YHDYSKUNTAILMA JA PIENHIUKKASET Terveysvaikutuksista toimenpidestrategiaan

Transkriptio

1 1 ENERGIA-ALAN KESKUSLIITTO RY FINERGY Jorma Valjus YHDYSKUNTAILMA JA PIENHIUKKASET Terveysvaikutuksista toimenpidestrategiaan Tiivistelmä Hyvälaatuinen yhdyskuntailma on merkittävä ympäristöterveystekijä. Siihen kohdistuu maailmanlaajuisesti huomattavaa tieteellistä mielenkiintoa. Tiedon, altisteiden ja olosuhteiden moninaisuuden takia esimerkiksi energia-alan, teollisuuden ja kunnallisen ympäristötoimen on vaikea arvioida alan vilkasta tutkimusta ja soveltaa sitä käytännön ilmansuojelustrategiaksi. Tutkimustiedon jäsentämisen, päivittämisen ja käytännön merkityksen arvioimisen tarve on ilmeinen. Yhdysvalloissa ja Euroopassa on 198-luvulta lähtien julkaistu lukuisia nimenomaan pienhiukkasten terveysvaikutuksia selvittäneitä epidemiologisia tutkimuksia, joihin nykykäsitys pienhiukkasten terveysvaikutuksista lähes kokonaan perustuu. Nykyisin hiukkaset monesti arvioidaan tärkeimmäksi ilman altistekomponentiksi. Tämän selvityksen kirjallisuustutkimusosassa on tarkasteltu pienhiukkasten alkuperää, ominaisuuksia sekä niiden vaikutustapaa ihmiseen. Terveysvaikutuksia päätetapahtumina on tarkasteltu länsimaisten, Suomen oloihin sopivien meta-analyysien ja alkuperäisartikkelien valossa. Johtopäätöksiä pienhiukkasten terveysvaikutuksista on lisäksi tehty niin sanottuihin Hillin kriteereihin sekä Maailman terveysjärjestön WHO:n arvioihin nojautuen. Pienhiukkasten käytännön merkitystä arvioitiin suomalaisille keuhkoerikoislääkäreille ja allergologeille, työterveyslääkäreille sekä terveyskeskuslääkäreille osoitetulla kyselytutkimuksella. Vastanneiden enemmistön mukaan yhdyskuntailman hengitettävien hiukkasten (PM 1 ) terveysvaikutukset vaativat aktiivista huomiota. Vähemmistö katsoi käytännön terveysvaikutusten rajoittuvan erikoistilanteisiin, esimerkiksi sellaisiin, joissa säädetyt ilmakehäpitoisuudet ylitetään. Pieni vähemmistö katsoi hiukkasmaisen altistumisen vaikutusten peittyvän yhteisvaikutuksiin yhdyskuntailman muiden, kuten fysikaalisten ja kaasumaisten altisteiden, kanssa. Tutkimuspanostuksen suuntaamista kysyttäessä sai painoarvoa hiukkasten päästölähteiden ja puhdistustekniikan mutta myös terveysvaikutusten epidemiologinen tutkimus. Kyselytutkimuksessa huonolaatuinen sisäilma arvioitiin ympäristöterveysongelmana kuitenkin huonolaatuista yhdyskuntailmaa merkittävämmäksi. Toimenpidestrategiassaan muun muassa energia-alan on syytä ottaa huomioon se, että pienhiukkaskysymys on hyvin todennäköisesti alkaneen vuosikymmenen keskeisiä ympäristöterveydellisiä teemoja, johon kohdistuu lisääntyvästi huomiota ja johon liittyvä turvallisuusajattelu on tiukkenemassa.

2 2 YHDYSKUNTAILMA JA PIENHIUKKASET Terveysvaikutuksista toimenpidestrategiaan SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO Ongelman esittely Pienhiukkasten terveysvaikutusten tutkimus Suomessa Tutkimuksen tavoitteet TUTKIMUSAINEISTO Kirjallisuuskatsaus Kyselytutkimus YHDYSKUNTAILMA JA PIENHIUKKASET Hiukkasten alkuperästä, kokojakautumasta ja fysikaalisista ominaisuuksista Hiukkasten kemiallisesta ja biologisesta aktiivisuudesta Ilmanlaadun ohjearvoista ja altistumisesta hiukkasille PIENHIUKKASTEN PATOFYSIOLOGIAA Hiukkasten kulkutiet ihmiseen ja elimistön puolustautuminen Hiukkasiin liitetyistä sairauksista, näiden indikaattoreista ja etiologiasta Vaikutusmekanismeista KATSAUS TERVEYSVAIKUTUSTUTKIMUKSIIN Epidemiologiset tutkimukset Yleistä Meta-analyyseja Alkuperäistutkimuksia Amerikkalaisia tutkimuksia Eurooppalaisia tutkimuksia Suomalaisia tutkimuksia Kokeelliset tutkimukset Tulkintoja ja johtopäätöksiä KAUSAALISUUDEN TARKASTELUA KYSELYTUTKIMUS Aineisto ja menetelmät Tulokset Pohdinta STRATEGIAPOHDINTAA Nykytilan tulkintaa Tulevaisuudennäkymät Toimenpiteet YHTEENVETO LÄHDELUETTELO LIITTEET...47 Liite 1...Kyselylomake Liite 2...Kysymysten 11, 12, 13, 2, 22, 23 ja 25 vastauskuviot

3 3 1. JOHDANTO 1.1 Ongelman esittely Yhdyskuntailman saasteiden terveyshaitoista on havaintoja vuosisatojen ajalta (esim. Schwartz ja Dockery 1992a). Tunnettuja ja kirjallisuudessa usein mainittuja 19-luvun esimerkkejä ovat vakavat saaste-episodit Meuse-joen laaksossa 193, Donorassa Pennsylvaniassa USA:ssa 1948 ja Lontoossa Näissä tapauksissa keskeisimmät altisteet olivat ilmeisesti yhdyskuntailman rikkidioksidi ja pienhiukkaset. Teknillinen kehitys länsimaissa johti sittemmin yhdyskuntailman saasteiden olennaiseen vähenemiseen mutta myös päästöjen leviämiseen laajemmalle. Uudempi yhdyskuntailman saasteiden tutkimus onkin voinut keskittyä matalampien altistustasojen terveysvaikutusten selvittelyyn. Huomiota kiinnitettiin aluksi kaasumaisiin altisteisiin (rikin ja typen oksidit) mutta sittemmin erityisesti yhdyskuntailman hengitettäviin pienhiukkasiin. Myös Suomessa energiantuotannon hiukkaspäästöt ovat 197-luvun alusta lähtien laskeneet kaukolämpöön sekä tehokkaaseen polttotekniikkaan ja päästöjenvähennysmenetelmiin siirtymisen ansiosta. Liikenne on ajoneuvokohtaisten puhdistimien sekä polttoaineiden kehittymisestä huolimatta edelleen merkittävä hiukkaspäästölähde, jolle on ominaista paikallinen päästö ja päästölähteiden suuri lukumäärä. Ajoneuvot myös poikkeavat päästölähteinä suhteellisen stabiileista energiantuotantoprosesseista. Niiden päästöjen mittaaminen ja hallinta on paljon haasteellisempaa. Kirjallisuuden (Pope ym. 1995a, Dockery ym. 1993, Pope ym. 1995b, Pope ym. 1995c, Verhoeff 1996, WHO 1999, Samet ym. 2) mukaan altistuminen yhdyskuntailman hengitettäville hiukkasille lisää kuolleisuutta keuhko- ja sydänsairauksiin ja myös kuolleisuutta yleensä sekä aiheuttaa näiden sairauksien vaikeutumista. Astmaatikkojen oireilu lisääntyy ja keuhkojen toiminta huononee. Sairaalahoidot, ensiapupoliklinikkakäynnit sekä työstä ja koulusta poissaolot lisääntyvät. Maailman terveysjärjestön raportti (WHO 1999) tukee käsitystä, että nämä vaikutukset ovat lineaarisia eikä varsinaista haitatonta hengitettävien hiukkasten pitoisuutta ole. Terveysvaikutukset kohdistunevat lähinnä herkkiin väestöryhmiin, joita ovat esimerkiksi keuhko- ja sydänpotilaat sekä vanhukset ja lapset, mutta hiukkasten elinaikaa lyhentävä vaikutus saattaa koskea kaikkia väestöryhmiä. On myös havaintoja siitä, että pienhiukkasten laatu, kuten alkuperä ja kemialliset ominaisuudet, selittävät huonosti havaittuja terveysvaikutuksia (Tenhola ja Jantunen 1999). Vaikutukset eivät välttämättä selity hiukkasten kemiallisilla ominaisuuksilla, vaan väestötutkimuksissa havaittuihin vaikutuksiin voi olla syynä esimerkiksi keuhkoihin päässeiden hiukkasten lukumäärä, massa, pintaala tai joku muu ominaisuus. Myöskään epidemiologispainotteinen tutkimustieto ei ole yhdenmukaista eikä vailla kriittisiä näkemyksiä. Nämä kohdistuvat esimerkiksi meteorologisen ja patofysiologisen tiedon puutteisiin sekä altistuksen arvioinnin ongelmiin ja tutkimusten yleisiin heikkouksiin (Lipfert ja

