Worker exposure to airborne particles in industrial settings: evaluation of exposure assessment and modelling tools

La exposicion por inhalacion a material particulado en ambientes de trabajo se ha relacionado ampliamente con el aumento del riesgo de enfermedades cardiovasculares y respiratorias. En el caso particular de las nanoparticulas (< 100 nm), los efectos adversos sobre la salud se ha postulado que se deben a su capacidad para llegar a las regiones mas profundas del tracto respiratorio y a su mayor tiempo de retencion. Para la determinacion de los niveles de exposicion a material particulado, un metodo experimental ampliamente utilizado es la monitorizacion en continuo de las concentraciones ambientales. Sin embargo, tambien se estan explorando herramientas de prediccion, como por ejemplo el uso del poder de emision de polvo, modelos basados en la aplicacion de balances de materia, asi como herramientas de evaluacion de riesgos por exposicion a agentes quimicos. No obstante, debido a su relativa novedad, existe la necesidad de evaluar la validez de todas estas herramientas en escenarios reales, asi como de comprender las incertidumbres relacionadas con los parametros y sus limitaciones. Por tanto, su uso y aplicacion se encuentran actualmente en debate. En este contexto, los principales objetivos de esta tesis doctoral son: 1) evaluar la exposicion laboral a particulas de entre 4 nm y 35 μm en escenarios de trabajo reales; 2) evaluar las diferentes metricas de evaluacion de la exposicion y los metodos de toma de decisiones utilizados en la actualidad; 3) comprender la relacion entre el poder de emision de polvo de los materiales pulverulentos y la exposicion de los trabajadores a material particulado durante su procesado; 4) evaluar la validez de los modelos basados en balance de materia para la prediccion de la exposicion, y 5) comparar diferentes herramientas de evaluacion de riesgos de exposicion a agentes quimicos. En esta tesis se ha evaluado la exposicion laboral a material particulado, tanto en procesos mecanicos, -concretamente en la manipulacion y envasado de 15 materiales pulverulentos en 6 escenarios industriales distintos- asi como en procesos de proyeccion termica, con el estudio de 2 escenarios con 3 materiales para la obtencion de recubrimientos ceramicos sobre piezas metalicas. La monitorizacion experimental de la exposicion se llevo a cabo utilizando instrumentos que miden la concentracion de particulas en tiempo real, ademas se tomaron muestras, mediante sistemas de captacion especificos, que posteriormente fueron caracterizadas por microscopia electronica. Todo ello permitio la determinacion de la concentracion en masa y en numero de particulas, el tamano medio y la distribucion del tamano de las particulas, la morfologia de las particulas y su composicion quimica. De forma adicional, en los procesos mecanicos se evaluo la relacion entre el poder de emision de polvo de los materiales pulverulentos y los niveles de exposicion a material particulado, asi como la capacidad de diferentes metricas (masa o numero) para representar la exposicion de los trabajadores. Finalmente, se probaron distintos metodos estadisticos para el tratamiento de datos y toma de decisiones, se evaluo la aplicabilidad en condiciones industriales de modelos basados en balances de materia, asi como de tres herramientas reconocidas de evaluacion de riesgos por exposicion a agentes quimicos. Los resultados evidenciaron un claro impacto de las actividades industriales sobre la exposicion laboral a particulas gruesas, finas y nanoparticulas. Durante los procesos mecanicos de manipulacion de materias primas (d50 2.7-40 μm) se observaron aumentos significativos de las fracciones masicas de polvo inhalable y respirable (concentracion de polvo inhalable 80-4000 μg m-3) en comparacion con las concentraciones de fondo. La mayor concentracion media de polvo inhalable (3700 μg m-3) se midio durante el ensacado de materias primas ceramicas, con un bajo nivel de implantacion de medidas correctoras. Por el contrario, las concentraciones en numero de particulas no se vieron influenciadas por el procesado mecanico de materiales pulverulentos pero si se registraron concentraciones elevadas del numero de particulas, hasta de 7x104 cm-3 debido al uso de carretillas elevadoras con motores diesel en interiores. Por otro lado, en los escenarios de proyeccion termica se observo un aumento significativo del numero de particulas, hasta valores del orden de 105 cm-3 en el area de trabajo. Mediante la aplicacion del modelo de deposicion de particulas en el tracto respiratorio ICRP, se observo que las particulas en suspension en los lugares de trabajo estudiados se depositaban principalmente en la region alveolar, tanto durante el ensacado (51-64%) como durante la proyeccion termica (54-70%). Se detecto que el confinamiento de las fuentes y la reduccion de la energia aplicada durante el procesado son estrategias utiles para minimizar la exposicion de los trabajadores. Tambien se evaluo la validez, el rendimiento y la comparabilidad de varios metodos estadisticos para evaluar la significancia estadistica de los datos de exposicion. De los metodos evaluados, los modelos ARIMA se consideraron los menos conservadores, mientras que el metodo nanoGEM confirmo su utilidad para tratar datos del numero de particulas, pero subestimo ligeramente la significancia estadistica de las concentraciones en masa en comparacion con las pruebas estadisticas tradicionales. Se encontraron altos grados de correlacion entre el poder de emision de polvo de los materiales y los niveles de exposicion medidos durante la manipulacion mecanica de dichos materiales pulverulentos en planta piloto (R2 hasta 0.97) y a escala industrial (R2 hasta 0.80). Esta correlacion se ha visto reforzada cuando las caracteristicas de los materiales predominan sobre las caracteristicas del proceso y se aplica el metodo de caracterizacion del poder de emision de polvo que mejor se asemeja al proceso estudiado. Finalmente, se utilizaron los modelos basados en balances de materia, concretamente los de una y dos cajas, para modelizar dos escenarios distintos, uno de baja exposicion a particulas gruesas (manipulacion mecanica) y otro de altas concentraciones de numero de particulas (proyeccion termica). La relacion entre las concentraciones estimadas por el modelo y las medidas experimentalmente fueron de 0.82-1.22 cuando se modelizo la concentracion masica de polvo inhalable en el escenario de procesado mecanico, mientras que las proporciones fueron de 0.2-0.7 cuando se modelizo la concentracion en numero de particulas emitidas durante la proyeccion termica. Por lo tanto, la bondad de los modelos basados en los balances de materia fue menor en escenarios de alta concentracion de nanoparticulas. Al considerar que las concentraciones de fondo y del aire ambiente exterior no eran despreciables, se aumento significativamente la bondad del ajuste entre los datos experimentales y los calculados por los modelos. De las tres herramientas de evaluacion del riesgo por exposicion a agentes quimicos (ART, Stoffenmanager y NanoSafer) probadas, la que con mayor precision y menor variabilidad estimo la concentracion en los procesos mecanicos fue el Stoffenmanager (64% de los casos). Por el contrario, ART y NanoSafer mostraron una mayor flexibilidad para introducir datos de entrada especificos para cada caso.