Rizikové faktory znečišťovania ovzdušia a ich dopad na ludské zdravie

Prof. Ing. Josef Reitšpís, PhD., Katedra bezpečnostného manažmentu, Fakulta špeciálneho inžinierstva, ŽU v Žiline

Doc. Ing. Libor Gašpierik, CSc., Katedra bezpečnostného manažmentu, Fakulta špeciálneho inžinierstva, ŽU v Žiline

Doc. Ing. Jana Müllerová, PhD., Katedra technických vied a informatiky, Fakulta špeciálneho inžinierstva, ŽU v Žiline

Úvod

Ak sa pozrieme kamkoľvek, obklopuje nás energia. Energetika je preto jedným z najdôležitejších odvetví národného hospodárstva a má priamy dopad nielen na ekonomický rast krajiny, ale i na životné prostredie. Hlavnými objektmi, ktoré sú vystavené riziku, sú človek a životné prostredie, ktoré zahŕňa flóru a faunu, ekosystém, vzduch, vodu a pôdu v okolí energetického a technologického zariadenia.

Čistý vzduch je pre zdravie ľudí nenahraditeľný. V súčasnosti sme však na mnohých miestach svedkami takého znečistenia, ktoré neohrozuje iba prostredie okolo nás, ale priamo ohrozuje i naše zdravie. A práve preto je potrebné sa zaoberať produkciou emisií z energetiky, priemyslu a dopravy [1], [2].

Medzi najzávažnejšie faktory znečistenia ovzdušia možno zaradiť:

• tuhé častice
• oxid uhoľnatý
• oxidy dusíka
• organické látky

Znečistené ovzdušie je zvyčajne zmesou pevných a tekutých častíc, ktorých veľkosť sa môže pohybovať od niekoľkých nanometrov [nm] do desiatok mikrometrov [µm]. Prašné častice v ovzduší pôsobia ako kondenzačné jadrá, čo má veľmi významný vplyv na výskyt smogu. V mestskom prostredí dochádza ku kondenzácii vodných pár podstatne ľahšie ako mimo mestského prostredia. Je to dané značnou prašnosťou i vysokou produkciou exhalátov a prispieva k tomu aj fakt, že v skorých ranných hodinách sú podmienky pre vznik hmly najpriaznivejšie z dôvodu nárastu dopravnej špičky a zvýšenej produkcie dymu z lokálnych kúrenísk.

Imisie a ich účinky na živé organizmy a okolité prostredie sú z hľadiska pôsobenia značne závislé na poveternostnej situácii. Za normálneho počasia teplý vzduch stúpa od zdrojov znečisťovania smerom nahor a väčšina škodlivín je unášaná vzdušnými prúdmi tak dlho, až ako súčasť dažďových zrážok alebo samovoľne pomaly neklesne na zemský povrch. Za inverzného počasia sú však spodné vrstvy vzduchu chladnejšie než vrstvy vyššie, a preto nedochádza k žiadnemu premiešavaniu. Koncentrácia škodlivých látok a produktov ich reakcií v mieste ich pôvodu stále narastá a niekedy dosahuje životu nebezpečných hodnôt. Vznik smogovej situácie v lokalitách s vysokou koncentráciou malých zdrojov tepla a lokálnych zdrojov tepla je schematicky uvedený na obr. 1.

Účinok prachových častíc na živý organizmus je závislý na zložení, tvare a veľkosti častíc. Čím menšie sú častice, tým sú nebezpečnejšie. Väčšie častice (nad 100 µm) sa usádzajú veľmi rýchlo a do dýchacích ciest sa prakticky nedostanú. Častice s veľkosťou od 100 do 10 µm, sú zvyčajne zachytené v horných cestách dýchacích a častice menší než 10 µm (PM₁₀) prenikajú do spodných častí dýchacích ciest, kde zaťažujú samočistiacu schopnosť pľúc [1], [2].

