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Inquinamento atmosferico: quale impatto sulla salute ? Dr Isabella Annesi-Maesano Directeur de Recherche INSERM, Directeur Equipe EPidémiologie des maladies Allergiques et Respiratoires IPLESP INSERM & UPMC Paris, France 1
Cinque principi dell’inquinamento atmosferico • Gli individui sono esposti alle concentrazioni degli inquinanti che differiscono dalle emissioni • Non si riesce a stabilire una soglia di rischio per gli inquinanti • La relazione tra esposizione e rischio sanitario è di tipo lineare • Gli individui non sono tutti uguali di fronte all’inquinamento (alcuni subiscono dei danni più importanti) • La riduzione dell’esposizione porta ad una riduzione del rischio 2
Emissioni / Concentrazioni /Esposizioni Par Gaston Lagaffe, mascotte de l’environnement des Nations Unies Courtoisie : Joseph KLEINPETER (ASPA, Strasbourg)
Emissioni / Concentrazioni /Esposizioni Concentrazioni /Immissioni /Qualità dell’aria Emissioni Par Gaston Lagaffe, mascotte de l’environnement des Nations Unies Courtoisie : Joseph KLEINPETER (ASPA, Strasbourg)
Emissioni / Concentrazioni /Esposizioni Concentrazioni /Immissioni /Qualità dell’aria Vittime d’una esposizione Emissioni Par Gaston Lagaffe, mascotte de l’environnement des Nations Unies Courtoisie : Joseph KLEINPETER (ASPA, Strasbourg)
Illustration de l'absence de seuil des effets sanitaires de la pollution atmosphérique : quel que soit le niveau d'exposition (10, 20, 40 µg/m³), on observe une augmentation de 0,6% des appels à SOS médecins pour symptômes respiratoires lorsque les concentrations ambiantes de PM2,5 augmentent d'1 µg/m³ Source : ORS Île-de-France 8
… purtroppo no… Fattori di differenza Di suscettibilità • Genetici • Sesso/genere, età • Malattie croniche • Fumo attivo, passivo • Obesità • Tipo di dieta alimentare • Medicine • Stress Di vulnerabilità • Prossimità al traffico Courtesy Prof. Nino Kunztli. 10
Quali inquinanti? 11
Fattori di emissione misurati nello studio Innovhub-SSI 12
Quali effetti? 13
14
RESPIRATORY SYSTEM: PM PENETRATION Oberdorster, 2005 (modifiée) 15
Pyramide des effets sanitaires de la pollution atmosphérique Cas des maladies WHO 2014 cardiorespiratoires ~ 7 Millions de morts • Effets àde Mortalité due à la pollution court terme et effets à long l’extérieur: terme, mais continuité entre les 2 40% – maladies ischémiques; 40% – AVC; types d’effets 11% – BPCO; 6% – Cancer du poumon; • Asthme, BPCO, infections, cancer 3% – Infections respiratoires du poumon infantiles; • Maladies Mortalité due à la pollution ischémiques, AVC de l’intérieur: 34% – AVC; 26% – maladies ischémiques; 22% – BPCO; 12% – Infections respiratoires infantiles; 6% – Cancer du poumon. Plus la gravité des effets diminue plus le nombre de gens touchés augmente Importante morbidité Les PM de taille inférieure à 2,5 micromètres (PM2,5) sont les plus I. Annesi-Maesano & W. Dab, Le livre de l’Interne. 16 dangereuses Pneumologie. Lavoisier Editeur 2013
Other ealth effects Nemmar et al. Circulation 2002;105:411
Other ealth effects Brain - Ischemic diseases - Autism Inhalation - Neurodegenerativ e diseases Lungs - Inflammation - Oxidative stress - Increased symptoms - Reduced lung function - Impaired lung neural reflexes - Asthma exacerbation and development - COPD exacerbation and development - IPF exacerbations Systemic inflammation - Proinflammatory mediators - Activation of inflammatory cells (leukocytes, platelets…) - Diabetes of type I and II - Obesity Heart - Impaired cardiac autonomic function - oxidative stress Increased - Arrhythmia - Impaired cardiac repolarization Nemmar et al. Circulation 2002;105:411 - Increase myocardial ischemia Blood - Alteration de la viscosité sanguine - Augmentation de la coagulation - Transport des particules dans le sang - Thrombose périphérique - Réduction de la saturation en oxygène Vessels - Atherosclerosis - Atheroma - Endothelial dysfunction - Vasoconstriction Dermal absorption - Hypertension - Skin inflammation, eczema, atopic Cascade of effects of inhaled particles dermatitis Ingestion 19 - Stomach cancer
