Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 4351 (2022) Цитировать эту статью
2402 Доступа
6 цитат
5 Альтметрика
Подробности о метриках
Искусственные камни являются новыми строительными материалами, что связано с недавним ростом случаев силикоза среди рабочих каменщиков. Чтобы понять опасность короткого латентного заболевания легких среди каменщиков, мы смоделировали сценарий воздействия пыли в реальном времени путем сухой обработки искусственных камней в контролируемых условиях, улавливая и анализируя образующуюся вдыхаемую пыль на предмет ее физических и химических характеристик. Для сравнения были включены натуральный гранит и мрамор. При резке искусственного камня образуются высокие концентрации очень мелких частиц (< 1 мкм) с содержанием вдыхаемого кристаллического кремнезема > 80% в форме кварца и кристобалита. Инженерные камни также содержали 8–20% смолы и 1–8% металлических элементов по весу. Для сравнения, в натуральных камнях было гораздо меньше вдыхаемого кристаллического кремнезема (4–30%) и гораздо более высокое содержание металлов – 29–37%. Выбросы пыли из природного камня также имели меньшую площадь поверхности, чем искусственный камень, а также меньший поверхностный заряд. Это исследование выявило физические и химические различия между типами искусственного камня, а также между искусственными и натуральными камнями. Эта информация в конечном итоге поможет понять уникальную опасность, которую представляют собой работы по изготовлению искусственного камня, и поможет разработать конкретные меры инженерного контроля, направленные на снижение воздействия вдыхаемого кристаллического кремнезема.
Силикоз — профессиональное заболевание легких, обычно встречающееся в таких отраслях, как строительство, металлургия, добыча угля и металлов. Это вызвано вдыханием вдыхаемого кристаллического кремнезема (RCS) в форме кварца, тридимита или кристобалита1. Кварц, являющийся наиболее распространенным минералом в земной коре, встречается чаще других полиморфных модификаций, особенно при профессиональной деятельности, связанной с механической обработкой кварцсодержащих материалов2. Профессиональное воздействие кристобалита может также происходить в керамической промышленности в результате преобразования кварца в печах и на предприятиях по производству диатомита, где обрабатываются образцы, содержащие > 85% кристобалита1,3. Воздействие других полиморфов кристаллического кремнезема, таких как коэсит и стишовит, встречается редко4.
Искусственный камень, также называемый искусственным камнем, представляет собой новый строительный материал, обычно используемый для изготовления столешниц для кухонь и ванных комнат, напольной и фасадной плитки. Своей популярностью они обязаны своей долговечности, эстетической привлекательности, вариативности и доступности. Их продажи не демонстрируют никаких признаков замедления; Фактически, доля рынка США, по оценкам, будет увеличиваться на 7,4% ежегодно5. К сожалению, возросшая популярность этих новых материалов была связана с появлением «ускоренного силикоза» среди рабочих отрасли6. К сожалению, начало силикоза произошло после более коротких периодов воздействия и более коротких латентных периодов, чем традиционно наблюдается2. Испанское исследование сообщило об увеличении случаев силикоза на 61% в период с 2007 по 2011 год7, что стало значительным кластером за небольшой период времени. Средний возраст рабочих, у которых был диагностирован силикоз, составил 33 года, при среднем воздействии пыли из искусственного камня 11 лет. Аналогичный рост заболеваемости силикозом среди рабочих зарегистрирован в Израиле, США и Австралии5,6,8.
Забота о здоровье рабочих, занимающихся камнеобработкой, связана с тем фактом, что искусственный камень обычно содержит > 90% кварца, соединенного в матрицу с пигментами и полимерными смолами9. Для сравнения, натуральные камни содержат гораздо меньше кремнезема, чем искусственные изделия. Мрамор и гранит — два таких натуральных камня, содержащие 3% и 40% кремнезема соответственно. Следовательно, производственные процессы, такие как резка, сверление и полировка искусственных камней, могут привести к высоким концентрациям кварцсодержащей пыли в атмосфере10. Интересно, что эти механические процессы все чаще выполняются во влажных условиях в промышленности с использованием пневматических шлифовальных и полировальных машин с подачей воды, чтобы уменьшить воздействие пыли. Тем не менее, отделочные работы часто выполняются вручную без подавления воды, что приводит к высокому риску воздействия кристаллического кремнезема11.
