Kan luftforureninger forklare øjenirritation i kontormiljøer?

Jacob Klenø Nøjgaard, jkn@ami.dk, og Peder Wolkoff, pwo@ami.dk, Indeklimagruppen, Arbejdsmiljøinstituttet.

Visse luftforureninger kan forårsage øjenirritation, når mennesker eksponeres under kontrollerede forsøg. Men kan de forklare en andel af den øjenirritation, som rapporteres i kontormiljøer?

Øjenirritation i kontormiljøer

Indeklimaet i moderne kontormiljøer giver anledning til en række gener som hovedpine, træthed og slimhindeirritation i øjne og luftveje. Særligt øjenirritation er en af de væsentligste grunde til afbrydelser i kontorarbejdet (Begley et al., 2002; Hedge et al., 1996), antageligt med produktivitetsnedsættelse og økonomiske konsekvenser til følge (Mendel et al., 2002). Prevalensen af rapporteret øjenirritation i epidemiologiske undersøgelser svinger markant mellem de enkelte studier, hvilket bl.a. skyldes forskelle i design (spørgemetode, retrospektiv periode etc.). Det er således ikke ualmindelig, at 25-40 % af de adspurgte har oplevet øjenirritation mindst én gang i den forløbne måned (referencer in Kjærgaard, 2001; Brightman and Moss, 2001). I en nylig dansk undersøgelse svarede ca. 12%, at de havde haft øjenirritation flere gange om ugen (Pejtersen og Allerman, 2004). Herfra skal man trække baggrundsprevalensen, der skønnes til ca. 5% for befolkningen som helhed (Wolkoff et al., 2003).

Årsager

Traditionelt har man antaget, at slimhindeirritation i kontormiljøer skyldes fysiske eller kemiske eksponeringer (Wolkoff and Nielsen, 2001). Imidlertid er indeklimakoncentrationen af kemiske stoffer markant lavere end de tilsvarende grænseværdier. Arbejdsmiljøinstituttet har i de seneste år forsket intenst i årsager til øjenirritation i kontormiljøer, gennem eksperimentelle studier såvel som litteraturstudier. Konklusionen er, at visse faktorer og konditioner i stigende grad øger fordampningen fra øjets tårefilm, som derved bliver tyndere og gør øjet mere sårbar overfor påvirkninger (se Figur 1). Der dannes tørre pletter på hornhinden, hvilket sandsynligvis leder til forandringer i øjets bindehinde og egentlig øjenirritation (Wolkoff et al., 2005). Af sådanne faktorer og konditioner skal nævnes (1) termiske faktorer (lav relativ fugtighed (RH) og forhøjet temperatur); (2) visuelt og/eller mentalt krævende arbejdsopgaver (eks. skærmarbejde) samt (3) individuelle karakteristika såsom køn, brug af kontaktlinser, medicinforbrug, afvigende øjenblinkmønster og patologiske tilstande i/omkring øjet. En grundig gennemgang af årsager og mekanismer kan findes i Wolkoff et al. (2005). Herudover er (4) visse kemiske forbindelser mistænkt for at være stærke slimhindeirritanter (Wolkoff and Nielsen, 2001), evt. under konditioner hvor øjet allerede er ”sårbart” som følge af faktorerne (1-3).

Figur 1. Øjenirritation i kontormiljøer antages at skyldes faktorer og konditioner, der øger fordampningen af tårefilmen og gør øjet mere sårbart overfor luftforureninger. Særligt stærke øjenirritanter antages at være intermediære species i O3/alken blandinger.