Other ealth effects Brain - Ischemic diseases - Autism Inhalation - Neurodegenerativ e diseases Lungs - Inflammation - Oxidative stress - Increased symptoms - Reduced lung function - Impaired lung neural reflexes - Asthma exacerbation and development - COPD exacerbation and development - IPF exacerbations Systemic inflammation - Proinflammatory mediators - Activation of inflammatory cells (leukocytes, platelets…) - Diabetes of type I and II - Obesity Heart - Impaired cardiac autonomic function - oxidative stress Increased - Arrhythmia - Impaired cardiac repolarization Nemmar et al. Circulation 2002;105:411 - Increase myocardial ischemia Blood - Alteration de la viscosité sanguine - Augmentation de la coagulation - Transport des particules dans le sang - Thrombose périphérique - Réduction de la saturation en oxygène Vessels Impact in early life - Atherosclerosis - Atheroma - Pre-term birth - Endothelial dysfunction - Vasoconstriction Dermal absorption - Delayed in utero growth - Hypertension - Skin inflammation, eczema, atopic Cascade of effects of inhaled particles dermatitis - Small birth weight Ingestion - Early life mortality 20 - Stomach cancer
Riduzione dell’esposizione uguale riduzione del rischio e dei costi? 21
En France • Communes les moins polluées situées dans les massifs montagneux, en altitude. • Dans un scénario sans pollution atmosphérique où qualité de l’air en France continentale identique à celle des communes les moins polluées (5 µg/m3), plus de 48000 décès seraient évités chaque année en France dont plus de 10200 en Ile de France Baisse de 9% de la mortalité en France et 15% dans la région. • Les personnes de 30 and gagneraient en moyenne 9 mois d’espérance de vie. ORS Ile de France et Santé Publique France, 2016 22
ERS 2015 23
Studio VIIAS_Premature deaths caused by PM2.5 Attributable life Attrib. Attributable deaths death rate Frazione di months Numero di decessi Tasso di mortalità fraction Pop W Exp 2005 Pop>30 anni PWE media Numero deathsdi decessi # attribuibili (per 100.000) attribuibile (per 100.000) mortalità attribuibile lost Mesi di (%) vita persi ( µg/m3) osservati N IC95% IC95% IC95% Italy ITALIA 40,077,488 20.1 527,193 34,552 20,608 43,215 86 51 108 7 4 8 9.7 NORD 18,847,023 24.5 249,518 22,485 13,447 28,075 119 71 149 9 5 11 14.0 Area geografica central CENTRO centre 8,858,531 17.1 119,756 5,513 3,253 6,942 62 37 78 5 3 6 6.6 SUD e ISOLE 12,371,934 16.1 157,918 6,554 53 4 5.7 south 3,909 8,198 32 66 2 5 URBANO 14,251,369 27.3 182,325 19,358 11,615 24,120 136 81 169 11 6 13 17.2 Macroarea NON URBANO 25,826,119 16.2 344,867 15,194 8,994 19,095 59 35 74 4 3 6 5.8
Studio VIIAS_PM2.5 mortality reduction (%) by scenarios 2020 + T1 2020 + T2 Scenari Baseline 2005 2010 2020 CLE (limite CE 3 (-20%) 25 µg/m ) Italy ITALIA 34.552 -37,7 -17,2 -32,9 -46,4 NORD 22.485 -28,2 -13,1 -31,9 -41,4 central centre CENTRO 5.513 -42,4 -26,4 -27,4 -59,2 south SUD e ISOLE 6.554 -66,2 -23,7 -41,0 -52,8 URBANO 19.358 -28,0 -12,5 -35,1 -39,8 NON URBANO 15.194 -50,1 -23,3 -30,3 -54,9
Studio_VIASPM2.5 mortality by scenarios 2010 2020 CLe 2005 2020 + T1 2020 + T2
Quale esposizione ? 27
WHO Standards: • PM2.5: 25 µg/m3 en moyenne journalière et 10 µg/m3 (annual) • PM10: 50 µg/m3 en moyenne 24 heures à ne pas dépasser plus de 35 jours par an ; 40 µg/m3 en moyenne annuelle. 0-14 ans 15,44 % 28
92% de la popolazione mondiale respira un’aria troppo inquinata
ERS-Position paper 30
Biomass burning in the industrialized world Across Europe, a shift towards renewable energy sources increases biomass incineration. As a response to fuel poverty, biomass burning is seen as a cheap form of fuel & households are now the main source of fine particulate matter emissions in the EU.