4 4 Wyzga 1995, Lipfert ja Wyzga 1997, Vedal 1997). Yhdyskuntailma on monimutkainen sekoitus kaasumaisia ja hiukkasmaisia orgaanisia ja epäorgaanisia altisteita, joiden vaikutusten arviointiin säätilan vaihtelujen tuottama fysikaalinen altistus ja meteorologia yleensä tuottaa vaikeasti hallittavan lisän. Pienhiukkasten terveysvaikutuksia koskeva tieto on hankalasti tulkittavaa ja sitä on joskus jopa vaikeata löytää. Hengitettävät hiukkaset ovat kuitenkin haasteellinen ympäristöterveysongelma paitsi tutkijoille myös käytännön toimijoille kuten energia-alalle. Esimerkiksi polttoperäisiä pienhiukkasia edelleen vähentävä puhdistustekniikka voi muuttaa lukuisia hiukkasiin liittyviä tekijöitä, joiden vaikutusta väestön altistumiseen ja terveyteen voi kuitenkin olla vaikeata arvioida. Hengitettävien hiukkasten muodostaman terveysriskin hahmottaminen ja suhteuttaminen muihin ympäristöterveysriskeihin on tärkeä ja monipuolista lähestymistä vaativa tehtävä. 1.2 Pienhiukkasten terveysvaikutusten tutkimus Suomessa Suomessa on kartoitettu pienhiukkastutkimuksen nykytilaa raportissa Jokiniemi ym. (2), jonka Tekes tilasi VTT Energialta ja Helsingin yliopiston fysiikan laitokselta. Kartoitustyön johtoryhmä edusti laajasti korkeakouluja, yliopistoja, tutkimuslaitoksia ja teollisuutta. Pienhiukkastutkimus on Suomessa aktiivista. Alan tutkijoita on korkeakouluissa, yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa useissa tutkimusryhmissä noin 2 ja tutkimuksen volyymi on 2-25 Mmk/vuosi (Jokiniemi ym. 2). Lisänä on yrityksissä tehtävä tutkimus. Tutkimuksen volyymi on kokonaisuutena kasvamassa. Kiinnostuksen kohteena ovat karkeasti luokitellen hiukkasten päästöt, leviäminen ja muutunta, hiukkasten pitoisuudet ja ominaisuudet, terveysvaikutukset sekä ilmastomuutos ja muut ympäristövaikutukset. Raportissa selvitettiin myös tämänhetkisen tietämyksen aukkoja. Näitä ovat muun muassa pienhiukkasten terveysvaikutukset, aerosoli-pilvet-ilmastokytkentä ja palamisessa syntyvien pienhiukkasten päästöt (Jokiniemi ym. 2). Pienhiukkastutkimuksen laajuuden ja monialaisuuden vuoksi yksittäisen aihepiirin, esimerkiksi juuri terveysvaikutusten, tutkimuspanostus jää tämän osaongelman potentiaaliseen merkitykseen nähden varsin vaatimattomaksi. Pienhiukkasten terveysvaikutuksia tutkivat Suomessa ainakin Työterveyslaitos, Ilmatieteen laitos, Kuopion yliopisto ja Kansanterveyslaitos. Tutkimusaiheita ovat altistuminen, kuolleisuus, sairastavuus ja biologiset vaikutusindikaattorit. Tutkimusryhmillä on vilkkaat keskinäiset ja myös kansainväliset yhteydet. Terveysvaikutustutkimuksen veturiksi voitaneen nostaa Kansanterveyslaitos etenkin, jos tarkastellaan yleisön pienhiukkasaltistumista. Kansanterveyslaitoksen 199-luvun pienhiukkasten terveysvaikutuksia koskevista tutkimushankkeista mainittakoon 7-12 vuotiaiden lasten astmaan keskittynyt PEACE/ILME, työikäisten altistumista käsittelevä laaja EXPOLIS, aikuispotilaiden astmaan keskittynyt ULTRA I sekä sepelvaltimotautia

5 5 sairastavien iäkkäiden potilaiden sydämen sähköistä toimintaa tarkastellut ULTRA II. Laitos aloitti vuonna 1999 uuden hankkeen, hiukkasten toksikologiaa selvittävän PAMTOXin, jossa kerätään suurtehokeräimillä PM 1 ja PM 2,5 hiukkasia sekä tutkitaan pienhiukkasten kemiallista koostumusta ja sen ajallista vaihtelua. PAMTOXissa tutkitaan myös pienhiukkasten välitöntä toksisuutta ja sen ajallista vaihtelua sekä erikseen dieselpakokaasujen hiukkasia (Raimo O. Salonen, Pienhiukkaset ja puunpolton tiedoitusseminaari , Jokiniemi ym. 2). Hanke pyrkii vastaamaan pienhiukkasiin liittyvän patofysiologisen tiedon puutteisiin. Tutkimusponnisteluista huolimatta pienhiukkasten terveysvaikutuksia koskeva tietämys on siis edelleen puutteellista ja tieteellinen tutkimustyö kesken. Myös tieteellisten julkaisujen tulkitseminen käytännön tason toimintamalliksi on vaikeaa. Jokiniemi ym. (2) ovat raportissaan ehdottaneet pienhiukkastietämyksen aukkojen täydentämiseksi uutta tutkimus/teknologiaohjelmaa, jonka menestymiselle yritysten mukaantuloa pidetään välttämättömänä. 1.3 Tutkimuksen tavoitteet Tällä tutkimuksella pyritään löytämään energia-alan kannalta keskeisiä pienhiukkasten terveysvaikutuksiin liittyviä tutkimusalueita ja perustelemaan niiden tärkeys tutkimuspanostuksen ja seurannan kannalta. Lisäksi arvioidaan energia-alan tähänastisten pienhiukkasten terveysvaikutuksien vähentämiseen kohdistuvien toimenpiteiden merkitystä ja esitetään strategisia linjauksia jatkotoimiksi. Selvitys on kaksiosainen. Ensimmäisessä osassa, kirjallisuuskatsauksessa, käydään läpi keskeistä ulkomaista ja suomalaista pienhiukkasten terveysvaikutuksia koskevaa aineistoa. Tavoitteena on muodostaa näkemys nykyisen pienhiukkastietämyksen käytännön merkityksestä Suomen oloissa ympäristölääketieteellisen ja yleislääketieteellisen tiedon ja kokemuksen pohjalta. Pienhiukkasten ympäristöterveydellisen merkityksen arvioimiseksi pidettiin välttämättömänä kartoittaa myös eräiden kliinistä työtä tekevien lääkäriryhmien näkemystä pienhiukkasista. Toteutetulla kyselytutkimuksella arvioitiin pienhiukkasaltistuksen käytännön merkitystä ja pohdittiin muun muassa yhdyskuntailman merkitystä suhteessa sisäilmaan, biologisperäisen hiukkasaltistuksen merkitystä suhteessa epäorgaaniseen, ammatillisen altistumisen merkitystä suhteessa yleisön altistumiseen sekä koottiin lääkärien kokemuksia pienhiukkasten terveysvaikutuksista ja niiden indikaattoreista. Kyselytutkimuksen keskeisiä tuloksia on julkaistu Suomen Lääkärilehdessä (Valjus ym. 21). Suomen Lääkärilehden artikkelien kokorajoitusten, kertyneen materiaalin runsauden ja lukijakunnan erojen takia on perusteltua käsitellä kyselytutkimusta itsenäisesti myös tässä raportissa.

