AiF-FV-Nummer 14994 N

Nanoskalige Partikel an Schweißarbeitsplätzen: Messtechnische Erfassung sowie Untersuchung von Schweißrauch-assoziierten adversen Atemwegseffekten bei exponierten Arbeitern durch Anwendung nichtinvasiver Methoden ergänzt durch Benchmark-Untersuchung der akuten und chronischen Lungenreaktion bei der Ratte nach intratrachealer Belastung

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.06.2007 bis 31.05.2009

Forschungsstellen

Zusammenfassung

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde der Schweißrauch in der unmittelbaren Umgebung von Schweißern an einem definierten Arbeitsplatz für ausgewählte Schweißverfahren charakterisiert. Gleichzeitig wurde mithilfe von sensitiven, nichtinvasiven Untersuchungsmethoden in situ untersucht, inwieweit sich subklinische adverse Effekte der inhalativen Gefahrstoffe an den Atemwegen der exponierten Personen im Sinne der Prävention nachweisen lassen. In Erweiterung und für die Entwicklung eines Risikomanagementsystems sind die entzündlichen, fibrogenen sowie möglicherweise kanzerogenen Eigenschaften von nanoskaligen Partikeln aus Schweißrauchen mit etablierten in vitro- und in vivo-Techniken erfasst worden. Für die physikalische, chemische und morphologische Charakterisierung der Schweißrauchpartikel wurden für eine erste Messkampagne 12 verschiedene Schweißverfahren/-varianten (Schutzgasschweißverfahren mit Massivdraht und Fülldraht und verschiedenen Schutzgasen, Schweißen mit Stabelektrode, jeweils hochlegiert und unlegiert) entsprechend den Marktanteilen und möglichen Risikokomponenten ausgewählt und untersucht. Während dieser Untersuchungen wurden Schweißrauchproben auf Filtern gesammelt und diese mit dem Makrophagenmodell toxikologisch analysiert. Aus den Ergebnissen der physikalischen, chemischen Charakterisierung und den in vitro-Untersuchungen erfolgte anschließend die Auswahl von 3 Schweißvarianten für die detaillierte Kampagne. Während dieser 2. Messkampagne wurden arbeitsmedizinische Untersuchungen an 6 Probanden durchgeführt, mit dem Ziel, die gesamte Kausalitätskette der Wirkung exogener Noxen (innere Exposition – biochemischer Effekt – funktioneller Effekt) abzudecken. Für die physikalische, chemische und morphologische Charakterisierung der Schweißrauchpartikel am Arbeitsplatz wurden u. a. Online-Partikelmessgeräte, die Anzahl- und Oberflächenkonzentrationen sowie die Partikelgrößenverteilungen mit hoher Zeitauflösung (1s) erfassen, eingesetzt. Mit Offline-Geräten wurden die Mas-senkonzentrationen ermittelt. Für die chemische Charakterisierung und die toxikologischen Untersuchungen wurde eine filterbasierte PM0,4-Probenahme nach dem Impaktorprinzip entwickelt, die selektiv nanoskalige Partikel und deren Agglomerate berücksichtigt und auf einem geeigneten Filtermedium abscheidet. Bei der Kalibrierung ergab sich in sehr guter Übereinstimmung mit dem vorgegebenen Wert von 400 nm ein cut-off von 397 nm. Die Auswertung der aufgezeichneten Online-Messdaten ergab, dass nicht nur der Schweißprozess an sich eine sehr ungleichmäßige und großen Schwankungen unterworfene Partikelfreisetzung verursachte, sondern auch bei den verschiedenen Schweißverfahren/-varianten ebenso große Unterschiede auftraten. Bei den über die Nettoschweißzeit gemittelten Partikelanzahlkonzentrationen traten Variationen bis zum Faktor 50 auf. Die maximale Variation bei den gemittelten Partikeloberflächenkonzentrationen lag bei 78. Dagegen variierten die gemittelten PM0,4-Massenkonzentrationen innerhalb der untersuchten Varianten nur um den Faktor 7. Die Partikelgrößenverteilungen waren meist bimodal mit einem Modus bei 10 nm und einem weiteren Modus bei 100 – 160 nm mit variablen Anteilen zur Gesamtanzahlkonzentration. Nur beim E-Handschweißen mit basischen Stabelektroden (unlegiert und hochlegiert) dominierte immer der 10 nm Modus, wohingegen beim