Sector contributions to primary PM2.5 emissions in the EU15 2000 2020 • Homes developing countries : PM10=300 - 5000 ug/m3 • Homes industrialised countries : PM10=100-500 ug/m3 in case of exclusive wood for heating • Outdoor: Dk & Sw: PM from wood burning in rural areas = PM from 32 traffic in major cities
Release from biomass into the atmosphere • Instantaneous combustion gases and particles: • carbon dioxide (CO2), • carbon monoxide (CO), • nitrogen oxides (NOx), • sulfur dioxide (SO2), • methane, • non-methane hydrocarbons, • nitric oxide, • methyl chloride, • methyl bromine, • HAPs • lead, mercury • various particulate matter (PM) 33
Deposition of Biomass Combustion Aerosol Particles • The size-dependent DF varies depending on particle diameter and hygroscopicity. • The respiratory-tract deposition of particles emitted from biomass combustion is approximately 20%. • Traffic exhaust particles are generally both smaller in size and more hydrophobic than biomass combustion Löndahl et al. Inhalation Toxicology, 2008 particles, which will lead to a higher deposition
Health effects of Biomass burning in the industrialized world • Clinical studies • Epidemiological studies • Toxicological studies • Intervention studies 35
Take home messages • Population studies from industrialized countries have showed consistently, that exposure to biomass particles is associated with a range of respiratory and cardiovascular hospital admissions and respiratory infections • Evaluation of the respiratory and cardiovascular toxicity of biomass emission PM is complex due to high heterogeneity in biomass PM characteristics and limited knowledge of physicochemical properties of ambient (real-life) biomass PM exposure. Short-term inhalation of wood responsible of • Symptoms • Mild early inflammatory reactions in lungs • Maybe cardiovascular effects & maybe through oxidative mechanisms • Intervention studies have shown beneficial effects of phasing out biomass for heating (a beneficial effect was also seen after introduction of air filtering devices in the homes of the elderly (data not shown) 36
Epidemiological studies Wood smoke and related PMassociated with: • Developing countries • Respiratory infections in childhood, respiratory symptoms (congestion (cough, phlegm) and diseases (asthma, COPD), lung cancer… • Industrialized countries • Low birth weight, respiratory symptoms (congestion, wheeze) and bronchiolitis in young children, increased medication use, decreases in lung function, asthma and COPD emergency room visits and hospitalizations, cardiovascular (myocardial infarction, heart rate variabililty but not ischemic heart disease) hospital admissions, thrombosis. • Wildfires • Respiratory symptoms, asthma medication use, outpatient physician visits, emergency room visits, hospital admissions, and mortality 37
Attributable Fractions do not add to 100% CHILDREN Poor Underweight case-management 40% 50%? Lack of Lack of breastfeeding clean fuel 10% Household 30%? solid-fuel Diarrhea burning? 2-3 million Lack of 20% ALRI Deaths chimneys In Children Under 5 Measles 20%? Outdoor air 10% pollution? Zn Deficiency Poor Housing? 15% No vaccines 40%? Genetic 25-50% Susceptibility Rough estimates only ?