Den kemiske forklaringsmodel

Fra sidst i 90’erne og frem viste en serie dyrestudier (eks. Clausen et al., 2001; Wolkoff et al., 2000), at særligt stærke luftvejsirritanter blev dannet i blandinger af luftarten ozon (O3) og naturligt forekommende alkener (monoterpener: C10H16). Modsat statiske blandinger af to eller flere stoffer, vil reaktanterne her gradvist forbruges, hvorved der dannes intermediære species (eks. radikaler), der gennem reaktionstiden omdannes/reagerer til mere stabile slutprodukter (se senere; Atkinson and Arey, 2003). Omdannelsesgraden af den ene reaktant (typisk alkenen) kaldes reaktionsgraden. I reaktionen/oxidationsprocessen dannes eks. slutprodukterne methacrolein og formaldehyd, der er velkendte stærke slimhindeirritanter. Produktkoncentrationerne i de omtalte dyrestudier kunne imidlertid ikke forklare den observerede irritation, uanset hvilken alken som O3 blev blandet med (Clausen et al., 2001). Effekten kan skyldes synergi eller forekomsten af ukendte slimhindeirritanter, som ikke kunne detekteres med de anvendte metoder. Sidstnævnte er den mest sandsynlige forklaring (Wolkoff and Nielsen., 2001). Spørgsmålet meldte sig da, hvorvidt de ukendte kemiske produkter i alken/ O3 blandingerne kunne forklare øjen- og luftvejsirritation, som det rapporteres af mennesker i kontormiljøer. Hertil var der behov for en ny eksperimentel opstilling til humaneksponering for blandinger.

Humaneksponeringsstudier og øjenirritation

I 2004 blev der publiceret et studium omkring O3/terpen humaneksponeringer (Klenø and Wolkoff, 2004). Effektmålet var en forøgelse af blinkfrekvensen under eksponering for formodede øjenirritanter, relativt til en individuel blinkfrekvens bestemt ved eksponering for ren luft. Blinkfrekvens forøgelsen blev under de specifikke konditioner tolket som stimuli af Trigeminus (5. hjernenerve) fremkaldt af kemiske species, som kan udvikle øjenirritation. Ændringen i blinkfrekvens blev målt ved at eksponere det ikke-dominerende øje hos 8 mandlige forsøgspersoner i 20 min for blandinger af O3/limonen (LOPs), O3/ nitrogendioxid (NOPs) samt reaktanterne og ren luft. I alle eksponeringerne var residualkoncentrationen af reaktanterne O3 (<40 ppb), limonen (< 75 ppb) og NO2 (<130 ppb) under effektniveau. Således kunne den observerede effekt tilskrives reaktionsprodukterne. Ved de anvendte koncentrationer var effekten af LOPs tydeligt større end NOPs. Eksperimenterne blev udført ved 20% RH, dvs. under omstændigheder, hvor fordampningen fra tårefilmen er øget.

I typiske kontormiljøer er gennemsnitskoncentrationen af limonen ofte 4-9 ppb, men væsentlig højere koncentrationer er blevet observeret (Wolkoff, 2000). Kilder hertil er eks. luftfriskere og rengøringsmidler (Wolkoff, 2000; Nazaroff and Weschler, 2004). I fravær af indeklimakilder er koncentrationen af NO2 typisk den samme i inde- og udeluften, eksempelvis for København (Jagtvej) 20-50 ppb (Fenger, 1995). O3 i indeklimaet stammer hovedsageligt fra udeluften. O3 er særdeles reaktivt og deponeres på overflader samt reagerer med flygtige stoffer i luften. Således er indeklimakoncentrationen ofte 30-70% af udeluften, og i forurenede storbyer kan koncentrationen i indeklimaet overstige 100 ppb (Weschler and Shields, 1994), men er ofte væsentlig lavere. I København er sommer 98% fraktilen ca. 50 ppb i udeluften, og kun det halve om vinteren (Fenger, 1995)

I NOPs blandingen dannes nitratradikaler (NO3) i ligevægt med dinitrogenpentaoxid (N2O5). N2O5 vil opløses i den vandige del af tårefilmen og danne salpetersyre, dog antageligt i for lave koncentrationer til at kunne forårsage øjenirritation. Den observerede irritation kunne sandsynligvis tilskrives NO3, trods særdeles lave koncentrationer i parts per trillion (ppt) niveau (Nøjgaard, 2004). Eksperimentet illustrerer en vigtig pointe: kort tids eksponering for forsvindende små koncentrationer af nitratradikaler kan inducere et trigeminalt respons. Endvidere støttes antagelsen om, at de ukendte irritanter fra LOPs blandingerne anvendt i dyrestudierne, er reaktive species som eks. radikaler (Wolkoff et al., 2000).