Najjemnejšie častice s priemerom pod 2,5 µm (PM_2,5) sú považované za príčinu najväčšieho poškodzovania ľudského zdravia. Usadzujú sa hlboko v pľúcach a blokujú reprodukciu buniek. Tým môžu vznikať vhodné podmienky pre rozvoj vírových a bakteriálnych respiračných infekcií, ako aj postupný prechod akútnych zápalových zmien do chronickej fázy za vzniku chronickej bronchitídy. Najpočetnejšie, ultrajemné častice, ktoré sú menšie než 100 nm, majú v úhrne veľký povrch a ľahko penetrujú do pľúc. Dlhodobá expozícia pritom môže nezvratne poškodiť tkanivo, pretože tieto častice môžu byť vstrebané do tkanív ciev a krvného obehu, kde následne pôsobia toxicky [1].

Na ľudské zdravie môžu mať nepriaznivý vplyv už prekvapivo malé a pomerne často sa vyskytujúce koncentrácie škodlivín. Publikované výsledky niekoľkých štúdií potvrdzujú, že dlhodobá expozícia vzduchu s malými pevnými časticami (do 5 µm), môže mať významný vplyv na kardiovaskulárne problémy. Iné, nedávno publikované štúdie signalizujú, že pneumónia a iné systémové zápalové ochorenia vyvolávané pevnými škodlivinami v ovzduší, ako aj rýchly rozvoj aterosklerózy a zmeny autonómnej funkcie srdcového svalu, môžu byť časťou patologického vývoja, spojeného s kardiovaskulárnou úmrtnosťou. Napríklad zvýšené množstvo pevných škodlivín v ovzduší sprevádzal vyšší výskyt infarktov myokardu, ale taktiež častejší vznik život ohrozujúcich arytmií, zmeny srdcového rytmu a autonómne funkcie, vyššia viskozita plazmy a pod [4], [6].

Oxid uhoľnatý je jednou z najbežnejších a široko rozšírených látok znečisťujúcich ovzdušie. V atmosfére je oxid uhoľnatý veľmi stabilný a oxidácia na oxid uhličitý vyžaduje niekoľko mesiacov až rokov. Jedná sa o toxický plyn, ktorý preniká dýchacím traktom do krvi a viaže sa na červené krvné farbivo. V dôsledku toho vzniká tzv. karboxylhemoglobín, ktorý stráca schopnosť prenosu kyslíka, následkom čoho je do tkanív privádzané nižšie množstvo kyslíka. Z tohto dôvodu predstavuje oxid uhoľnatý všeobecné ohrozenie životného prostredia. K ochrane všeobecnej populácie sa odporúča, aby koncentrácie karboxyhemoglobína v krvi neprekračovali 2,5 až 3 %. Vo väčšine krajín bola stanovená priemerná 8-hodinová koncentrácia oxidu uhoľnatého v ovzduší na 10 mg•m^-3 (9 ppm). Maximálna povolená expozícia 100 mg•m^-3 nesmie presiahnuť 15 minút. Priemerná expozícia pri koncentrácii oxidu uhoľnatého 30 mg•m^-3 (25 ppm) nesmie prekročiť 1 hodinu [38], [60].

Koncentrácie prírodného pozadia oxidu uhoľnatého v ovzduší sú v rozsahu 0,01 až 0,23 mg·m^-3 (0,008 až 0,184 ppm, 1 ppm = 1,256 mg·m^-3). Koncentrácie oxidu uhoľnatého v ovzduší v mestských oblastiach závisia na intenzite dopravy, na meteorologických podmienkach a na vzdialenosti od spaľovacích zariadení. Priemerná osemhodinová koncentrácia býva obvykle nižšia ako 20 mg·m^-3 (16 ppm). Príležitostne však boli zaznamenané maximálne priemerné osemhodinové koncentrácie až 60 mg·m^-3 (48 ppm) [3].

Určité problémy vznikajú pre kratšie doby expozície a vyššie koncentrácie oxidu uhoľnatého v ovzduší. Koncentrácia karboxyhemoglobinu sa môže udržať pod hranicou 3 %, i keď expozícia trvá 2 hodiny pri koncentrácii oxidu uhoľnatého 29 mg•m^-3 (25 ppm). Pri koncentrácii oxidu uhoľnatého 40 mg•m^-3 (35 ppm) bola vypočítaná koncentrácia karboxyhemoglobína po dvojhodinovej expozícii 2 až 4,3 %, v závislosti na miere fyzickej záťaže.