CHILDREN Outcome Exposure window N De-sign Mean Days Adjusted# OR (95% (n cases) exposed CI) [IQR] SGA birth All pregnancy 70,249 Cohort 65 1.00 (0.91 - 1.09) (6,939) Exposed 30% of 1.05 (0.98 - 1.12) pregnancy Bronchiolitis 2 – 12 months 86,337 Nested C- 54 1.08 (1.04 - 1.11) (10,485) C* Otitis Med 1 month pre- 45,513 Cohort 15 1.32 (1.27 - 1.36) (1 – 24 m.) diagnosis (19,115) Asthma All pregn 37,401 Nested C- 60 1.00 (0.94 - 1.07) (0 – 48 m.) 0 -12 months (3,482) C** 89 1.00 (0.98 - 1.02) # per IQR increase, adjusted for covariates: Infant sex (SGA, B, OM) First Nations Status (SGA, B, OM), Parity (SGA, B, A), Maternal age (SGA, B, OM), Maternal smoking during pregnancy (SGA, B, OM), Month-year of birth (SGA), maternal initiation of breastfeeding at birth (B, OM, A), Income (SGA, B, OM, A), Maternal education (SGA, B, OM, A), older siblings (OM), birth season (OM), birthweight (OM, A), gestational duration (OM, A). *incidence-density matching (up to 1:10) on date of birth **matched 1:5 by sex, month-yr of birth Karr et al., AJRCCM 20009; MacIntyre et al., Epidemiology 2011; Clark et al., EHP 2010
ADULTS Health effects of biomass burning
Public health dimension • A conservative estimate of the current contribution of biomass smoke to premature mortality in Europe would amount to at least 40,000 deaths per year. • This is based on a contribution of biomass smoke to population exposure of 10%, and recent estimates of the total mortality burden due to PM exposure in Europe (EU28) of over 400,000 premature deaths each year. • A recent WHO report estimated that ambient PM from residential heating with wood and coal is responsible for 61,000 premature deaths per year in the EU28. • This latter estimate is dominated by wood smoke. 41
LE CICLE DE GESTION DE LA QUALITÉ DE L’AIR
Other type of information Quasi experiments Intervention studies 43
Launceston, Tasmania, showing reduced visibility associated with(out) smoke from domestic wood heaters. 1994 2008 Fay H Johnston et al. BMJ 2013;346:bmj.e8446 ©2013 by British Medical Journal Publishing Group
Launceston Tasmania 45
Percentage change* in all cause, cardiovascular, and respiratory mortality in Launceston and Hobart, Tasmania, between 2001-07 corresponding with period of improved air quality after series of coordinated interventions in Launceston *Adjusted for age structure, meteorological conditions, and secular mortality trends in Tasmania. Launceston (intervention) Hobart (control) Percent change (95% CI) P value Percent change (95% CI) P value All year—males and females combined All cause mortality −2.7 ( −8.7 to 3.7) 0.40 1.4 (−3.0 to 6.0) 0.54 Cardiovascular mortality −4.9 ( −15.5 to 7.0) 0.40 0.9 (−7.1 to 9.6) 0.83 Respiratory mortality −8.5 ( −23.2 to 9.0) 0.32 4.8 (−7.4 to 18.6) 0.50 All year—males All cause mortality −11.4 (−19.2 to −2.9) 0.01 0.7 (−5.4 to 7.2) 0.82 Cardiovascular mortality −17.9 (−30.6 to −2.8) 0.02 −7.1 (−16.8 to 3.8) 0.19 Respiratory mortality −22.8 (−40.6 to 0.3) 0.05 3.4 (−13.1 to 24.4) 0.67 All year—females All cause mortality 2.7 (−5.3 to 11.4) 0.52 −0.7 (−6.3 to 5.2) 0.80 Cardiovascular mortality 2.3 (−12.2 to 19.3) 0.77 3.6 (−7.6 to 16.2) 0.54 Respiratory mortality 1.0 (−18.9 to 24.4) 0.96 −1.4 (−15.5 to 15.1) 0.86 Wintertime—males and females combined All cause mortality 2.2 (−14.1 to 11.3) 0.73 −2.0 (−10.2 to 6.9) 0.64 Cardiovascular mortality −19.6 ( −36.3 to 1.5) 0.06 −7.0 (−20.8 to 9.2) 0.38 46 Respiratory mortality −27.9 (−49.5 to 3.1) 0.07 8.0 (−16.9 to 40.4) 0.60