Schutzgasschweißen entweder der kleine oder der große Modus dominierte oder beide etwa gleich stark ausgeprägt waren. Bei den in der 2. Messkampagne näher untersuchten 3 Schweißvarianten wurde jede Variante von jeweils 2 verschiedenen Schweißern geschweißt. Auch innerhalb einer Schweißvariante variierten hier die gemittelten Anzahlkonzentrationen um den Faktor 2,3, die Oberflächenkonzentrationen um den Faktor 5,6 und die PM0,4-Massenkonzentrationen um den Faktor 2,1 und lassen erkennen, dass die Höhe der Schweißrauchexposition durch individuelle Unterschiede in der Handhabung indirekt vom Schweißpersonal abhängig ist. Die chemische Charakterisierung der Schweißstäube spiegelte die Inhaltsstoffe der verwendeten Schweißdrähte bzw. Elektroden wider. Beim Vergleich unlegiert zu hochlegiert nahm der Anteil des Eisens im Schweißrauch jeweils deutlich ab und die Anteile von Chrom und Nickel nahmen dagegen sehr deutlich zu. Die morphologische Charakterisierung ergab, dass sich die auf speziellen Probenträgern gesammelten Schweißrauchpartikel in Gestalt und fraktaler Dimension alle sehr ähnelten und nur aufgrund der morphologischen Gestalt nicht eindeutig zu identifizieren waren. Bei den toxikologischen in vitro-Untersuchungen ergab sich ein konsistentes Ergebnismuster für die Proben der ersten und zweiten Messkampagne. Die Tests wurden anhand des Makrophagenmodells durchgeführt und die biologische Aktivität der Schweißrauchpartikel, die funktionelle Zellschädigung, die Vitalität, die Zellnekrose und der DNA-Gehalt bestimmt. Als Negativ- bzw. Positivkontrolle dienten Korund und Quarz DQ 12. Alle adversen Effekte zeigten eine klare Dosisabhängigkeit. Der mittlere NO Observed Adverse Effect Level (NOAEL) reichte von 7,5 – 45 µg/106 Alveolarmakrophagen (entsprechend 2 – 3 Dopplungsstufen). Damit lag die in vitro-Toxizität einiger Proben oberhalb von Quarz DQ 12. Auf der Grundlage der in vitro-Ergebnisse wurden drei Schweißverfahren/-varianten mit unterschiedlich stark ausgeprägter in vitro-Toxizität (Lichtbogenhandschweißen mit basischer unlegierter Stabelektrode < Kurzlichtbogenschweißen mit hochlegier-tem Massivdraht und Schutzgas M12 < Lichtbogenhandschweißen mit basischer hochlegierter Stabelektrode) für in vivo-Tests im Rattenmodell ausgewählt. Anschließend wurden die drei Schweißrauchproben im Multi-Dosis Modell über 3, 21 und 90 Tage getestet. Als Negativkontrolle diente dabei Instillationsflüssigkeit, als Positivkontrolle wieder Quarz DQ 12. Zusammengenommen lässt sich festhalten, dass in vitro-Untersuchungen mit dem Makrophagenmodell richtungsweisende Ergebnisse zur Vorbereitung der in vivo-Tests liefern konnten. Histologische Analysen der belasteten Rattenlunge zusammen mit Untersuchungen der bronchoalveolären Flüssigkeit lieferten ein kohärentes und insgesamt plausibles Bild zur Einschätzung der unterschiedlichen Toxizitäten der drei in vivo untersuchten Schweißrauchverfahren. Die histologischen Befunde zeigten für eine der untersuchten Partikelqualitäten (KLB hochlegiert) klare Parallelen zum Humanmodell der Schweißerlunge. Die Übereinstimmung der NOAEL der legierten Schweißrauche in vitro und in vivo ermöglichen es, die von Schweißrauchpartikeln ausgehende Gefährdung durch in vitro-Tests weiter einzugrenzen. Die Anzahl der Tierversuche, die für die Bestimmung von Schwelleneffekten unumgänglich bleiben wird, kann durch den Einsatz des Makrophagenmodells deutlich reduziert werden. An 6 Schweißern wurden arbeitsmedizinische Untersuchungen zu Quantifizierungen der inneren Exposition durch Blut- und Urinuntersuchungen, der biochemischen Effekte durch Atemkondensatanalyse sowie der funktionellen Effekte durch verschiedene Lungenfunktionsprüfungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass Schweißen unter Verwendung legierter Materialien mit einer signifikanten Zunahme der inneren Chrom- und Nickelexposition