Existuje množstvo oxidov dusíka, avšak z hľadiska ľudského zdravia je zrejme najvýznamnejší oxid dusičitý (NO₂). Hlavným zdrojom antropogénnych emisií oxidov dusíka do ovzdušia je spaľovanie fosílnych palív v stacionárnych emisných zdrojoch (pri vykurovaní a v elektrárňach) a v motorových vozidlách (spaľovacie motory). Vo väčšine prípadov je emitovaný do ovzdušia oxid dusnaty (NO), ktorý je transformovaný na oxid dusičitý. Oxidácia oxidu dusnatého atmosférickými oxidantmi, napr. ozónom, prebieha veľmi rýchlo i pri veľmi nízkych koncentráciách oboch reakčných zložiek v ovzduší.

Oxidy dusíka spôsobujú fotochemický smog, ktorý vzniká v mestských oblastiach vplyvom slnečných lúčov, a ktorého súčasťou sú prevažne vysoké koncentrácie prízemného ozónu. Podľa niektorých vedeckých a odborných prác, je oxidu dusnému pripisovaný podiel na tvorbe skleníkového efektu i narušovanie ozónovej vrstvy v atmosfére v dôsledku reakcií ozónu s NO_x [38]. Fotochemickou oxidáciou sa oxidy dusíka transformujú až na kyselinu dusičnú. Koncentrácia NO_x je v niektorých oblastiach porovnateľná s koncentráciou SO₂, alebo aj vyššia, a z tohto dôvodu dochádza v  posledných rokoch k zmene priorít týkajúcich sa acidifikácie prostredia. Dominujúcou príčinou vzniku kyslých dažďov (acidifikácie) sa stávajú zlúčeniny dusíka a nie zlúčeniny síry. Mechanizmus vzniku kyslých dažďov je schematicky zobrazený na obr. 2 [1], [2].

Oxid dusičitý má štipľavý dusivý zápach. Prahová koncentrácia pachu sa uvádza medzi 200 µg•m^-3 (0,0974 ppm) a 410 µg•m^-3 (0,1998 ppm). Pri postupnom zvyšovaní koncentrácie od nulovej hodnoty na hodnotu 51000 µg•m^-3 (24,85 ppm) počas 15 minút, nie je v dôsledku adaptácie pociťovaný žiadny zápach [3].

Oxid dusičitý existuje v životnom prostredí ako plyn, preto jedinou relevantnou cestou expozície ľudí je vdychovanie. Krátke expozície oxidu dusičitému v časovom rozsahu 10 až 15 minút pri koncentráciách 3000 až 9400 µg•m^-3 (1,4616 až 4,58 ppm) vyvolávajú zmeny funkcie pľúc u zdravých jedincov aj u bronchitických pacientov. Astmatici uvádzali subjektívne ťažkosti pri koncentrácii 900 µg•m^-3 (0,4385 ppm), zatiaľ čo zdraví jedinci tieto ťažkosti uvádzali až pri koncentrácii 1880 µg•m^-3 (0,916 ppm). Malé, ale štatisticky významné vratné účinky boli preukázané u pacientov s miernou astmou po 30-minútových expozíciách pri koncentrácii 560 µg•m^-3 (0,3 ppm). Následky opakovaných expozícií týchto subjektov nie sú známe. Avšak u pokusných zvierat vyvolávajú 1 až 6 mesačné expozície oxidu dusičitému pri koncentráciách v rozsahu 190 až 940 µg•m^-3 (0,1 až 0,5 ppm) zmeny štruktúry i metabolizmu pľúc a znižujú ich antibaktérialnu obranyschopnosť [1].

Polycyklické aromatické uhľovodíky sú nebezpečné pre životné prostredie aj pre zdravie človeka najmä svojou veľkou stabilnosťou a možnosťou šírenia sa na veľmi dlhé vzdialenosti vo forme naadsorbovanej na zrna sadzí a prachových častíc, najmä pri ich produkcii zo spaľovacích procesov. Sú toxické pre množstvo živých organizmov. Môžu spôsobovať rakovinu, poruchy reprodukcie a mutácie u zvierat [1].

Do organizmu sa dostávajú inhaláciou kontaminovaného vzduchu. Akútna otrava sa prejavuje bolesťami hlavy, potením a vracaním. Náhodné požitie môže spôsobiť hemolytickú anémiu, pri styku s kožou vzniká erytém a dermatitída. Chronická otrava sa prejavuje účinkami na dýchací systém, kožu a karcinogénnymi účinkami. U exponovaných sa častejšie vyskytuje chronická bronchitída. Testy na ľuďoch potvrdili, že zmes polycyklických aromatických uhľovodíkov a iných chemických látok spôsobuje vznik rakoviny.