Wood stove intervention effects on PM levels outdoors in developed countries Location Estimated Notes reduction in PM (µg/m3) Launceston, 38% reduction Fuel switching: Replacement of wood heating appliances with Tasmania, in winter PM10 electric heating appliances. The proportion of households burning Australia wood was reduced from 66% to 30%. British 22% reduction Introduction of improved technology stoves and targeting of open Colombia, in winter fireplaces: The proportion of homes using open fireplaces was Canada PM2.5 reduced from 15% to 3%, and the proportion of homes with improved technology wood stoves increased from 25% to 41%. The community also had an overall increase in wood stove usage. Missoula, 45% reduction Legislative action and enforcement: Over a 10 year period, the Montana, US in PM10 proportion of households burning wood was reduced from 44% to 20% and the contribution of residential wood burning to PM10 was reduced from 47% to 11%. Libby, . % reduction Introduction of improved technology stoves. Over 1,100 older Montana, US in winter model wood stoves replaced with improved technology stoves. 47 PM2.5
Discussion • PM from wood burning must be considered part of the PM pollution contributing equally to cardio-respiratory health effects as other PM components of the total air pollution. Hence, the emissions should be kept at a minimum to protect public health. • So far, we cannot conclude that exposure to biomass smoke is less harmful than exposure to combustion particles from fossil fuel combustion. • Further health effects other than cardiorespiratory are expected • Unknown effects to be further explored in: • Children • Old people • Asthmatics • COPD patients 48
Technical Solutions • OUTDOORS • Better fuels Short Term • Gases liquid, electricity, nitrogen • INDOORS • Better Ventilation • Windows • Chimneys • Hoods • Better Stoves • Fuel efficiency • Combustion efficiency • Better Fuels • Clean solids (?) • Gases and liquids Long Term
Merci isabella.annesi-maesano@inserm.fr 50
Deposition of Biomass Combustion Aerosol Particles Löndahl et al. Inhalation Toxicology, 2008
• Il gasolio è una miscela di idrocarburi liquidi, ottenuta mediante distillazione frazionata del petrolio greggio e utilizzata come combustibile per motori Diesel • GPL significa Gas di Petrolio Liquefatto, è un sottoprodotto della raffinazione del petrolio greggio. A temperatura e a pressione ambiente è allo stato gassoso; passa allo stato liquido quando viene assoggettato a pressioni più elevate della pressione atmosferica e/o basse temperature. Il GPL impiegato in autotrazione è una miscela di gas propano e butano le cui caratteristiche chimiche e fisiche conferiscono alle auto buone prestazioni in termini di potenza, elasticità e funzionamento del motore. I prodotti della sua combustione sono ossidi di carbonio e di azoto ed idrocarburi incombusti in quantità inferiore di benzina e gasolio, mentre non si hanno idrocarburi aromatici, anidride solforosa e particolato. Il contenuto energetico del GPL è di 10.000 kcal/kg, mentre quello della benzina è di 10.300 kcal/kg. 52
• Metano o Gas Naturale (CH4), è il carburante ecologico per eccellenza, fra i più abbondanti in natura. Infatti non si ottiene attraverso processi di raffinazione, ma è pronto all'uso come carburante ecologico fin dall'origine. Nel Gas Naturale non sono presenti impurità, zolfo, composti di piombo ed idrocarburi aromatici per cui si ottengono bassissimi livelli di emissioni inquinanti allo scarico, con assenza di odori, di particolato e di residui di combustione. La composizione chimica del Gas Naturale determina una produzione di CO2 molto inferiore rispetto agli altri combustibili (metà di quella del carbone); inoltre riduce la formazione di ozono nell'atmosfera. Il metano possiede caratteristiche intrinseche che lo rendono adatto all'impiego motoristico, senza necessità aggiunta di additivi nocivi per la salute umana, ed un contenuto energetico maggiore rispetto a tutti gli altri tipi di carburanti (metano = 11.600 kcal/kg; benzina = 10.300 kcal/kg; gasolio =10.200 kcal/kg. • Un altro notevole vantaggio è quello che deriva dal trasporto del metano che rispetto