6 6 2 TUTKIMUSAINEISTO 2.1 Kirjallisuuskatsaus Pienhiukkasten terveysvaikutuksia koskeva keskeinen kirjallisuus toistuu metaanalyysien ja katsausartikkelien lähdeluetteloissa. Näistä lähtien pääsee jäsentämään kirjallisuusmateriaalia, jota Fortum Oyj:ssä on jo pitkään systemaattisesti kerätty, ja täydentämään meta-analyysien yleisluonteisempaa näkemystä alkuperäisartikkelien yksityiskohtaisemmalla tiedolla. Aineistosta on poissuljettu sellaiset alkuperäisartikkelit, joiden tutkimuskohteena on ollut länsimaisista oloista hyvin voimakkaasti poikkeavat kohteet, esimerkiksi kehitysmaiden erittäin tiheästi rakennetut kaupungit. Näissä saatujen tulosten tulkinta ja soveltaminen Suomen oloihin on pienhiukkasten terveysvaikutuksiin liittyvät epävarmuudet huomioonottaen käytännössä mahdotonta. Kirjallisuudesta on etsitty myös johtopäätöksiä ja tulkintoja pienhiukkasten terveysvaikutuksista. Meta-analyyseistä, joissa on arvioitu monia, usein eri menetelmillä tehtyjä terveysvaikutustutkimuksia, saadaan käsityksiä pienhiukkasten terveysvaikutuksista laajemmin. Erityisen arvokkaita ovat instituutioiden, esimerkiksi Maailman terveysjärjestön tulkinnat. Pienhiukkasaltistumisen ja havaittujen terveysvaikutusten syy-yhteyden, kausaalisuuden, voimakkuutta voidaan lähestyä niin sanottujen Bradford Hillin kriteerien avulla. Niissä altisteen ja vaikutuksen kausaalisuutta arvioidaan seitsemällä kriteerillä. Nämä ovat assosiaation voimakkuus, johdonmukaisuus, spesifisyys, ajallinen yhteys, biologinen uskottavuus ja koherenssi, jossa altisteen vaikutus ei saa olla ristiriidassa yleisemmän vasteeseen liittyvän tiedon kanssa, sekä altistus-vastesuhde. 2.2 Kyselytutkimus Pienhiukkasten muodostamaa terveysriskiä hahmotettiin ja suhteutettiin muihin ympäristöterveysriskeihin kyselytutkimuksella (Valjus ym. 21). Sillä koottiin keuhkoerikoislääkäreiden ja allergologien sekä työterveyslääkärien ja terveyskeskuslääkärien arvio yhdyskuntailman pienhiukkasista käytännön ympäristöterveysriskinä. Nämä ovat keskeiset pienhiukkasaltistukseen käytännössä kantaa ottamaan joutuvia lääkäriryhmiä. Perusterveydenhuollossa toimivat terveyskeskuslääkärit joutuvat yleensä ottamaan ongelmiin kantaa ensimmäisinä. Keuhkoerikoislääkärit ja allergologit tekevät erikoissairaanhoidossa vaativamman keuhkosairauksien diagnostiikan ja hoidon. Työterveyslääkärit kohtaavat työympäristössä esiintyviä, tavalliseen asuin- ja elinympäristöön verraten usein suurempia hiukkasaltistusongelmia. Heidän näkemyksensä palvelee referenssinä väestön altistumista pohdittaessa. Kyselytutkimusta on yksityiskohtaisesti käsitelty luvussa 7.

7 7 3 YHDYSKUNTAILMA JA PIENHIUKKASET 3.1 Pienhiukkasten alkuperästä, kokojakautumasta ja fysikaalista ominaisuuksista Ilmakehän hiukkasmaisiksi aineiksi määritellään molekyylikokoa (1-9 m) suurempi mikroskooppinen aine, joka muodostuu nesteestä tai kiinteästä aineesta normaaliolosuhteissa (Yli-Tuomi ym. 1996). Hiukkasten lähteet voidaan jakaa luonnollisiin ja ihmistoiminnan aiheuttamiin. Luonnon lähteitä ovat meret, tulivuorenpurkaukset, metsäpalot, kasvillisuus ja esimerkiksi autiomaiden hiekkamyrskyissä maaperä. Ihmistoiminnan aiheuttamat päästöt tulevat liikenteestä, teollisuudesta ja energiantuotannosta. Yli-Tuomi ym. (1996) jakaa ihmistoiminnan aiheuttamat päästöt neljään luokkaan. Nämä ovat energiantuotannon ja teollisuuden polttoprosessien hallittavissa olevat päästöt, teollisuuden hajapäästöt (hallitsemattomat prosessipäästöt, materiaalitoiminnot, tuulieroosio varastoalueilta), ei-teolliset hajapäästöt (tiepöly, maataloustoiminnot, hallitsematon poltto) ja liikenteen päästöt (pakokaasupäästöt, rengas-, kytkin- ja jarrupöly). Noin 1 % ilmakehän kokonaishiukkasmassasta on arvioitu johtuvan ihmistoiminnasta. Mekaanisesti, esimerkiksi tuulieroosiossa syntyvät hiukkaset, ovat karkeita hiukkasia. Tätä pienemmät hiukkaset ovat hienoja hiukkasia, jotka syntyvät pääosin höyryistä, muun muassa vedestä, rikki- ja typpihaposta sekä monista orgaanisista yhdisteistä tiivistymällä. Hiukkaskoko liittyy keskeisesti hiukkasten käyttäytymiseen. Yleisimmin käytetään hiukkasten aerodynaamista kokoa, joka määräytyy hiukkasten liikkeen mukaan ja sopii esimerkiksi hengityselimiin tapahtuvan kulkeutumisen tarkasteluun. Hiukkasten jako kahteen fraktioon, karkeisiin ja hienoihin hiukkasiin, perustuu niiden massajakautumaan aerodynaamisen koon funktiona. Hiukkasten lukumäärä- ja pinta-alajakautumat poikkeavat kaksihuippuisesta massajakautumasta. Lisäksi hiukkasia voidaan karakterisoida niiden kemiallisten ja biologisten ominaisuuksien perusteella. Perinteisesti hiukkasten koko esitetään kuvan 1 mukaisella massajakautumalla, joka sopii siis esimerkiksi hengitysteissä tapahtuvan depositoitumistarkastelujen pohjaksi. Kuitenkin pienhiukkasten potentiaalisissa terveysvaikutuksissa voi olla tärkeää myös hengitysteihin kulkeutuvien hiukkasten lukumääräjakautuma tai kemiallisia vaikutuksia ajatellen reaktiopintaan liittyvä pinta-alajakautuma. Tutkimuksissa ja ilmanlaadun ohjearvoissa esiintyy kokonaisleijuma TSP (total suspended particles), joka on ilmassa leijuvien hiukkasten massapitoisuus. Se ei erottele karkeita ja hienoja hiukkasia. PM 1 (Particulate Matter) eli hengitettävät hiukkaset on aerodynaamiselta halkaisijaltaan < 1 µm olevien hiukkasten massapitoisuus (kuva 1). Enenevää huomiota kiinnitetään hiukkasfraktioon PM 2,5, joka tarkoittaa kooltaan alle 2,5 µm olevien hiukkasten massapitoisuutta. Tässä fraktiossa hiukkasten lukumäärä alkaa painottua. Karkeat hiukkaset (aerodynaaminen halkaisija > 2,5 µm) voivat koostaan riippuen kulkeutua hyvin eri tavoin ja niiden pitoisuus ilmassa vaihtelee suuresti. Hienot hiukkaset (aerodynaaminen halkaisija < 2,5 µm) käyttäytyvät enemmän kaasun tyyppisesti ja niiden ilmapitoisuus on stabiilimpi.