Øjenirritation fra LOPs blev undersøgt nærmere i en serie efterfølgende eksperimenter, hvor 10 mandlige forsøgspersoner, efter samme princip som tidligere, blev eksponeret for stigende koncentrationer af øjenirritanten methacrolein og LOPs blandinger, sidstnævnte desuden ved både 20% og 50% RH. Arbejdet er detaljeret beskrevet i Nøjgaard et al. (2005). Et laveste effekt niveau (LOEL) for methacrolein blev estimeret til 286 ppb. Her var der en signifikant stigning i blinkfrekvensen på 18%. Til sammenligning fandtes et LOEL for LOPs ved en blanding af 92 ppb limonen og 101 ppb O3, svt. en signifikant stigning i blinkfrekvensen på 17%. For både methacrolein og LOPs havde 4 ud af 10 registreret mild øjenirritation under eksponeringen. De to LOEL værdier er dog vanskelige at sammenligne af flere grunde.

Hvordan overføres irritationsdata fra laboratorieeksperimenter til øjenirritation i kontormiljøer?

Irritationsdata for blandinger som LOPs er vanskeligere at tolke end for enkeltstoffer som methacrolein, idet en række reaktionsparametre påvirker produktdannelsen gennem reaktionstid og reaktionsgrad.

I alle indemiljøer er der et luftskifte, der generelt er lavere i naturligt ventilerede bygninger sammenlignet med mekanisk ventilerede bygninger. For at en alken/O3 blanding skal kunne give anledning til irritation, må der opbygges en tilstrækkelig koncentration af reaktionsprodukter inden for den tid, reaktionstiden, som en luftparcel gennemsnitligt opholder sig i rummet. I LOPs eksperimenterne var luftskiftet 6 time-1, svarende til en reaktionstid på 10 min, hvilket kan overføres på et indemiljø med mekanisk ventilation. Den korte reaktionstid favoriserer dannelsen af intermediære species og kan derfor ikke nødvendigvis overføres på naturligt ventilerede miljøer, hvor luftskiftet ofte er omkring 0.5-1 (Bluyssen, 1996). Det skyldes, at de intermediære species omdannes til mere stabile (og antageligt mindre irriterende) produkter. Samtidig er koncentrationen af reaktanterne blevet mindre, hvorved der dannes færre nye intermediære species (se Koncentration).

Overflade (størrelse, overflade/volumen forhold, materiale) bestemmer deponeringen af eks. O3 og reaktionsprodukter (Cano-Ruiz et al., 1993). Et indemiljø med høj O3 deponering vil derfor mindske produktdannelsen fra O3/alken blandinger og gavne indeklimaet (forudsat der ikke opstår nye irriterende produkter heraf).

Temperaturen øger generelt de kemiske processer. LOPs eksperimenterne var udført ved 21±2 ˚C, hvilket kan overføres på mange kontormiljøer (Skov et al., 1989).

RH bestemmer til dels den kemiske produktfordeling, men også fordampningen fra - og dermed stabiliteten af tårefilmen (Wolkoff et al., 2005). I det omtalte studie var RH 20%, svarende til tør luft, og ikke en ualmindelig vintersituation. Forsøgspersonerne blev bla. eksponeret for to LOPs blandinger, der kun var forskellige mht. RH. Blinkfrekvensen øgedes med 34% ved RH 20%, mod blot 22% ved RH 50%. Forskellen var ikke signifikant, men i dyreforsøg med samme O3/alken blandinger er der tidligere observeret en sammenhæng mellem aftagende RH og øget biologisk respons (Wilkins et al., 2003). 

