rft *ffitxiirsie Olli Marttila and Their'Effec,a-G* te*--;-.- -

Transkriptio

1 rft *ffitxiirsie :: te*--;-.- - and Their'Effec,a-G* Olli Marttila -; 1

2 Haj urikkiyhdi steetuu lko - j a äx;ffi:f j a yhdi steiden Outdoor and Indoor Malodorous Sulfur Compounds and Their Effects on Health Olli Marttila Väitöskirja Esitetiiiin Helsingin yliopiston Maatalous-metsätieteellisen tiedekunnan luvalla julkisesti tarkastettaval«si viikin laitosten luentosalisssa B 2 perjantaina 1. piiiviinä syyskuuta 1995, kello Helsingin yliopisto Limnologian ja ympäristönsuojelun laitos Etelä-Karjalan Allergia- ja Ympäristöinstituutti Helsingin yliopistollinen keskussairaala Iho- ja Allergiasairaala Helsingin Yliopisto Kansanterveystieteen laitos

3 Luettelo alkuperäisjulkaisuista Tiimä yhtee-nveto pohjautuu_seu_raaviin artikkeleihin, joihin on viitattu roomalaisin numeroin I - V. I Marttila, o., Haahtela, T., vaittinen, H., silakoski, I., suominen, o. (lgg4) The South Karelia air pollution study: Relationship of outdoor and indoor concentrations of malodorous sulfur compounds released by pulp mills. Journal of Air & waste Managament Associarion 44:1093-1ö II Jäppinen, P., vilkka, v., Marttila, o., Haahtela, T. (1990) Exposure to hydrogen sulphide and respiratory function. British Journal of Industrial Medicine 47: III Haahtela, T., Marttila, o., vilkka, v., Jäppinen, p., Jaakkola, J. J.K. (lgg2) The South Karelia air pollution study: Acute health effects of malodorous sulfur air pollutants released by a pulp mill. American Journal of public Health 82: IV Marttila, o., Jaakkola, J. J. K., Partti-pellinen, K., vilkka, v., Haahtela, T. The south Karelia air pollution study: Daily symptom intensity in relation to exposure levels of malodorous sulfur compounds from pulp production. Manuscript. v Marttila, o., Jaakkola, J. J. K., vilkka, v., Jäppinen, p., Haahtela, T. (lgg4) The south Karelia air pollution study: The effects of malodorous sulfui compounds from pulp mills on respiratory and other symptoms in children. Environmental Research 66:

4 Yhteenveto Paperin valmistukseen tarvittavaa sel_ luloosateollisuutta harjoitetaan laaj alti Suomessa ja muualla maailma"ssa. Maamme 17 tehdasta käyttävät sul_ faattimenetelmää, minkä tehtaille on tunnusomaista pahanhajuisten rikki_ yhdisteiden ilmapäästöt. Keskeisim_ mät yhdyskuntailmaan pääsevät saas_ teet ovat rikkivety, metyylimerkaptaa_ ni ja metyylisulfidit. Tutkimus tehtiin vuosina lggt Etelä-Karjalassa, jossa neljä suurta tehdasta 40 kilometrin matk;l_ la muodostavat Suomen suurimman selluloosateollisuuden keskittymän. Tehtaiden energianliihteenä käyietään rikitöntä maakaasua. Sen takiä rikki_ päästöstä 80 7o on hajurikkiyhdistei_ tä. Näistä kaksi kolmasosaa on ar_ vion mukaan rikkiveryä. Hajurikkiyh_ disteet ovat maakunnan ilmanlaaäun tunnusomainen ongelma. Rikkidiok_ sidin,.leijuvan pölyn, typenoksidien ja otsonin pitoisuudet ovat pieniä. Te[_ taiden liihialueilla väestö ältistuu eni_ ten hajurikille. Vuonna lggg näillä alueilla mitarut hajurikkiyhdisteiden (total reduced sulfur, TRS) kuukausi_ keskiarvot vaihtelivat vuonna 19gg 4_ 20 yg/m3 (rikkidioksidina ilmaistuna). Suurin vuorokausikeskiarvo oli lgil yglm3, jasuurin tuntikeskiarvo oli 569 pglmt. Hajurikin pahiten vaivaamilla asu_ tusalueilla ihmiset altistuvat j atkuvasti pienille ja toistuvasti äkiilfiiile, suu_ rille yhdyskuntailman pitoisuuksille. Näiden ilmansaasteiden vaikutuksia väestön terveyteen on kuitenkin tut_ kittu vähän. Etelä-Karjalassa ja muu_ alla maailmalla aikaisemmin tehtyjen epidemiologisten tutkimusten *ut ä* haisevien alueiden väestö kärsii li_ sääntyneistä hengitystie_ ja neuropsy_ kologisista oireista. MyöJ asumiruiiir_ tyvyys on vähentynyt. Tutkimuskokonaisuus muodostui mittaustutkimuksesta, altistustutki_ muksesta ja kolmesta epidemiologi_ sesta tutkimuksesta. Tavoitteina oli lrllu 1) yhdyskuntailman hajurikin kulkeutumista sisätiloihin ja ön eh_ kåiisyä, 2) selluloosatehtaan sisäilman rikkivedyn vaikusta ryöntekijöiden hengityksen toimintaan ja tyriiaikalla tyypillisten rikkivetypitoisuutsien vaikutusta astmaatikkojen hengityk_ sen toimintaan altistuskammiossa, ja 3) aikuisten ja lasten hengitystieoireiia ja muita oireita, kun he altistuvat asuinalueellaan haiurikille lyhyitä ja pitkiä aikoja. S isäilmatutkimuksessa seurattiin saastuneella alueella sijaitsevan päi_ vtikodin sisäilman hajurikkipitoisuut_ ta (TRS) ja samanaikaisesti ulkoilman pitoisuutta käyttäen jatkuvatoimisia analysaattoreita. Kuuden mittausjak_ son aikana tutkittiin hajurikin tunfeu_ tumista sisään, ja miten se on estettä_ vissä kolmella erilaisella suodatti_ meen liitettävällä aineella (Sorbixo_ fr]p, eryanl@ ja hiilletetty kangas). Mittausjaksojen pituus vaihteli 14 pävästä 88 päiväiin. Hajurikkiyhdis_ teet tunkeutuivat pienen viiveån jäl_ keen tehokkaasti sistiilmaan, 3a påistuminen oli hidasta. Tehokkäimman suodatinaineen, purafilin@ käytön ai_ kana sisäilman pitoisuudet olivat niin 49