8 8 Kuva 1. Pienhiukkasten kokojakautumia (useita lähteitä, mm. Ferguson 199 ja Brewis 1985). Hiukkasten Hiukkasten aerodynaaminen koko/µm jaottelu,1,1 1, 1 1 Olomuodon Kiinteä aine utu pöly mukaan Neste sumu pisarat Hiukkaslähteen pakokaasut lentotuhka ja -tyypin tupakansavu sementtipöly mukaan hiilipöly puun poltto siitepöly virukset bakteerit itiöt merisuola asbesti asbesti (kuidun halkaisija) (kuidun pituus) Hengitystie- syvälle alahengitysteihin depositoitumisen pääsevät hengitettävät hiukkaset mukaan henkitorvi- keuhkoputkitason hiukkaset alahengitysteiden hiukkaset nenänielun hiukkaset sisäänhengityksen hiukkaset Karkeat hiukkaset muodostuvat yleensä ulkona esimerkiksi liikenteen kuluttaessa asfalttia, jauhaessa talven hiekoitushiekkaa, tuulen nostaessa pölyä kuivalta maalta ja vaikkapa turvetuotannon yhteydessä. Niihin kuuluu myös lentotuhkaa, tulivuorituhkaa, siitepölyä ja pääosin meriaerosoli (kuva 1). Hienot hiukkaset voidaan jakaa tiivistymisytimiin, niin sanotut Aitken hiukkaset (halkaisija on <,1 µm), ja kertymähiukkasiin (,1 µm < halkaisija < 2,5 µm) (Jantunen 1996, Yli-Tuomi ym. 1996). Tiivistymishiukkaset syntyvät polttoprosessiperäisten epäorgaanisten aineiden, kuten rikkidioksidin SO 2 ja typpioksidin NO 2 tiivistyessä hiukkasiksi, joiden koko alkaa kasvaa uusien molekyylien tiivistyessä jo muodostuneen hiukkasen pintaan. Rikin oksideja syntyy hiilen ja öljyn poltossa ja dieselmoottoreissa. Typen oksideja syntyy lähes kaikissa polttoprosesseissa, erityisesti liikenteessä ja fossiilisten polttoaineiden poltossa sekä maatalousperäisestä kaasumaisesta ammoniakista.

9 9 Hienojen hiukkasten lähtöaineisiin kuuluvat myös polttoprosessiperäisten polyaromaattisten hiilivetyjen (PAH) ja yleisemmin haihtuvien orgaanisten yhdisteiden, VOC:ien, sekä noen päästöt. PAH:it ovat laaja ryhmä kaksi tai useampia bentseenirenkaita sisältäviä orgaanisia yhdisteitä, joita vapautuu etenkin orgaanisen materiaalin palaessa. VOC:it ovat ulkoilman lämpötilassa kaasumaisina esiintyviä yhdisteitä. Niiden lähteitä ovat etenkin puun pienpoltto, liikenne ja liuottimet. Polttoprosessien tuottamat pienet hiukkaset sisältävät myös raskasmetalleja, jotka rikastuvat usein pienten, halkaisijaltaan alle 1 µm suuruisten hiukkasten pinnalle. Savolan (1996) mukaan lyijy, sinkki, kadmium, arseeni, antimoni ja molybdeeni rikastuvat helpoimmin pieniin hiukkasiin. Muita polttoprosesseissa ilmaan vapautuvia hiukkasia ovat elohopea, nikkeli, kupari, kromi ja vanadiini. 3.2 Hiukkasten kemiallisesta ja biologisesta aktiivisuudesta On ilmeistä, että hienot hiukkaset ovat karkeita kemiallisesti aktiivisempia ja alttiimpia sekundaariselle ilmakehämuutunnalle kuin stabiilimmat karkeat hiukkaset (Kao ja Friedlander 1995) ja ovat kemiallisten toksisuuspohdintojen kannalta keskeisiä. Toisaalta hiukkasilla, sekä hienoilla että karkeilla, on monimuotoista biologista potentiaalia siitepölyjen aiheuttamista allergisista oireista virusten ja bakteerien tautienaiheuttamiskykyyn sekä maaperän bakteereista niiden kuoltua vapautuvien endotoksiinien myrkkyvaikutuksiin asti. Suuri osa hienojen hiukkasten materiaalista on epäorgaanisia, vesiliukoisia suoloja. Sulfaattiaerosolien keuhkoja ärsyttävien vaikutusten arvioidaan liittyvän aerosolien vetyionipitoisuuteen. Koeoloissa happamat aerosolit aiheuttavat keuhkoputkien supistumista terveillä koehenkilöillä (Jaakkola ja Jaakkola 1997). Toisaalta on tietoja siitä, että tämä ei välttämättä pidä paikkaansa astmaa sairastavillakaan henkilöillä (Vedal 1997). Hiukkasten sisältämien raskasmetallien, joita ovat muun muassa rauta, vanadiini, nikkeli, kupari, kadmium, sinkki ja arseeni, biologiset haittavaikutukset ovat potentiaalisesti neurologisia, verisolujen muodostumiseen vaikuttavia, hengitystieoireita provosoivia ja karsinogeenisiä, joskin osa raskasmetalleista on välttämättömiä hivenaineita. Raskasmetalleilla voi olla myös immuunivastetta alentavia vaikutuksia (Schlesinger 1995). PAH:eilla ja VOC:eilla on monimuotoisia ärsyttäviä ominaisuuksia ja eräät niistä kuten bentseeni ovat karsinogeeneja. On mahdollista, että ilmakehämuutunta muuttaa näitä yhdisteitä alkuperäisiä haitallisemmiksi. Polttoperäisten pienhiukkasten vaikutusmekanismit ovat kuitenkin huonosti tunnettuja. Erityisesti sydänkuolemien merkittävä osuus on hämmentävä (Tuomisto 21). Hiukkasten sisältämien yksittäisten yhdisteiden toksikologisten vaikutusten ei katsota voivan selittää epidemiologisten terveysvaikutustutkimusten havaintoja esimerkiksi lisääntyneestä kuolleisuudesta. Onkin esitetty näkemyksiä siitä, että hiukkasten terveysvaikutukset eivät olisi riippuvaisia hiukkasten kemiallisesta koostumuksesta, vaan keuhkoihin

10 1 päässeiden hiukkasten lukumäärästä, massasta tai mahdollisesti vielä jostain muusta ominaisuudesta (Tenhola ja Jantunen 1999). 3.3 Ilmanlaadun ohjearvoista ja altistumisesta hiukkasille Suomessa on ulkoilman hengitettäville hiukkasille ja kokonaisleijumalle annettu ohjearvot, jotka ovat (Valtioneuvoston päätös N:o 48/1996): - hengitettävät hiukkaset (PM 1 ): 7 µg/m 3 (kuukauden 2. suurin vuorokausiarvo) - kokonaisleijuma (TSP): 12 µg/m 3 (vuoden vuorokausiarvojen 98. prosenttipiste) - kokonaisleijuma (TSP): 5 µg/m 3 (vuosikeskiarvo) Kokonaisleijumalle on myös annettu raja-arvot, jotka ovat (Valtioneuvoston päätös N:o 481/1996): - kokonaisleijuma (TSP): 3 µg/m 3 (vuoden vuorokausiarvojen 95. prosenttipiste) - kokonaisleijuma (TSP): 15 µg/m 3 (vuosikeskiarvo) Ohjeet ja raja-arvot on annettu terveydellisten haittojen ehkäisemiseksi ja ne koskevat alueita, missä ihmisiä asuu tai oleskelee ja missä ihmiset saattavat altistua ilman epäpuhtauksille. Raja-arvot ovat tiukkenemassa. Euroopan Unionin neuvosto on julkaissut v kaksivaiheisen direktiivin, jossa PM 1 sallittu vuosikeskiarvo on 4 µg/m 3 vuonna 25 ja 2 µg/m 3 vuonna 21. Vuorokausikeskiarvoina tarkastellen raja-arvo on molemmissa vaiheissa 5 µg/m 3, josta sallitaan enintään 35 ylitystä vuonna 25 ja enintään 7 ylitystä vuonna 21. Pienhiukkasaltistumisen mittaaminen on ongelmallista. PM 1 -pitoisuus vaihtelee yhdyskuntailmassa voimakkaasti ja kattavan käsityksen saaminen vaatii monia mittauspisteitä. PM 2,5 mittaaminen on helpompaa, koska nämä hiukkaset pysyvät ilmassa pitkään ja emissiolähteitä on vähemmän. Hiukkaslähteiden merkityksen arviointia vaikeuttaa kaukokulkeutuma ja maaperästä tapahtuva re-emissio. Oman ongelmansa muodostaa henkilökohtainen altistuminen, jota tutkitaan muun muassa sivulla 2 mainitussa EXPOLIS-tutkimuksessa. Siinä tutkittavat altisteet olivat PM 2,5, VOC:it, hiilimonoksidi ja useissa kohteissa myös typpidioksidi. Ihminen viettää 7-9 % ajastaan sisätiloissa, joissa on omia hiukkaslähteitään ja jossa erityisesti tupakoinnin ja ruuanlaiton tuottamat hiukkaset tulevat esiin. EXPOLIS-tutkimuksen mukaan ( mitattu henkilökohtainen altistus korreloi huonosti kiinteiden mittausasemien tulosten kanssa. Kiinteiden mittausasemien tulokset edustavat tutkimuksen mukaan kuitenkin kohtalaisen hyvin väestön keskimääräistä altistumista ja kuvaavat ympäristöperäistä altistumista paremmin kuin henkilökohtaisen altistumisen tulokset. Henkilö-