einhergeht. Verschiedene biochemische Effektparameter reagierten mit einem Anstieg auf die Schweißrauchexposition und es konnten lungenfunktionelle Beeinträchtigungen nachgewiesen werden. Im Trend konnte beobachtet werden, dass nicht nur die innere Exposition gegenüber Chrom, sondern auch die biochemischen und funktionellen Effekte für die Schweißvariante LBH mit hochlegierter Stabelektrode am ausgeprägtesten sind. Lediglich für die funktionellen Auswirkungen war der Unterschied zwischen den Schweißvarianten statistisch signifikant. Die in der Studie beobachteten funktionellen Auswirkungen (Erniedrigung von Vitalkapazität, Einsekundenkapazität, maximaler exspiratorischer Fluss bei 25 % Vitalkapazität und Mischluftvolumen) deuten auf eine geringfügige Konstriktion von kleinen Atemwegen mit dadurch bedingter Reduktion des funktionellen Totraums hin. Die Analyse von biochemischen Effektmarkern ergab Hinweise auf nitrosativen Stress (Nitrat, Nitrit) und inflammatorische Reaktionen (Osteopontin). Die Abnahme von Eisen im Blut nach Exposition mit Schweißrauch und damit verbundener pulmonaler Deposition von Eisen ist unerwartet. Die gleichzeitige Zunahme von Transferrin deutet jedoch darauf hin, dass hier eine Gegenreaktion vorliegen könnte, bei der der systemische Einstrom von Eisen überkompensiert worden sein könnte. Allgemein ist aber festzuhalten, dass die gefundenen Effekte nicht stark ausgeprägt waren. Es muss auch betont werden, dass die Interpretation der Ergebnisse durch die geringe Fallzahl von nur 6 Probanden erschwert ist. Bei der oft hohen biologi-schen Variabilität der gemessenen Parameter wird das Ergebnis häufig durch Ein-zelwerte beeinflusst und die statistische Aussagekraft ist beschränkt. Die Ergebnisse dieser Studie sollten in einer Folgestudie durch Messungen an einem größeren, homogenen Kollektiv und unter standardisierten Expositions- und Umgebungsbedingungen nochmals überprüft und bestätigt werden, um abschließende Aussagen über das Risikoprofil der diversen Schweißverfahren und deren Varianten zu erlauben. Umso bemerkenswerter ist es, dass bei den arbeitsmedizinischen Untersuchungen ein konsistentes Bild von der biologischen Wirkung von Schweißrauch gewonnen werden konnte. Die Ergebnisse liefern Hinweise darauf, dass Lichtbogenhand-schweißen mit legierter Stabelektrode eine deutlichere Wirkung aufweisen konnte als die beiden anderen Schweißvarianten und das für diese Wirkung möglicherweise aufgenommenes Chrom eine Rolle spielen könnte. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse der physikalischen, chemischen und morphologischen Charakterisierung sowie der toxikologischen und arbeitsmedizinischen Untersuchungen wurde ein Risikomanagementsystem entwickelt. Dazu wurden in einer Risikomatrix die Summenindizes der in vitro-Toxizität und der Exposition gegenübergestellt. Aus dieser Risikomatrix ergeben sich somit Risikomaßzahlen, mit denen Schweißvarianten identifiziert werden können, die ein hohes Gefährdungspotenzial aufzeigen. Aufgrund dessen lassen sich geeignete Maßnahmen einleiten, die das Schweißpersonal vor möglichen Gefährdungen schützen. Dazu wurde ein Maßnahmenkatalog zur Gefahrenreduzierung aufgestellt. Das entwickelte System zur Gefährdungsbeurteilung stellt die Basis eines Risikomanagementsystems dar, das noch erweitert werden muss, da die momentane Datenbasis mit 12 untersuchten Schweißverfahren/-varianten sehr klein ist. Dazu sollten weitere Schweißverfahren untersucht und beurteilt werden. Die Kontaktaufnahme zur Berufsgenossenschaft Metall ist ebenso vorgesehen wie der Ergebnistransfer über den Deutschen Verband für Schweißer DVS. Zukünftige Entwicklungsstufen des Systems wären die Übertragungen auf andere Bereiche, in denen nanoskalige Partikel vorliegen können, beispielsweise Gießereien oder Schleifereien.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dokumente