agli altri combustibili presenta una praticità ed un'economicità immensa in quanto dopo la spesa iniziale dell'attuazione di reti di gasdotti, la distribuzione è a bassissimi costi. A differenza degli altri carburanti, quindi, il metano non necessita del trasporto con autocisterne, che a loro volta hanno emissioni inquinanti, e non incrementa il traffico di superficie, contribuendo quindi a diminuire i rischi di incidenti stradali e il fenomeno dell'inquinamento indotto dal traffico pesante. Occorre inoltre ricordare che l'intera rete di metanodotti è sotterranea, e lascia quindi inalterati i paesaggi delle località attraversate. 53
Gas naturale e CC • il componente principale del gas naturale è il metano, che è un gas serra più potente dell'anidride carbonica. Durante la produzione e la distribuzione del gas naturale, una frazione del metano contenuto sfugge inevitabilmente nell'atmosfera e anche i modelli più ottimistici sulla quantità di metano sfuggita, indicano che il suo impatto come gas serra è significativo. • "L'abbondanza di gas può avere molti vantaggi, come lo stimolo alla crescita economica, la riduzione dell'inquinamento atmosferico locale, una maggiore sicurezza energetica, e così via”, ha detto Haewon McJeon, primo firmatario dell'articolo, ma non sembra che porti di per sé a rallentare il cambiamento climatico. • I modelli elaborati indicano infatti che a fronte di un grande aumento del consumo di gas naturale, che potrebbe arrivare fino al 170 per cento, le variazioni nelle emissioni globali di CO2 sono molto più piccole. Nature 2014
Pellet • La capacità legante della lignina, contenuta nella legna, permette di ottenere un prodotto compatto senza aggiungere additivi e sostanze chimiche estranee al legno. Si ottiene, quindi, un combustibile naturale ad alta resa. L'umidità del materiale deve essere compresa in uno stretto intervallo (intorno al 15% m/m) per garantire una corretta pressatura. • La combustione del pellet di legno produce biossido di carbonio e inquinanti tipici della combustione delle biomasse solide. Residuo tipico sono gli incombusti, e in particolare le ceneri, la cui quantità è strettamente dipendente dalla tipologia di biomassa (circa 3% per il legno, 9-15% per paglia). • Grazie alla pressatura il potere calorifico del pellet, a parità di volume ma non di peso, è circa doppio rispetto al legno. Sul rendimento calorico influisce in minima parte anche la percentuale di legni duri di origine. • Il pellet è utilizzato come combustibile per stufe di ultima generazione, in sostituzione dei ceppi di legno. Ciò comporta una serie di miglioramenti di tipo ecologico, energetico e di gestione dell'impianto di riscaldamento rispetto alle stufe tradizionali. • Tra i vantaggi ambientali ed economici è da notare come la produzione di pellets non sia strettamente legata all'abbattimento di alberi interi: infatti possono essere prodotti da numerosi materiali di scarto come segatura e scarti di lavorazione di falegnameria, che in questo modo vengono rivalorizzati come combustibile di largo consumo. 55
Mixed dust pneumoconiosis occurring in an unusual setting. Vallurupalli S & al, BMJ case report 2012; Domestic wood smoke exposure is a cause of pneumoconiosis in women from developing countries, but is rarely seen in the USA. An elderly female non-smoker, who immigrated to the USA from Pakistan 10 years previously, presented with a worsening non-productive cough and dyspnoea on exertion. She did not have any occupational or environmental exposures other than utilising firewood for cooking while living in Pakistan. (A) CT of the chest soft tissue windows showing mediastinal and hilar lymph node enlargement; (B) CT of the chest lung windows showing multiple nodules, most of them peripheral in location close to the pleura
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