11 11 kohtainen altistuminen on kuitenkin lähinnä yksilöä oleva ja häneen eniten vaikuttava altistumispinta. Tenhola ja Jantunen (1999) ovat koonneet amerikkalaisten hiukkasaltistumistutkimusten tyypillisiä tuloksia (taulukko 1). Taulukko 1. Yhteenvetoa amerikkalaista hiukkasaltistumistutkimuksista. Henkilökohtainen altistuminen Pitoisuudet kotona sisällä Pitoisuudet kotona ulkona Pitoisuudet kiinteillä mittausasemilla PM 2,5 µg/m µg/m 3 3 PM Taulukon arvot ovat eri ympäristöissä mitattujen pitoisuuksien mediaaneja. Sisäilman tuottama hiukkasaltistus tuottaa merkittävän osan kokonaisaltistumisesta. Lisäksi ihmiset saattavat liikkua päivittäin useissa sisä- ja ulkoilmaympäristöissä, joissa pienhiukkaskoostumus voi vaihdella. Huomionarvoisia sisäilma-altistumisen kannalta ovat myös monet teollisuustyöpaikat, joissa on merkittäviä hiukkaslähteitä ja joita väestön altistumispohdinnoissa ei voida sivuuttaa. Ilmatieteen laitoksen internet-sivuilla on linkkien kautta saatavissa runsaasti tietoa pienhiukkasten ilmakehäpitoisuudesta Suomessa eri paikkakunnilla. Esimerkkinä käytännön altistumistasoista kaupunkiympäristössä mainittakoon, että vuonna 1996 korkein PM 1 vuorokausikeskiarvo pääkaupunkiseudulla Töölössä oli 95 µg/m 3 ja Leppävaarassa 5 µg/m 3. Vuonna 1999 Suomen omat hiukkaspäästöt olivat 51 tonnia (Tilastokeskus 1999). Pääryhmittäin tämä jakautui: Voimalaitokset ja lämpökattilat (269 t): - hiili 1 t - öljy 26 t - turve 9 t - puu ja kuori 24 t - muut 2 t Teollisuusprosessit (114 t): - metsäteollisuus 51 t - metalliteollisuus 36 t - öljynjalostusteollisuus 4 t - muu kemian teollisuus 4 t - muut 19 t Liikenne (72 t): - tieliikenne 65 t - muu 7 t

12 12 Työkoneet: - 46 t Sähkö- ja kaukolämpölaitosten sekä teollisuuden hiukkaspäästöjä on vaikea erottaa toisistaan, sillä teollisuus tuottaa energiaa käyttöönsä ja käyttää runsaasti fossiilisia polttoaineita. Puu ja kuori ovat pääosin pienten lämpökattiloiden polttoainetta. Noin 23 % hiukkaspäästöistä tulee liikkuvista lähteistä. Sähköenergiantuotannossa keskitetyn suurvoimantuotannon, joka polttoprosessien osalta perustuu hiileen ja turpeeseen, hiukkaspäästöt ovat kokonaisuutena vähäiset verrattuna puun ja kuoren polttoon, mikä edustaa lähinnä pienpolttoa lämmitystarkoituksiin.

13 13 4. PIENHIUKKASTEN PATOFYSIOLOGIAA 4.1 Hiukkasten kulkutiet ihmiseen ja elimistön puolustautuminen Hiukkasten pääasialliset vaikutustiet elimistöön ovat hengitysteiden ja silmien limakalvot, maha-suolikanavan limakalvot sekä iho. Ihon ja maha-suolikanavan merkitys hiukkasten kulkutienä on hengitysteitä vähäisempi. Kuitenkin esimerkiksi keuhkoputkien värekarvatoiminnan hengitysteistä nostamaa materiaalia niellään ja mikäli se sisältää esimerkiksi liukenevia raskasmetalleja, voi mahasuolikanavassa tapahtuvalla imeytymisellä olla merkitystä. Terve ihminen on yleensä varsin vastustuskykyinen hengitysilman lyhytaikaiselle huononemiselle monipuolisten puolustusmekanismiensa ansioista. Hengitysteihin tunkeutuvan hiukkasen aerodynaaminen koko on depositoitumisen ja aktivoituvan puolustusmekanismin kannalta oleellinen (taulukko 2). Taulukko 2. Hengitysteiden puolustusjärjestelmät vieraita yhdisteitä, saasteita ja mikro-organismeja vastaan (Kinnula 1997). Taso Ylähengitystiet Henkitorvi ja suuret keuhkoputket Partikkelikoko Puolustusmekanismi µm > 1 Anatomiset tekijät, refleksit, limakalvoa verhoava lima- ja nestekerros sekä värekarvatoiminta Alemmat hengitystiet 3-1 Immunologiset ja biokemialliset puolustusmekanismit Keuhkorakkulat < 1 surfaktantti, antioksidantit ja makrofagit Pienimmät hiukkaset, joiden aerodynaaminen koko on <,2 µm, käyttäytyvät kaasun tavoin tunkeutuen keuhkorakkuloiden läpi itse keuhkokudokseen. Keuhkot puolustautuvat ulkopuolisia altisteita vastaan sekä epäspesifisin että spesifisin, tiettyä altistetta kohtaan suuntautuvin mekanismein. Monet keuhkojen biokemialliset puolustusmekanismit ovat epäspesifisiä, immunologiset sen sijaan spesifisiä, tiettyyn altisteeseen kohdistuvia. Puolustusjärjestelmät nivoutuvat kuitenkin tiiviisti yhteen eikä niiden toimintaa yksityiskohtaisesti tunneta. Nenänielun anatominen rakenne estää noin 2 µm suurempien partikkelien pääsyn alemmaksi hengitysteihin. Hengitysteitä puhdistavat aivastus- ja yskärefleksit, joita hiukkasten nielun, kurkun ja keuhkoputkien reseptoreita ärsyttävä vaikutus tai näiden alueiden tulehdus laukaisee. Aivastaminen ja yskiminen saa aikaan paineenvaihteluja ja keuhkoputkien supistumista. Syntyvä ilmavirta irrottaa hengitysteiden pinnalta partikkeleja ja limakappaleita. Hengitysteiden tärkein ensi vaiheen puolustusmekanismi liittyy värekarvallisten solujen toimintaan. Hengitysteitä suojaa nielusta pieniin keuhkoputkiin asti

