Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 4351 (2022) Citare questo articolo
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Le pietre ingegnerizzate sono nuovi materiali da costruzione associati a un recente aumento dei casi di silicosi tra i lavoratori dell'industria degli scalpellini. Per comprendere il rischio derivante dalla breve latenza delle malattie polmonari tra gli scalpellini, abbiamo simulato uno scenario di esposizione alla polvere in tempo reale mediante lavorazione a secco di pietre ingegnerizzate in condizioni controllate, catturando e analizzando la polvere respirabile generata per caratteristiche fisiche e chimiche. Per il confronto sono stati inclusi granito e marmo naturali. Il taglio delle pietre ingegnerizzate ha generato elevate concentrazioni di particelle molto fini (< 1 µm) con un contenuto di silice cristallina respirabile > 80%, sotto forma di quarzo e cristobalite. Le pietre ingegnerizzate contenevano anche l'8–20% di resina e l'1–8% in peso di elementi metallici. In confronto, le pietre naturali avevano una silice cristallina respirabile molto più bassa (4-30%) e un contenuto di metalli molto più elevato, 29-37%. Anche le emissioni di polvere di pietra naturale avevano una superficie inferiore rispetto a quella della pietra artificiale, nonché una carica superficiale inferiore. Questo studio ha evidenziato la variabilità fisica e chimica all’interno dei tipi di pietra ingegnerizzata, nonché tra pietre artificiali e naturali. Queste informazioni aiuteranno in definitiva a comprendere il rischio unico rappresentato dal lavoro di fabbricazione della pietra ingegnerizzata e aiuteranno a guidare lo sviluppo di specifiche misure di controllo tecnico mirate a ridurre l’esposizione alla silice cristallina respirabile.
La silicosi è una malattia polmonare professionale che si riscontra comunemente in settori quali l'edilizia, la metallurgia e l'estrazione di carbone e metalli. È causata dall'inalazione di silice cristallina respirabile (RCS), sotto forma di quarzo, tridimite o cristobalite1. Il quarzo, essendo il minerale più abbondante nella crosta terrestre, si incontra più spesso di altri polimorfi soprattutto durante contesti lavorativi che comportano la lavorazione meccanica di materiali contenenti quarzo2. L'esposizione professionale alla cristobalite può verificarsi anche nell'industria della ceramica a seguito della conversione del quarzo nelle fornaci e nelle industrie delle terre diatomee che trattano campioni contenenti > 85% di cristobalite1,3. L'esposizione ad altri polimorfi della silice cristallina, come la coesite e la stishovite, è rara4.
Le pietre ingegnerizzate, chiamate anche pietre artificiali, sono nuovi materiali da costruzione comunemente utilizzati per la fabbricazione di controsoffitti per cucine e bagni, piastrelle per pavimenti e facciate. Devono la loro popolarità alla loro durabilità, appeal estetico, variabilità e convenienza. Le loro vendite non mostrano alcun segno di rallentamento; si stima infatti che la quota di mercato statunitense aumenterà del 7,4% annuo5. Sfortunatamente, la crescente popolarità di questi nuovi materiali è stata associata all'emergere di una “silicosi accelerata” tra i lavoratori del settore6. Tragicamente, l'insorgenza della silicosi si è verificata in seguito a periodi di esposizione e di latenza più brevi rispetto a quelli tradizionalmente osservati2. Uno studio spagnolo ha riportato un aumento dei casi di silicosi del 61% tra il 2007 e il 20117, un cluster significativo in un arco di tempo limitato. L’età media dei lavoratori con diagnosi di silicosi era di 33 anni, a seguito di un’esposizione media alla polvere di pietra artificiale di 11 anni. Aumenti simili nell'incidenza della silicosi tra i lavoratori sono stati segnalati in Israele, Stati Uniti e Australia5,6,8.
La preoccupazione per la salute dei lavoratori della pietra artificiale deriva dal fatto che le pietre artificiali contengono tipicamente > 90% di quarzo, unito in una matrice con pigmenti e resine polimeriche9. In confronto, le pietre naturali contengono una quantità di silice molto inferiore rispetto ai prodotti artificiali. Marmo e granito sono due di queste pietre naturali contenenti rispettivamente il 3% e il 40% di silice. Pertanto, processi di fabbricazione come il taglio, la perforazione e la lucidatura delle pietre ingegnerizzate possono comportare elevate concentrazioni atmosferiche di polvere contenente quarzo10. È interessante notare che questi processi meccanici vengono sempre più eseguiti in condizioni umide nell’industria, attraverso l’uso di smerigliatrici e lucidatrici pneumatiche alimentate ad acqua, per ridurre l’esposizione alla polvere. Tuttavia, le attività di finitura spesso finiscono per essere manuali senza soppressione dell'acqua, con un conseguente elevato rischio di esposizione alla silice cristallina11.
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>
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