Koncentrationen af reaktanterne øger reaktionshastigheden, og der dannes intermediære species, eks. radikaler, der gennem en serie reaktionstrin omdannes til mere stabile (og formodentlig mindre irriterende) stoffer. Koncentrationen af intermediære species er således bestemt af både levetiden og dannelseshastigheden. Jo højere O3 og alken koncentration, des større reaktionshastighed og dermed dannelse af intermediære species. En blanding med høje O3 og alken residualkoncentrationer vil derfor indeholde større koncentrationer af intermediære species, og virke mere irriterende ifølge hypotesen: at reaktive species er stærke slimhindeirritanter (se Figur 1).

Humaneksponeringsstudierne viste, at en limonen(92 ppb) /O3(101 ppb) blanding kunne øge blinkfrekvensen signifikant med 17% og inducere mild øjenirritation i 40% af deltagerne efter 20 min eksponering. Reaktionsgraden var blot 18 ppb O3, hvilket indikerer forekomsten af stærke øjenirritanter i blandingen. Til sammenligning kræves knap 300 ppb methacrolein for at inducere en tilsvarende blinkfrekvens forøgelse (Nøjgaard et al., 2005). Det skal nævnes, at O3 og alken koncentrationer i kontormiljøer typisk er lavere end anvendt i dette studium, om end de som peakkoncentrationer er realistiske i eks. flere amerikanske storbyer (Weschler, 2000; Wolkoff et al., 2000). En direkte sammenligning er imidlertid ikke meningsfuld, idet udviklingen af symptomer er bestemt af eksponeringstiden, der er væsentlig længere på en fuld arbejdsdag end dette studies 20 min. Feltmålinger af O3 og alkener er ofte gennemsnitsværdier, hvorimod de omtalte eksponeringsstudier netop illustrerer effekten af korttidseksponering for peakkoncentrationer. Feltmålingerne er ydermere residualkoncentrationer, og dermed underestimerede, da O3/alken reaktionerne konstant finder sted under prøveopsamlingen.

Hvordan kommer man nærmere en forklaring på øjenirritation i kontormiljøer?

En serie humaneksponeringsstudier har demonstreret, at alken/O3 blandinger er et godt bud på relevante øjenirritanter i indeklimaet, men dannelsesmekanismerne er komplicerede; vi kender ikke strukturen af de specifikke irritanter i blandingerne, og effekten af eksponeringen afhænger af termiske og individuelle faktorer samt visuelt og mentalt krævende arbejdsopgaver. Om end kompliceret må udfordringen tages op, hvis vi skal kunne mindske øjen- og luftvejsirritation i kontormiljøerne. Og det er heraf en nødvendighed med kammereksponeringer af forsøgspersoner under arbejdsmiljørealistiske forhold, samt en grundliggende forskning i dannelsen af intermediære species fra alken/O3 blandinger.

Litteratur

Atkinson, R, and Arey, J (2003) Gas-phase tropospheric chemistry of biogenic volatile organic compounds: a review. Atmospheric Environment 37, 197-219.

Begley CG, Caffery B, Chalmers RL, Mitchell GL (2002) Use of dry eye questionnaire to measure symptoms of ocular irritation in patients with aqueous tear deficient dry eye. Cornea 21, 664-670.

Bluyssen, PM, de Oliveira Fernandes, E, Groes, L, Clausen, G, Fanger, PO, Valbjorn, O, Bernhard, CA, and Roulet, CA (1996) European indoor air quality audit project in 56 office buildings. Indoor Air 6(4), 221-238.

Brightman HS, Moss N (2001) Sick building syndrome studies and the compilation of normative and comparative values. In: Spengler JD, Samet JM, McCarthy JF, eds. Indoor Air Quality Handbook. New York: McGraw-Hill; 2001:3.1-3.32.