14 14 värekarvapuhdistus. Hengitysteiden ohuen nestevaipan verhoamaan epiteeliin kuuluu limaa erittäviä ja värekarvallisia soluja. Limaneritys vangitsee hengitysteihin joutuneita partikkeleja liman pinnalle. Rytmikäs värekarvaliike kuljettaa limaan tarttuneet partikkelin hengitysteissä ylemmäksi, josta ne yskitään ulos tai niellään liman mukana. Myös nenän ja nenänielun limakalvoille joutuneet partikkelit kulkeutuvat kurkunpäähän, josta ne niellään tai syljetään pois. Tärkeimmät keuhkojen biokemialliset puolustusmekanismit ovat hengitystieepiteelin neste- ja limakerros, epiteelin solusta erittyvät keuhkoputken supistumisherkkyyteen vaikuttavat tekijät, surfaktantti, antioksidatiivinen puolustusjärjestelmä ja entsymaattinen antiproteaaseihin perustuva puolustusjärjestelmä. Hengitystie-epiteelin nestekerroksesta erittyy antioksidantteja, jotka inaktivoivat ulkopuolisten altisteiden sekä jo syntyneiden tulehdussolujen radikaalituotannon hapettavaa vaikutusta. Hengitysteiden epiteelisolut erittävät keuhkoputkien sileisiin lihassoluihin vaikuttavia tekijöitä ja ehyt epiteeli estää sileän lihaksen patologista supistumista. Surfaktantti vaikuttaa keuhkojen terminaalisten, kaasujenvaihtoon osallistuvien osien, muun muassa keuhkorakkuloiden, pinnalla ja estää näiden uloshengityksen aikaista kasaan painumista edesauttaen muuta puolustusta. Antiproteaasit estävät altistumisen aiheuttamissa kudosvaurioissa vapautuvien elimistön omien hajottavien entsyymien toimintaa rajoittaen näin kudosvaurion laajuutta. Keuhkorakkulatasolla ei enää ole värekarvatoimintaa. Keskeinen puolustusmekanismi ovat keuhkorakkuloissa olevat syöjäsolut, makrofagit, joita on paitsi keuhkorakkuloiden seinämissä myös itse ilmatilassa. Ne nielevät keuhkorakkuloihin joutuneita partikkeleja ja kuljettavat ne ylemmäksi värekarvapuhdistuksen alueelle, josta värekarvatoiminta ne poistaa. Ne tuottavat myös vieraiden yhdisteiden tuhoamista edistäviä reaktiivisia aineita. Jos partikkelit ovat myrkyllisiä makrofageille, näiden toiminta heikkenee. Vahingoittuneita makrofageja ja niiden jätteillä peittyneitä partikkeleita voi kertyä keuhkorakkuloihin tai pieniin keuhkoputkiin tai kertyä keuhkokudokseen. Nämä partikkelit saattavat päättyä keuhkojen imuteihin ja edelleen laskimoverenkierron kautta maksaan ja pernaan. Erittäin pienikokoiset hiukkaset, joiden aerodynaaminen halkaisija on < 2 nm, myös läpäisevät varsin helposti makrofagipuolustuksen (Schwartz, Dockery ym. 1996). Näiden hiukkasten poistuminen keuhkokudoksesta on hidasta. Spesifinen immuunivaste syntyy hengitysteihin tulevia vieraita orgaanisia aineita vastaan. Nämä aineet esitellään keuhkojen imukudoksissa oleville tai vapaille imusoluille eli lymfosyyteille ja spesifinen immuunivaste käynnistyy. Jos tämä tai muu puolustusmekanismi ei pysty eliminoimaan vierasta ainetta, syntyy lopulta sairaus ja kudosvaurio. Immuunivasteita on neljää tyyppiä. Tyypin I, immunoglobuliini E-välitteinen, tyypin III immuunikompleksivälitteinen ja tyypin IV soluvälitteinen reaktio voivat liittyä orgaaniseen pienhiukkasaltistumiseen. Käytännössä useimmiten on toiminnassa useita immunologisia mekanismeja yhtäaikaa. Tyypin II sytotoksinen kudosvaurio esiintyy lähinnä lääkeaineyliherkkyydessä (esim. Terho 1997).

15 15 Elimistö pyrkii myös aineenvaihdunnan kautta poistamaan kehoon kertyneitä haitallisia aineita. Maksa muuttaa monimutkaisissa aineenvaihduntareaktioissa rasvaliukoisia aineita vesiliukoisempaan, helpommin eritettävään muotoon. Nämä vierasaineenvaihdunnan tuotteet saattavat olla yksilölle jossain tapauksessa myös haitallisia. Reaktioiden välituotteet, metaboliitit, voivat olla alkuperäistä altistetta myrkyllisempiä. 4.2 Hiukkasiin liitetyistä sairauksista, näiden etiologiasta ja indikaattoreista Lisääntyneellä pienhiukkasaltistuksella saattaa olla taulukon 3 mukaisia terveysvaikutuksia (esim. Vedal 1997). Taulukko 3. Lisääntyneen hiukkasaltistuksen potentiaalisia terveysvaikutuksia tai näihin viittaavia indikaattoreita (lyhenteiden selitykset tekstissä s. 17). Terveysvaikutus tai sen indikaattori Kuolleisuus Sairastuvuus Hengitystieoireilu (lapset, astmaattiset lapset, aikuiset, astmaatikot) Keuhkojen toiminta Aktiviteetti Tutkimushavaintoja lisääntyneessä pienhiukkasaltistuksessa (PM 1 ) Kuolleisuus yleensä, keuhkosydänsairauksiin, keuhkosyöpään, hengityselinsairauksiin, COPD:hen (65 v.+), keuhkokuumeeseen, sydänsairauksiin, kaikkiin sairauksiin Hengityselinsairaus, hengityselinsairaus (65 v.+), COPD, COPD (65 v.+), sydänsairaus, kaikki sairaudet Ylä- ja alahengitystieoireet, yskä, astmaoireet, hengitysvaikeus PEF ja FEV 1, keuhkofunktiovaikutukset, FVC astmalapsilla, FVC COPD-potilailla Työstä ja koulusta poissaolot, hengitystieoireilun aiheuttamat ensiapukäynnit, sairaalahoidot Hiukkasten aiheuttamia terveysvaikutuksia on pidetty vakavana ongelmana. Reichhardt (1995) mainitsee, että niihin liittyvä keskimääräinen elinajan lyheneminen on noin yksi vuosi. Suomessa Tuomisto (1996) on arvioinut pienhiukkasten elinaikaa lyhentäväksi vaikutukseksi noin 1,1 vuotta. Kansallisessa ympäristöterveysohjelmassa arvioidaan, että yhdyskuntailman epäpuhtaudet, etenkin pienhiukkaset, aiheuttavat Suomessa 2-4 ennenaikaista kuolemaa, 3 astmaoireiden pahentumisepisodia ja 3-4 lasten ylähengitystieinfektiota (Ympäristöterveystoimikunta 1997). Yleinen, myös pienhiukkasaltistukseen liitetty ylähengitystieoire on yliherkkyysnuha, joka on nenän limakalvon tulehduksellinen sairaus. Parhaiten tunnetaan allergisen Immunogluliini E- eli IgE-välitteisen nuhan mekanismi. Herkistyneillä henkilöillä on limakalvoillaan spesifistä IgE:tä kiinnittyneenä limakalvon tulehdussolujen pintaan. Uudelleenaltistumisen yhteydessä limakalvon tulehdussolut vapauttavat välittäjäaineita, jotka vaikuttavat

16 16 moninaisella tavalla mm. hiussuonten läpäisevyyteen, paikalliseen rauhaseritykseen ja tulehdusreaktioihin osallistuviin soluihin. Muissa kuin allergisissa nuhamuodoissa mekanismit tunnetaan huonommin, mutta niiden yhteydessä on kuvattu samoja välittäjäaineita. Ylähengitystiesairauksia kuten yliherkkyysnuhaa ja nenän sivuonteloiden tulehduksia on joskus pidetty PM 1 :n terveysvaikutusten tutkimuksessa laiminlyötynä alueena (esim. Swift 1995). Hänen mukaansa ylähengitysteihin depositoituu myös PM 1 :ä huomionarvoisessa määrin. Taulukon 3 sairauksista astma on yleisimpiä kansantautejamme. Pitkäaikaista lääkehoitoa vaativista sairauksista se on kolmanneksi yleisin. Astma on keuhkoputkien tulehduksellinen sairaus. Astmalle alttiit henkilöt saavat tähän tulehdukseen liittyvien tulehdussolujen lisääntymisestä oireita, joihin kuuluu keuhkoputkien vaihteleva ahtautuminen. Tulehdus aiheuttaa keuhkoputkien lisääntynyttä herkkyyttä monille ärsykkeille. Astman keskeisin piirre onkin keuhkoputkien lisääntynyt supistumisherkkyys eli hyperreaktiivisuus. Ulkosyntyisessä astmassa, joka on etenkin lasten sairaus, keuhkoputket reagoivat immunologiselta pohjalta ympäristön hiukkasille, esimerkiksi siitepölylle. Sisäsyntyisessä astmassa, joka on aikuisten sairaus, immunologista mekanismia ei ole. Sekä ulko- että sisäsyntyiseen astmaan liittyvälle tulehdukselle on ominaista tulehdussolujen runsaus eivätkä nämä sairaustyypit poikkea toisistaan syntyneen tulehdusreaktion mikroskooppisessa tarkastelussa. Katsotaan, että astmaan johtava kehitys voi alkaa yliherkkyysnuhasta, jota seuraa alahengitysteiden limaneritys ennen astman varsinaisia oireita, hengityksen vinkunaa ja hengenahdistusta. Astmadiagnoosi on lähinnä keuhkojen toimintakokeisiin perustuva. Lievempi astman kaltainen oireilu on yleistä vaikka kliinistä astmaa ei ole todettu. Käytännön lääkärintyössä onkin tuttu ilmiö astman kaltaisten oireilun lisääntyminen epäspesifisten tekijöiden kuten pölyaltistuksen tai infektioiden yhteydessä. Keuhkojenlaajentumassa keuhkojen ilmatila kasvaa ilmatilojen väliseinien vaurioituessa. Tupakointi on tärkein etiologinen tekijä. Varsinaisena patologisena tekijänä keuhkojenlaajentuman synnyssä on keuhkoputkien ja keuhkorakkuloiden epiteelivauriot, vaurioituneiden kudosten vapauttamien proteaasien ja niiden vastavaikuttajien, antiproteaasien epätasapaino ja korjausmekanismien, esimerkiksi sidekudosmuodostuksen heikkous. On ilmeistä, että keuhkojenlaajentuma kuuluu sairauksiin, joissa potilaan puolustuskyky pienhiukkasten kaltaista tekijää vastaan on alentunut. Kroonisen bronkiitin keskeisin piirre on lisääntynyt keuhkojen limaneritys. Tärkein etiologinen tekijä on tupakanpoltto. Tämän kaltainen ulkoinen ärsyke lisää voimakkaasti keuhkoputkien limarauhasten toimintaa ja saa aikaan niissä muutoksia. Runsas limaneritys ahtauttaa hengitysteitä. Limaneritys ja ahtautuminen on suurinta kooltaan pienissä keuhkoputkissa. Kroonisen bronkiitin taudinkuvaan kuuluu myös keuhkoputkien tulehdusreaktio ja keuhkokudoksen fibroosi. Olosuhteet ovat edulliset ärsyttävien tekijöiden, kuten pienhiukkasaltistuksen, vaikutuksille ja esimerkiksi mikrobi-infektioille.