5 pieniä, että haitat eivät ole todennäköisiä. Rikkivedyn vaikutusta hengityksen toimintaan tutkittiin selluloosatehtaan26 miestyöntekijäilä ja l0 vapaaehtoisella astmaa sairastavilla henki- 1öllä. Työntekij ät altistuivat työpaikallaan rikkivedylle, jonka pitoisuudet vaihtelivat enimmäkseen 2-1 ppm:n viilillä. Astmaatikot hengittivät altistuskammiossa 30 minuuttia ilmaa, jonka rikkivedyn pitoisuus oli 2 ppm. Koehenkilöilta mitattiin dynaamisen spirometrian avulla vitaalikapasiteetti (FVC) ja voimistetun uloshengityksen sekuntikapasiteetti (FEV1). Lisliksi työntekijöiden keuhkoputkien supistumisherkkyyttä tutkittiin histamiinialtistuskokeella, ja astmaatikkojen ilmateiden virtausvastusta (Raw) ja johtavuutta (SGaw) koko kehon pletysmographiassa. Verrattaessa keuhkojen toimintaa ennen altistustaja sen jälkeen, kummankaan ryhmän tulokset eivät muuttuneet merkitsevästi altistuksen seurauksena. Rikkivedylle altistettujen astmaatikkojen ilmateiden virtausvastus suureni lievästi, ja kahdella henkilöllä havaittiin merkkejä keuhkoputkien ahtautumisesta. Yhdyskuntailman haj urikkiyhdi s- teiden lyhytaikaista vaikutusta väestön oireisiin tutkittiin tehtaan äkillisen, voimakkaan hajupäästön aikana, jolloin rikkivedyn pitoisuus oli kahden vuorokauden aikana 35 ja 43 pgl m', ja suurin neljän tunnin keskiarvo oli 135 uglm'. Kahdellekymmenelleyhdeksälle taloudelle tehtiin kysely välittömästi päästön jälkeen ja neljä kuukautta myöhemmin, kun ilma oli puhdas. Vastausprosentit olivat 88 7o ja 79 Vo. Kaksi kolmasosaa vastanneista ilmoitti kokeneensa päästön ai- kana vähintiiän yhden oireen, ja joka kolmas tunsi hengenahdistusta. Silmä- ja hengitystieoireita oli päästön aikana merkitsevästi enemmän kuin vertailupäivien aikana. Toisessa lyhytaikaisen altistumisen vaikutusta selvittäneessä tutkimuksessa tehtiin kuusi peräkkäistä kyselyä samalle, liihellä tehdasta asuvalle väestöjoukolle (n=81) pienten (<10 prg/m3), kohtalaisten (10-30 pg/ m3) ja suurten (>30 pg/m3) hajurikkipitoisuuksien piiivinä. Vastausprosentit vaihtelivat o. Asukkailla oli silmä- ja hengitystieoireita sekä neuropsykologisia oireita merkitsevästi enemmän kohtalaisten ja suurten pitoisuuksien päivinä kuin pienten pitoisuuksien päivinä. Kun laskettiin oireiden esiintymisen todennäköisyyttä (probability ratio, PR) erilaisina altistuspäivinä, se oli silmä-, nenä- ja kurkkuoireiden osalta merkitsevästi suurempi kohtalaisten ja suurten kuin pienten pitoisuuksien päivinä. Tuloksissa oli selvä annosvastesuhde. Pitkäaikaisen hajurikkialtistuksen vaikutusta lasten oireisiin selvitettiin poikittaistutkimukses s a. Vanhemmilta saatiin kyselyn avulla tiedot 134lapsesta, jotka asuivat voimakkaasti (rikkivedyn ja metyylimerkaptaanin vuosipitoisuudet 8 ja 2-5 1ry1m3) ja kohtalaisesti (1 ja <1 pg/m3) altistuvilla alueilla sekä puhtaan ilman vertailualueella. Vastausprosentti oli 83. Voimakkaasti altistuneen alueen lapsilla oli kyselyä edeltäneiden neljän viikon tai 12 kuukauden aikana enemmän silmä- ja nenäoireita, yskää ja päänsiirkyä kuin puhtaan ilman vertailualueen lapsilla. Tutkimusjoukko oli kuitenkin pieni, eikä tulos ollut tilastollisesti merkitsevä. 50

