas de trabajo diferentes.

Los valores medios de LDSA más elevados se obtienen para la tarea de lijado de las capas de imprimación (IM), siguiéndole las de antifouling (AF), las de masilla-resina (SR) y finalmente las de acabado (AC) por este orden. A su vez, los valores del diámetro medio de las partículas (Dp) siguen el orden inverso al anterior, es decir, los valores más bajos corresponden a IM y los más altos a AF y SR.

Las imágenes TEM de las rejillas recogidas para lijado de antifouling, imprimación y acabado confirman la presencia de nanopartículas irregulares con Dp < 30 μm.  se evidencia la formación de agregados constituidos por partículas pequeñas en tareas de AF y IM y nanopartículas dispersas en AC.

Aunque los mecanismos mediante los cuales las nanopartículas afectan la salud del trabajador no han sido descritos con total claridad, parece que existe cierto consenso en que las partículas más pequeñas resultan ser más tóxicas que las partículas grandes, lo que se podría explicar porque la superficie específica de las partículas pequeñas es mayor que para las partículas grandes y es precisamente en la superficie de la partícula donde se produce la interacción potencialmente nociva (química superficial). Esta interacción puede producirse tanto debido a la propia composición química de las nanopartículas como a toxinas u otros compuestos químicos que pueden estar adsorbidos en su superficie. De todo ello surge la opinión de que el parámetro LDSA sea la métrica más relevante para cuantificar la exposición a material nanométrico.

Con todo ello, los resultados obtenidos definen la tarea de desbastado de las capas de imprimación (IM) como la de mayor riesgo de efectos adversos de naturaleza pulmonar para el trabajador.

 

Conclusiones: 

Mientras que el captador IOM Mutildust, como consecuencia de su diseño, sobrevalora las muestras obtenidas para la fracción respirable del aerosol (IOM FR) y, por lo tanto, no es estadísticamente comparable con otros dispositivos, el ciclón Dewell-Higgins utilizado en este estudio si proporciona valores de esta fracción (CYC) que son estadísticamente comparables con los valores determinados mediante el equipo de lectura directa DustTrak (PMRESP).

Dos razones apoyan la conclusión anterior. Primero, que debido a al tamaño del orificio de entrada del captador IOM, éste es capaz de captar partículas grandes que sobrevaloran la medición y, segundo, las trayectorias de entrada de partículas perpendiculares al captador, dependiendo de la velocidad de la partícula, pueden causar roturas de filtro con lo que se acumula materia particulada en el fondo del captador. Este segundo aspecto también contribuye a la sobrevaloración de los valores de concentración determinadas con este captador.

De las tareas estudiadas, el desbastado mediante lijado de las capas de imprimación (IM) es la tarea que presenta un riesgo higiénico mayor de provocar efectos adversos para la salud del trabajador. Esta conclusión viene apoyada por los valores del parámetro LDSA (Lung deposited Surface área) determinados por el equipo DiSCMini para esta tarea. El parámetro LDSA es aceptado generalmente como uno de los más adecuados para calificar el riesgo de la interacción con el sistema pulmonar únicamente debido al tamaño de las partículas y sin contemplar la composición química de la materia particulada en cuestión. Este tipo de información debe ser adecuadamente notificada al trabajador junto con las medidas de control que necesariamente debe adoptar para que el riesgo no se manifieste.

Agradecimientos: 

Agradecemos a la Conselleria de Treball, Comerç i Indústria (Direcció General de Treball, Economia Social i Salut Laboral)  por su apoyo económico (acción especial AAEE39/2014 y AAEE39/2015 ) y a las empresas referentes del sector por el acceso a sus instalaciones. Finalmente,  tambien agracedemos a IDAEA-CSIC por la cesión de equipos de medición.

 

 

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