17 17 COPD (chronic obstructive pulmonary disease) eli keuhkoahtautumatauti on määritelmältään jonkin verran jäsentymätön tila, jossa potilaalla on kroonisen bronkiitin, keuhkojenlaajentuman ja astman piirteitä. Tyypillinen COPD on etenevä sairaus, jossa keuhkoputkien ahtaus on astmasta poiketen verraten stabiilia ja hengenahdistusta esiintyy pääasiassa eri tyyppisessä rasituksessa, jonka sieto tasaisesti huononee taudin edetessä. Sairauden edetessä herkkyys keuhkoja kuormittaville tekijöille, kuten esimerkiksi pienhiukkasaltistukselle, lisääntyy. Keuhkosairaudet voivat olla huomattava kuorma myös sydämelle ja verenkierrolle. Laskimoveri kulkee sydämen oikean eteisen ja kammion kautta hapettumaan keuhkoihin, joiden alentunut toiminta johtaa herkästi myös sydäntilanteen pahenemiseen. etenkin silloin, kun sydämellä ei enää ole toimintareservejä iän tai perussairauksien vuoksi. Taulukon 2 puolustusjärjestelmistä voidaan tunnistaa kohtia, joiden pettämien aiheuttaa sairauden. Esimerkiksi epiteelisolujen lima- ja nestekerroksen alentunut toiminta liittyy keuhkoahtautumatautiin ja krooniseen bronkiittiin, epiteelisolujen vaurio ja keuhkoputkien sileään lihakseen vaikuttavat välittäjäaineet liittyvät astmaan, antioksidatiivisen puolustuksen vauriot näihin molempiin ja entsymaattien puolustuksen ongelmat keuhkojenlaajentumaan. Immunologisen puolustuksen ongelmat liittyvät paljolti biologisten altisteiden kuten esimerkiksi ilman siitepölyjen aiheuttamiin yliherkkyyssairauksiin. Keuhkojen toimintakokeita PEF, FEV1 ja FVC on käytetty pienhiukkasaltistumisen vaikutusten mittana. Peak expiratory force (PEF) on täyden sisäänhengityksen tilanteesta aloitetun uloshengityksen huippuvirtaama (l/min). Se on hengitysteiden ahtauden paljastava tärkeä ja yksinkertainen tutkimus. FEV1 ja FVC vaativat niin sanotun spirometriatutkimuksen. FEV1 (forced expiratory volume in one second) on täyden sisäänhengityksen tilanteesta aloitetun maksimaalisen uloshengityksen tilavuus (l) yhden sekunnin aikana. FVC (forced vital capacity) on maksimaalisesta sisäänhengityksestä aloitetun uloshengityksen kokonaistilavuus (l). Nämä tutkimukset kertovat keuhkosairauksien luonteesta ja vaikeusasteesta. Niitä on käytetty myös pienhiukkasten terveysvaikutuksia tutkittaessa. 4.3 Vaikutusmekanismeista Sekä pienhiukkasten fysikaaliset, kemialliset ja biologiset omaisuudet että hengitysteiden mekaaniset, biokemialliset ja immunologiset puolustusjärjestelmät ovat monimutkaiset. Hiukkasten terveysvaikutusten mekanismeista ei juuri ole spesifisiä hypoteeseja. Kirjallisuudessa esiintyvät pohdinnat ovat lähinnä yleisiä, taulukon 2 puolustusmekanismien merkitystä pohtivia. Niissä todetaan pienhiukkasten vaikutusmekanismien tiedon puutteet ja niissä mietitään yleisemmin esimerkiksi PM 2,5 fraktion ja hiukkasten lukumääräjakautuman merkitystä (Tenhola ja Jantunen 1999). Periaatteessa minkä tahansa taulukon 2 puolustusmekanismin pettäminen tai

18 puolustuskapasiteetin ylitys voi käydä mikrotason vaikutusmekanismista, jota makrotasolla voi komplisoida yksilön heikentynyt terveydentila, kuten keuhkotai sydänsairaudet. Suomalaisessa PAMTOX-projektissa (s. 2) tutkitaan muun muassa keuhkorakkuloiden makrofagien toimintaa. Spesifisiä pohdintoja on liitetty hengitettävien hiukkasten pinnan vapaan raudan (Fe 3+ ) toksisuuteen (Bates 1994 ja Schwartz, Dockery ym. 1996) ja sydänvaikutuksissa happamien hiukkasten aiheuttamaan keuhkorakkulatason ärsytykseen ja tulehduksen aiheuttamiin veren hyytymistekijöiden muutoksiin, jotka voivat lisätä akuuttien sydäntapahtumien määrää (Seaton ym. 1995). 18

19 19 5 TERVEYSVAIKUTUSTUTKIMUKSET 5.1 Epidemiologiset tutkimukset Yleistä Yhdyskuntailman pienhiukkasten terveysvaikutuksista 198-luvun lopulta alkaen on valmistunut kymmeniä epidemiologisia alkuperäisartikkeleita. Niitä on julkaistu myös maailman johtavissa lääketieteellisissä lehdissä, esim. Dockery ym. (1993) ja Samet ym. (2) The New England Journal of Medicinessä sekä Künzli ym. (2) Lancetissa, mikä heijastaa pienhiukkasia kohtaan tunnettua mielenkiintoa. Useimmat pienhiukkasten terveysvaikutuksia selvittäneet tutkimukset ovat strategialtaan pitkittäisiä aikasarjatutkimuksia, joissa tietyn ajanjakson säännöllisten hiukkaspitoisuusmittausten sarjaa verrataan terveysvaikutuksista saatavaan sarjaan. Pitkittäinen kohorttitutkimus voi käsittää esimerkiksi eri kaupungeista, joissa hiukkasaltistus on erilaista, valittuja väestöryhmiä, joiden kuolleisuutta tai esimerkiksi keuhkojen toimintaa seurataan ja verrataan. Strategialtaan poikittainen tutkimus rajoittuu periaatteessa tiettyyn hetkeen, jolloin on käytettävissä samanaikainen tieto väestön pienhiukkasaltistumisesta ja kohteena olevasta terveysvaikutuksesta, esimerkiksi päivystyskäyntien määrästä. Pienhiukkasia koskeva altistustieto ei useinkaan ole yksilökohtaista vaan väestökohtaista, jolloin altistustietoa ja tutkimusta voidaan luonnehtia ekologiseksi. Alkuperäistutkimukset, jotka voivat koskea laajoja väestöjä mutta joissa kuitenkin noudatetaan yhtä valittua tutkimusstrategiaa, saavat usein aikaan samaa ongelmaa selvittäviä uusia tutkimuksia ja vähitellen mahdollisuuden meta-analyysiin, jonka painoarvo on yksittäisiä alkuperäistutkimuksia suurempi. Alkuperäistutkimuksia analysoivissa meta-analyyseissä alkuperäistutkimukset jaotellaan usein tutkimusstrategian mukaisesti ja alajaottelu tehdään kiinnostuksen kohteena olevan terveysvaikutuksen mukaan. Epidemiologisen tutkimustiedon painoarvoa lisää, jos eri tutkimusstrategioilla saadut tulokset ovat meta-analyysissa samansuuntaisia. Arvioitaessa pienhiukkasten terveysvaikutuksia, joita koskeva tieto on hyvin epidemiologispainotteista, on järkevää tarkastella aluksi kokonaisuutta metaanalyysien avulla, ja täydentää meta-analyysien johtopäätöksiä alkuperäistutkimuksen havainnoilla. Uudempien ja laajojen alkuperäistutkimusten arvo on kuitenkin suuri. Niissä on usein pystytty tarkastelemaan suuria väestömääriä käyttäen kehittyneitä tilastollisia menetelmiä ja ottamaan huomioon vanhempiin alkuperäistutkimuksiin kohdistettua kritiikkiä. Muodostuvaa kokonaisuutta tukee virallisen aseman saavuttaneiden instituutioiden kuten esimerkiksi Maailman terveysjärjestön arvio ja näkemys tutkimusten näyttövoimasta.