6 Tutkimuksesta on tehtävissä seu_ raavat johtopäätökset. 1 ) yhdyskunta_ ilman hajurikkiyhdisteet tunkeutuvat tehokkaasti sisiiilmaan. Tunkeutuminen voidaan estää oikeilla tuloilman suodattimilla. Saastuneilla alueilla väestö voi altistua merkittävästi myös sisätiloissa. 2) Selluloosatehtaan sisätiloissa tavattavat rikkivetypitoisuudet, jotka ovat usein suurempia kuin yhdyskuntailman pitoisuudet, eivät huononna terveiden työntekijöiden keuhkojen toimintaa. Astmaa sairastavien keuhkoputket eivät yleensä ahtaudu, jos he hengittävät lyhytaikai_ sesti ilmaa, jonka rikkivetypitoisuus o1 2 ppm. 3) yhdyskuntailman haju_ rikki aiheuttaa aikuisessa väestöisä hengitystieoireita ja neuropsykologisia oireita. Pitoisuuksien suuretessa lyhytaikaisesti oireet lisäåintyvät voi_ makkaasti, ja ne viihenevät kun pitoi_ suus pienenee. 4) yhdyskuntailman hajurikki aiheuttaa oireita todenniiköi_ sesti myös lapsissa. 51

7 Summary The study was carried out in South Karelia, with the largest concentration of wood pulp indusuy in Finland. Four sulfate pulp mills are situated within 40 kilometers. The industry is widespread all over the world, but it is especially important in northern Europe and North America. The plants emit substantial amounts of malodorous sulfur compounds (TRS, total reduced sulfur) like hydrogen sulfate, methyl mercaptan and methylsulfides into ambient air. The main component is usually hydrogen sulfide, in South Karelia 65 Vo of all the emissions. The people living nearby plants are constantly exposed to low, and repeatedly, to high peak concentrations of these offensive air pollutants. The few epidemiological studies indicate that the exposed people report more respiratory and central nervous symptoms than those living in a nonpolluted area, and they also report discomfort of living. However, the knowledge of the effects of these pervasive compounds on community health is sparse. The aims of this study were: 1) to evaluate indoor penetration of ambient air malodorous sulfur compounds and how it can be prevented, 2) to assess effects of low concentrations of hydrogen sulfide on respiratory function in pulp mill workers and subjects with asthma, and 3) to assess the role of short and long term exposure to ambient air malodorous sulfur com- pounds as a determinant of various symptoms in adults and children. The indoor and outdoortrs concentrations were measured simultaneously in a kindergarten with automatic SO, analyzers in a heavily polluted community. The filtering effect of three different materials, Sorbixofil@, based on gypsum impregnated by KMnoo, Purafil@, based on AlrO, both absorbing sulfur compounds by oxidation, and carbonized tissue, connected to a gaseous filter unit was tested during six study periods lasting from 14 to 88 days. The TRS compounds penetrated indoors effectively after some delay, and the dilution was slow. In a comparison of the filter materials, Purafil@ was the most effective, producing low indoor concentrations. Effects of hydrogen sulfide on respiratory function of 26 male pulp mill workers after exposure to this compound at workplace was studied. The respiratory function was monitored by measuring forced vital capacity (FVC), forced expiratory volume (FEVI) and bronchial responsiveness to histamine after at least one day off work and at the end of a workday. Ten volunteer asthmatic subjects were exposed to 2 ppm of hydrogen sulfide for 30 minutes in an exposure chamber. Airway resistance (Raw), and spesific airway conductance (SGaw) were assessed by a body pletysmograph and ventilatory capacities with a flow volume spirometer. No signif- 52

8 icant changes in respiratory function or bronchial responsiveness related to exposure in the pulp mill workers were found. In the asthmatic subjects there was a small increase in Raw (26 Vo onthe average), butthe change was not significant. In two subjects, however, changes were greater than3} Vo in both Raw and SGaw, indicating slight bronchial obstruction. The acute health effects of a shortterm exposure to ambient air malodorous sulfurcompounds were studiedby an open-ended questionnaire immediately after a sudden high peak emission (daily concentrations of hydrogen sulfide 35 and 43 pglm3, maximum 4-hour concentration 135 pgt m').a control questionnaire was diitributed four months later after a low exposure period. Twenty nine households with 75 subjects living in a community nearthepulp mill were included. The response rate was 88 Vo dwing the first and 79 Vo duång the second survey. Two thirds of therespondents reported of at least one symptom during the high exposure, and every third reported difficulties in breathing. The number of eye, respiratory and neuropsychological symptoms was also significantly larger during the peak emission compared with the reference period. The effects of experiencing symptoms of three short-term exposurå levels to ambient air malodorous sulfur compounds were studied by six consecutive questionnaires. The surveys were made immediately after pre-defined exposure to TRS compounds (reference: daily mean <10 pg/m3, medium pg/mr, high >30 pgi m3). Two surveys were made in each exposure categories. The study popu_ lation included 81 adults, and the response rates during the six surveys varied from 81 Vo to 43 Vo. The eye, respiratory and central nervous symptoms were significantly more intense during the days of high and medium exposure compared with the reference days. There was no correlation between the intensity of symptoms that were not supposed to be related to malodorous sulfur compounds, and varying daily exposure to TRS concentrations in ambient air. The probability ratios (PR) between reporting more or fewer symptoms during the medium and high exposure than during the reference days were increased for eye, nasal and pharyngeal symptoms with a consistent exposure-response pattern. The role of long-term exposure to ambient air malodorous sulfur compounds and experience of symptoms in children was studied by a cross-sectional questionnaire. The children lived in a severely (annual concentration of hydrogen sulfide 8 trrg/m3, methyl mercaptan 2-5 Vg mr) and in a moderately (hydrogen sulfide I pg/mr, methyl mercaptan <1 pg/m3) polluted communities and in a rural nonpolluted community. The study population included 134 children. The parents answered on behalf of their children, and the response rate was 83 Zo. The risk of eye and nasal symptoms, cough and headache during the previous 4 weeks and 72 months was considerably increased in the severely polluted community compared to nonpolluted community, although the differences did not quite reach significance. 53

9 The study concludes that ambient air malodorous sulfur compounds existing near pulp mills penetrate effectively also indoors. This penetrating can be reduced by using gaseous sulfur sensitive filter materials connected to a controlled ventilation system. The exposure for a relatively short time to hydrogen sulfide concentrations appreciably higher than those existing in ambient air, do not cause noticeable effects on respiratory function. The relatively low daily levels of ambient air TRS compounds cause exposure-related short-term adverse effects. The strong malodorous emission cause an alarming amount of adverse effects in the exposed population. The long-term exposure to ambient malodorous sulfur compounds may affect the health of children. 54