Nebezpečenstvo nemetánových organických zlúčenín spočíva v ich reaktivite, ktorá však nie je u všetkých druhov rovnaká, čo spôsobuje rôzne zdravotné dopady a tiež rôznu dobu zotrvania v atmosfére a vplyv na rôzne vrstvy atmosféry. V ovzduší reagujú s ďalšími znečisťujúcimi látkami, napr. s oxidom dusnatým a produkujú prízemný ozón a oxid dusičitý, čím dochádza k vzniku fotochemického smogu.

Dlhodobejšie vdychovanie niektorých látok môže spôsobiť podráždenie zmyslových orgánov, bolesť hlavy, stratu koordinácie, poškodenie pečene, ľadvín alebo centrálneho nervového systému. U niektorých látok je podozrenie na karcinogénne účinky, u niektorých sú karcinogénne účinky preukázané (benzén). Nebezpečné sú aj vzhľadom na ich schopnosť produkovať prízemný ozón, ktorý zohráva negatívnu úlohu pri respiračných ochoreniach (astma).

Prítomnosť PCDD a PCDF v životnom prostredí, vzhľadom k vysokej toxicite niektorých predstaviteľov tejto skupiny látok, je považovaná za významný ekologický problém. Vzhľadom k vysokej stabilite pretrvávajú PCDD a PCDF v prostredí dlhý čas. Celková perzistencia vzrastá s rastúcim počtom atómov chlóru v molekule. Napr. polčas rozpadu 2,3,7,8-tetrachlórdiben-zodioxínov, ktorý sa pokladá za karcinogénny, je v ľudskom tele približne 7 rokov [1], [2], [3], [5].

K neprofesionálnej expozícií populácie môže z 90 % dochádzať požitím potravy (hlavne cez kontaminované rybie mäso, tuky a mlieko), nasleduje dýchanie (1 až 5 %) a prestup cez kožu. Do potravy sa PCDD a PCDF dostávajú predovšetkým emisiami a následnou depozíciou do pôdy a vody, kde dochádza k bioakumulácii v potravinovom reťazci.

Záver

Predpokladané zväčšovanie celosvetovej spotreby energie, stav svetových zásob zdrojov fosílnych palív a snaha o zlepšenie kvality ovzduší sú príčinou hľadania obnoviteľných energetických zdrojov, ktoré by mohli aspoň čiastočne fosílne zdroje energie nahradiť a súčasne i určitým podielom prispieť ku znížení emisnej záťaže, najmä potom ku znížení emisií skleníkových plynov. Medzi obnoviteľné zdroje energie je možné zaradiť vodnú, veternú, slnečnú a geotermálnu energiu a biomasu.

Literatúra

• [1] JANDAČKA, J. - MALCHO, M. - MIKULÍK, M.: Ekologické aspekty zámeny fosílnych palív za biomasu. Jozef Bulejčík, 010 01 Mojš 94, Žilina 2008, 228 s., ISBN 978-80-969595-5-
• [2] Müllerová, J.: Pohonné hmoty pre motorové vozidlá, MULTIPRINT s.r.o., Košice 2008, 82 s.
• [3] OCHODEK, T. - KOLONIČNÝ, J. - BRANC, M.: Ekologické aspekty záměny fosilních paliv za biomasu, VŠB TU Ostrava, 2007, ISBN 978-80-248-1595-4
• [4] ŠENOVSKÝ, M. - BARTLOVÁ, I.: Nebezpečné látky. 3. přepracované vydání skript. Fakulta bezpečnostního inženýrství, TU-VŠB Ostrava 2006
• [5] http://bezjedu.arnika.org
• [6] Termodynamické tabuľky: Veličiny vody v bode varu a sýtej pary v závislosti od merného tlaku.
• [7] GAŠPIERIK, L. — MULLEROVÁ, J. — MIKULÍK, M. : Rizika a výhody obnoviteľných zdrojov energie. Fakulta technologická, Univerzita T. Baťu v Zlíne. U. Hradište 2007.