Cano-Ruiz, JA, Kong, D, Balas, RB, Nazaroff, WW (1993) Removal of reactive gasses at indoor surfaces: combining mass transport and surface kinetics. Atmospheric Environment 1993, 27A, 2039-2050.

Clausen, PA, Wilkins, CK, Wolkoff, P, Nielsen, GD (2001) Chemical and biological evaluation of R-(+)-limonene/ozone formation of strong airway irritants. Environment International 26, 511-522.

Fenger, J (1995) Ozon som luftforurening. Temarapport fra Danmarks Miljøundersøgelser. ISBN 87-7772-226-4

Hedge A, Erickson A, Rubin G (1996) Predicting sick building syndrome at the individual and aggregate levels. Environment International 22, 3-19.

Klenø J, Wolkoff P (2004) Changes in eye blink frequency as a measure of trigeminal stimulation by exposure to limonene oxidation products, isoprene oxidation products, and nitrate radicals. International Archives of Occupational and Environmental Health 77, 235-243

Kjærgaard, SK (2001) The irritated eye in the indoor environment – physiologi, prevalence, and causes. In: Spengler JD, Samet JM, McCarthy JF, eds. Indoor Air Quality Handbook. New York: McGraw-Hill; 2001, 17.1-17.11.

Mendell, MJ, Fisk, WJ, Kreiss, K, Levin, H, Alexander, D et al. (2002) Improving the health of workers indoor environments: Priority research needs for a national of occupational research agenda, American Journal of Public Health 92 (9), 1430-1440.

Nazaroff, WW, Weschler, CJ (2004) Cleaning products and air fresheners: Exposure to primary and secondary air pollutants. Atmospheric Environment 38, 2841-2865.

Nøjgaard JK, Christensen KB, Wolkoff P (2005) The effect on human eye blink frequency by exposure to limonene oxidation products and methacrolein. Toxicology Letters 156, 241-251.

Nøjgaard, JK (2004) Monoterpene oxidation products in relation to the development of eye irritation. Ph.d. afhandling.

Pejtersen J, Allerman L (2004) Indeklima, psykosocialt arbejdsmiljø og støvs potentiale.  Arbejdsmiljøinstituttet, København.

Skov P, Valbjørn O, Gyntelberg F, DISG (1989) Rådhusundersøgelsen - Indeklima i kontorer. Copenhagen: Arbejdsmiljøfondet 1-71.

Weschler, CJ (2000) Ozone in indoor environments: concentration and chemistry. Indoor Air 10, 92-100.

Weschler, CJ, Shields, HC (1994) Indoor chemistry involving O3, NO and NO2 as evidenced by 14 months of measurements at a site in southern California. Environmental Science & Technology 28, 2120-2131.

Wilkins, CK, Wolkoff, P, Clausen, PA., Hammer, M, Nielsen, GD (2003) Upper airway irritation of terpene/ozone oxidation products (TOPs). Dependence on reaction time, relative humidity and initial ozone concentration. Toxicology Letters 143, 109-114.

Wolkoff P, Nøjgaard, JK, Troiano, P, Piccoli (2005) Eye complaints in the office environment: precorneal tear film integrity influenced by eye blinking efficiency, Occupational Environmental Medicine 62, 4-12.

Wolkoff P, Skov P, Franck C, Pedersen LN (2003) Eye irritation and environmental factors in the office environment. Hypotheses, causes, and a physiological model. Scandinavian Journal of Work, Environment and Health 29, 411-430.

Wolkoff P, Nielsen GD (2001) Organic compounds in indoor air - their relevance for perceived indoor air quality. Atmospheric Environment 35, 4407-4417.

Wolkoff, P, Clausen, PA, Wilkins, CK, Nielsen, GD (2000) Formation of strong airway irritants in terpene/ozone mixtures. Indoor Air 10, 82-91.