20 Meta-analyyseja Yhdyskuntailman pienhiukkasten terveysvaikutuksista on 199-luvulla valmistunut monia alkuperäisartikkeleita summaavia tieteellisiä meta-analyysejä, esim. Pope ym. (1995a), Pope ym. (1995b) ja Schwartz, Dockery ym. (1996), sekä populaarimpia yhteenvetoja, joissa varsin yhdenmukaisesti liitetään pienhiukkas-altistus taulukon 2 mukaisiin terveysvaikutuksiin ja niiden indikaattoreihin. Laajassa meta-analyysissään Pope ym. (1995a) arvioivat lisäksi, ettei pienhiukkasaltistuksessa ole turvallista kynnysarvoa, että altistus-vaste on usein lineaarinen ja että tutkimusta tulisi suunnata epidemiologisten havaintojen taustalla olevien mekanismien tutkimiseen, mikä periaatteessa voi tarkoittaa kaikkea alkaen emissioista altistumiseen asti. Schwartz ym. (1996) painottavat hienojen hiukkasten eli polttoperäisen fraktion PM 2,5 terveydellistä merkitystä sekä tarvetta suunnata huomiota näihin hiukkasiin ja niiden ilmakehämuutuntaan. Pope ym. (1995a) myös puolustaa alkuperäistutkimuksia niihin kohdistettua kriitiikkiä vastaan. Tämä kritiikki koskee metodologian ja analytiikan ongelmia, löydösten biologista merkitystä ja uskottavuutta sekä huolta sekoittavista tekijöistä. Hänen mukaansa on erittäin epätodennäköistä että ilmakehän hiukkasmaisten saasteiden terveysvaikutushavainnoissa olisi systemaattisia metodologiaan tai analytiikkaan liittyviä virheitä, koska tutkimusten metodologia ja analytiikka vaihtelevat ja tutkimusten havainnot ovat pitkälle yhdenmukaiset. Kriittisemmistä yhteenvedoista mainittakoon Reichhardt (1995), joka toteaa, että Yhdysvalloissa kaupunkialueella hiukkasaltistus saattaa lyhentää keskimääräistä elinikää noin vuoden. Hän kuitenkin toteaa, että alkuperäistutkimuksissa on keskitytty usein vain hiukkasiin ja jätetty muut yhdyskuntailman altisteet tarkastelun ulkopuolelle. Kriittisiä arvioita esittävät myös Lipfert ja Wyzga (1995) 31 epidemiologista tutkimusta käsittelevässä meta-analyysissään. Tutkimuksissa oli selvitetty yhdyskuntailman saasteiden ja lisääntyneen kuolleisuuden yhteyttä. He sovelsivat analyysissaan riskin arviointiin dimensiotonta regressiotekijää, elastiteettiä, jolla voitiin verrata keskenään eri tavoin toteutettuja ja eri altisteita koskevia tutkimuksia. Lipfertin ja Wyzgan (1995) mukaansa ei enää juuri ole epäilyä ilmansaasteiden ja lisääntyneen kuolleisuuden välillä. Sen sijaan ei ole tarkkaa käsitystä siitä, mikä tai mitkä yhdyskuntailman altisteet kuolleisuutta lisäävät. Ei myöskään voida tehdä päätelmiä yksittäisen altisteen altistusvastesuhteesta. He kiinnittävät huomiota alkuperäistutkimusten informaation tulkintaan ja sopivan toimenpidestrategian etsimiseen. Myöhemmin Lipfert ja Wyzga (1997) osoittaneet epidemiologisten tutkimusten regressiomallien ja altistusselvitysten heikkouksia. Näiden vuoksi he päätyvät kokonaisvaltaisempaan selitykseen, jossa havaitut yhdyskuntailman terveysvaikutukset liittyvät ilman saasteisiin yleisemmin, ei välttämättä yksinomaan

21 21 pienhiukkasaltistukseen. Vedal (1997) on tehnyt erittäin laajan meta-analyysin, jossa on analysoitu noin 2 pienhiukkastutkimusta kaikkialta maailmasta. Hän ottaa kantaa kolmeen seikkaan, jotka jakavat tieteellisessä yhteisössä pienhiukkasten terveysvaikutuksia koskevia käsityksiä. Näistä ensimmäinen koskee terveysvaikutustutkimusten tulosten tulkintaa ja tutkimusten metodologiaa sekä käytettyä analytiikkaa. Toinen käsittelee hiukkasten jakoa, joko koon tai koostumuksen perustella, haitallisiin ja vähemmän haitallisiin. Tässä Vedal tutkii myös hiukkasten ja niiden terveysvaikutusten raportoituja eroavaisuuksia maantieteelliseltä pohjalta. Kolmannessa hän hakee konsensusta terveydelle haitallisten hiukkaspitoisuuksien rajoista ilmanlaatustandardien tai -ohjeiden asettamista varten. Johtopäätöksissään Vedal (1997) toteaa, että vaikka monet seikat puhuvat pienhiukkasten ja terveysvaikutusten kausaalisuuden puolesta, tämä saattaa kuitenkin edustaa vain assosiaatiota, ja kehottaa jatkotutkimuksissa kontrolloimaan meteorologiset selittävät tekijät mahdollisimman tarkoin. Hän kehottaa tutkimaan terveysvaikutuksia myös erittäin pienissä hiukkaspitoisuuksissa, jotta altistus-vastesuhteesta näissä pitoisuuksissa saataisiin lisätietoa. Hän kiinnittää huomiota myös henkilökohtaisen altistustiedon heikkouksiin ja merkitykseen terveysvaikutushavaintojen kannalta. Vedal tulkitsee, että eurooppalaiset epidemiologiset tutkimukset eivät yhtä johdonmukaisesti osoita terveysvaikutuksia kuin amerikkalaiset. Hiukkasten terveysvaikutusprofiili on siten niin huonosti tunnettu, että se, valitaanko amerikkalaiset tai eurooppalaiset tutkimustulokset terveysvaikutusarvioiden pohjaksi, vaikuttaisi merkittävästi saastuneina pidettyjen alueiden jakautumiseen Amerikassa. Hän kiinnittää huomiota myös siihen, että hiukkasten happamuus ja jossain määrin myöskään PM 2,5 -osuus eivät näytä selittävän havaittuja terveysvaikutuksia. Vedalin (1997) mukaan ei ole todisteita, että pitkäaikainen matalatasoinen pienhiukkasaltistus aiheuttaa terveyshaittoja. On olemassa vain heikkoja todisteita, että pitkäaikainen hiukkasaltistus tai edes lyhytaikaiset korkeammat pienhiukkastasot voisivat aiheuttaa kroonisia sairauksia. On selvää, että pienhiukkaskysymys aktivoi myös teollisuutta, joka teettänyt omia arvioitaan, kuten esimerkiksi öljyteollisuutta edustava Concawe. Hext ym. (1999) arvioivat meta-analyysityyppisesti Concawea varten PM 2,5 :n terveysvaikutuksia. Heidän mukaansa PM 2,5 voi aiheuttaa ahtauttavaa keuhkosairautta sairastavilla henkilöillä tämän sairauden pahenemista. Lisäksi he pitävät nimenomaan happamia yhdisteitä sisältäviä hiukkasia terveydelle haitallisimpina. Näillä hiukkasilla voi olla myös synergistisiä vaikutuksia muiden ilmansaasteiden kanssa. Kuitenkin PM 2,5 on normaaleina ilmakehäpitoisuuksina varsin haitaton terveille yksilöille. Niillä, joilla on sydän- tai keuhkosairaus, tämä saattaa vaikeutua korkeammissa PM 2,5 -pitoisuuksissa, mutta tämänkin varmistamiseksi tarvitaan Hextin ym. (1999) mukaan lisää tutkimustyötä.