80% crystalline silica, often as a combination of quartz and cristobalite. Two engineered stones had only quartz in their composition (> 90%), while the majority of the other samples contained between 42 and 88% quartz. In engineered stone samples with relatively low (< 25%) quartz, such as ES6 and ES12, cristobalite accounted for the rest of the mineralogical composition (Table 1). Cristobalite was present in several other samples, albeit in lower concentrations than ES6 or ES12. It was present in moderate levels (36 ± 4.1%) in ES2, ES3 and ES11 and in low levels (< 5%) in ES1 and ES4 (Table 1). Compared to crystalline silica minerals, albite and rutile were less commonly found in respirable engineered stone dust. When present, they were observed in very low amounts, typically < 5% (Table 1). The only exception was ES4 which had a varied mineralogical composition, including 13% rutile (Table 1). No muscovite was observed in engineered stones./p> white marble (11%) > white granite (3.6%). The natural stones comprised several other minerals for example, albite, a feldspar mineral commonly found in igneous rocks such as black granite. White marble contained predominantly calcite (66%) and dolomite (22%) and white granite contained mostly dolomite (91%)./p> 16%) (Table 1). Sample weight loss, as shown by a derivative thermogravimetric graph (DTG) (Supplementary Fig. S1), occurred in three stages: a small weight loss was observed while the sample was heated to up to ~ 300\(^\circ\)C, attributed to the desorption of water9; the second, and maximum, weight loss occurred at around 450\(^\circ\)C for all respirable engineered stone dust samples and was attributed to the loss of polymeric resin from the material. The third weight loss was observed at higher temperatures (~ 600\(^\circ\)C), but was considered minimal in comparison to the other two losses (Supplementary Fig. S1)./p> 90% of the dust particles had diameters in the size range of 190 nm to 825 nm (Fig. 1). The respirable dust emissions from cutting most engineered stones were similar in diameter, except for ES10 which had significantly finer dust, with particle diameter range of 142–295 nm (average 218 nm); in comparison, ES8 had the largest dust size with a particle diameter range of 459–1106 nm (average of 715 ± 91 nm) (Table 1, Fig. 1). Among all three natural stones, the black granite had a lower average particle size (503 nm) than the other two (534 and 675 nm respectively) (Table 1), but all three natural stones had particle size distributions comparable to those of engineered stones (Fig. 1)./p> 90%) content, such as ES8 (Table 1)./p> 2.50 ± 0.13 m2/g surface area, while the rest averaged 1.72 ± 0.11 m2/g in surface area. In comparison, the specific surface area of the natural stones (range of 0.439 – 0.878 m2/g) was lower than the engineered stones (Supplementary Information Table S1)./p> 6% by weight elemental content (Fig. 3a)./p> 1% wt.) elements, it was observed that the following elements were in trace amounts in engineered stones: Cu, P, S, Ni, Co, Cr, Sn, Zr and Cl (Fig. 3a). Elements Fe, Ca, Mg, and K were predominantly in minor distributions. Certain elements such as Ca, Mg, Na and Ti had a range of concentrations from minor to major elemental fields./p> 80% by weight crystalline silica and 8–20% resin21. Further characterisation of the RCS was undertaken on the basis that the crystalline structure of the minerals may exert an influence on their toxicity22. In our study, 9 out of 12 engineered stone respirable dust samples had a combination of quartz and cristobalite structures, although quartz was still the dominant structure, forming > 55% of the total mineralogy. Cristobalite was the second most common mineral, while albite and rutile were detected in smaller amounts. Quartz and cristobalite differ from one another in their mineralogy, surface characteristics and natural association with other elements23. Early studies comparing the dose response of quartz and cristobalite on pulmonary function in rats showed that both structures were similarly detrimental to the lungs, although cristobalite elicited a slightly faster response than quartz24. However, subsequent animal experiments and epidemiological studies discounted these findings, by showing no evidence for differences in the inflammatory and fibrogenic potentials of quartz and cristobalite23. Horwell et al.4 even showed that cristobalite-rich volcanic ash was less toxic than expected and posed less of a respiratory health hazard than quartz. They attributed this finding to the relative open structure of cristobalite compared to quartz, which allows the substitution of cations such as aluminium (Al3+) and sodium (Na+) in the Si tetrahedral, hence affecting cristobalite toxicity1,4. Taken together, these studies show insufficient evidence that either mineral is more toxic than the other. Nonetheless, the high concentration of crystalline silica in the respirable dust from engineered stones may be cause for concern as quartz and cristobalite are the only crystalline silica minerals recognised as Group 1 carcinogens—“carcinogenic to humans”—by the International Agency for Research on Cancer25./p> 85% quartz) had a bimodal distribution, with one mode in the same range as in this study (~ 500 nm), whereas the other was in the ultrafine particle (UFP) range, commonly defined as particles < 100 nm29. Although visually observed, UFPs were not measured in the present study, likely due to the limitations of the air sampling or particle size analysis techniques. We are currently exploring some real-time measurement of UFP using direct reading instrumentation for more precise dust exposure assessment during engineered stone fabrication tasks./p> 0.7) and particle imaging by SEM, the dust particles in our study were, in fact, heterogenous in shape, size and structure. Apart from particle size and morphology, the surface properties of quartz have been reported to also play an important role in cytotoxicity, suggesting that the specific surface area of engineered stones may be a useful parameter for characterisation and differentiation between engineered and natural stones26,31,32./p> 1%) quantities in the samples studied, possibly originating from the pigments and resins37,38. Although generally considered non-toxic, Ti (titanium dioxide, TiO2) has been shown to be an aetiological agent for lung inflammation, especially in the ultrafine fraction39,40. The possible role of metals in the toxicity of silica has been elicited before. For example, Clouter et al.41 (and references therein) suggested that the toxicity of quartz involves Fe. While the presence of Fe and Al has been considered for the potential reason for the differing zeta potentials of black granite and other natural stones, this could not explain the greater negative zeta potential of engineered stone compared to the black granite, since the concentration of Fe and Al is much lower in engineered stone. Several other elements not found in the natural stone samples were detected in the engineered stone ones, but only in trace quantities. Therefore, while we cannot exclude any role of metal ions in silica toxicity, it is unlikely that any such effect is mediated though the pathway linked with the generation of zeta potential./p>
Русский
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어