Geoinžinierstvo je úmyselná veľkorozsahová manipulácia enviromentálnych procesov ovplyvňujúcich Zemskú klímu s cieľom pôsobiť proti efektom klimatických zmien. Ako jeden z prístupov ku geoinžinierstvu bolo navrhnuté rozprašovanie prekurzorov sulfátových aerosolov a umelo vyrobených nanočastíc do stratosféry (napríklad za účelom riadenia slnečného osvitu – solar radiation management (SRM)).


Napriek výraznému úsiliu vynaloženému k vyriešeniu vedeckých a technických problémov súvisiacich s geoinžinierstvom bolo podniknuté iba minimum snahy o určenie potenciálnych dôsledkov geoinžinierstva na zdravie ľudí, hlavne s ohľadom na prístupy SRM využívajúce stratosférické aerosoly.

Táto štúdia sa venuje tejto informačnej medzere.

S využitím dostupných dôkazov popisujeme možné priame zdravotné dopady na zamestnancov a verejnosť pri expozícii aerosolom pravdepodobne použitým pre SRM ako sú enviromentálne sulfáty, čierny uhlík, metalický hliník a aerosoly oxidov hliníka. S využitím znalostí o podobných nanomateriáloch uvažujeme o možných zdravotných dôsledkoch vystavenia jednému z nádejných SRM materiálov – titanátu bária.

Taktiež skúmame súčasné regulačné snahy ohľadom minimalizácie expozície týmito jedovatými látkami.

Naša analýza naznačuje, že je veľmi pravdepodobné, že použitie stratosférických aerosolov pre SRM bude mať negatívne dopady na zdravie verejnosti.

Veľmi málo je známe o toxicite niektorých pravdepodobných aerosolových kandidátov a neexistuje zhoda ohľadom akceptovateľných úrovní expozície verejnosti týmito látkami.

Taktiež v súčasnosti prakticky neexistuje infraštruktúra na vyhodnocovanie potenciálnych zdravotných dopadov na zdravie verejnosti, ak by sa stratosférické aerosoly používali na riadenie miery slnečného osvitu (SRM). 

Navrhujeme viaceré doporučenia za účelom pomôcť určiť možné zdravotné dopady SRM na zdravie zamestnancov a verejnosti a navrhujeme, že je potrebné urobiť dôsledné zhodnotenie rizík skôr, než sa bude o tomto prístupe ku geoinžinierstve vôbec ďalej uvažovať.

 

Pozadie

Otepľovanie klimatického systému je nesporné a od roku 1950 bol zrejmý ľudský vplyv na klimatický systém  [1, 2]. Z dôvodu, že ľudské aktivity sa stali významnými geologickými silami, bol zavedený pre súčasnú geologickú epochu pojem "antropocén", ktorý začal v 18. storočí [3]. Medzinárodný panel o klimatickej zmene (IPCC) v OSN predpovedal, že ak ľudská aktivita a svetový rozvoj bude pokračovať bez zmien, priemerné povrchové teploty by mohli do roku 2100 stúpnuť až o 4,8 °C [1, 2, 4]. Súčasný nedostatočný úspech snáh o redukciu emisií skleníkových plynov vyvolal záujem o možnosť pôsobiť proti týmto efektom pomocou medzinárodnej manipulácie celoplanetárnych systémových procesov – proces označovaný ako "geoinžinierstvo" [5]

Koncept geoinžinierstva nie je nový, datuje sa minimálne do roku 1965 [6]. Avšak pojem geoinžinierstvo ako je používaný v súčasnom kontexte bol zavedený v roku 1977 [7]. Geoinžiniersky prístup zahŕňa riadenie slnečného osvitu (Solar radiation management, SRM) a odstraňovanie oxidu uhličitého (Carbon dioxide removal, CDR) [5]. Techniky SRM sa snažia prekryť efekty zvýšených koncentrácií skleníkových plynov pomocou zníženia množstva prichádzajúceho krátkovlnného slnečného žiarenia, ktoré je absorbované alebo odrazené pozemskou atmosférou (Obrázok 1) [8]. Navrhované techniky SRM zahŕňajú stratosférické aerosoly, reflexné satelity, bielenie oblakov, bielenie stavebnej infraštruktúry a zvýšenie reflektivity rastlín (Obr.  2) [5]. Všetky techniky nasadenia SRM vyžadujú globálny prístup, keďže lokalizované nasadenie nedosiahne potrebné efekty. Čo je ešte dôležitejšie, prístup SRM s úmyslom ovplyvňovať klimatickú zmenu vyžaduje počiatočné a nepretržite pokračujúce pridávanie aerosolov do atmosféry s čoraz vyššou mierou pridávania spolu s tým, ako budú rásť emisie skleníkových plynov, čo vedie k riziku náhleho a potenciálne katastrofického oteplenia, ak aerosolové úrovne v atmosfére prestanú byť obnovované. Navrhované CDR prístupy zahŕňajú zalesňovanie, priame zachytávanie a ukladanie oxidu uhličitého z atmosféry, produkciu karbonátových minerálov s využitím silikátových hornín a CO2 zo vzduchu, urýchľovanie zvetrávania hornín, úmyselné zvyšovanie kyslosti oceánov a fertilizácia oceánov (sypanie výživných látok do oceánov s cieľom podporiť rast morských rias, pozn. prekl.) (Obr.  2) [5].

Obrázok 1: Jednotlivé zložky zemskej bilancie slnečného žiarenia (adapted from NASA. http://science-edu.larc.nasa.gov/EDDOCS/whatis.html)

Obrázok 2: Možné metódy riadenia slnečného osvitu a odstraňovania oxidu uhličitého (adapted from http://r3zn8d.files.wordpress.com/2013/04/geoengineering.jpg)

Táto štúdia sa zameria na SRM prostredníctvom stratosférického rozprašovania aerosolov (stratospheric aerosol injection) a popíše možné priame dopady na ľudské zdravie.

Preskúmame tri znalostné medzery: 1) mieru expozície ľudí, 2) dopady na zdravie ľudí a 3) expozičné limity. 

U SRM sa dá predpokladať, že vyústi do poškodenia ekosystémov a do následných zdravotných problémov ľudí aj cez nepriame mechanizmy ako je napríklad poškodenie alebo kontaminácia poľnohospodárskych produktov a divo žijúcich zvierat. Aj keď tieto efekty sú tiež významné, presahujú rozsah tejto štúdie.

 

Stratosférické aerosoly vhodné pre použitie v SRM

Stratosféra je druhá významná vrstva Zemskej atmosféry, ležiaca bezprostredne nad najnižšou vrstvou (troposférou) vo výške 10-50 km [9]. V stratosfére teplota rastie s rastúcou výškou. Schopnosť SRM prostredníctvom stratosféricky rozprášených aerosolov bola preukázaná na globálnom ochladení nasledujúcom veľké vulkanické erupcie [10].

Do stratosféry by mohlo byť uvoľňované veľké množstvo rôznych častíc aby sa dosiahol SRM cieľ odrážať slnečné svetlo späť do vesmíru.

Sulfáty a nanočastice sú v súčasnosti preferované pre SRM a zahŕňajú oxid siričitý, sírovodík (hydrogen sulfide), karbonylsulfid (carbonyl sulfide), čierny uhlík (black carbon) a špeciálne vyrobené (nano)disky zložené z metalického hliníka, oxidov hliníka a titanátov bária (barium titanate) [11]. Predovšetkým umelo vyrobené nanočastice sú vnímané ako veľmi perspektívne. Tieto častice by využívali fotoforetické a elektromagnetické sily aby spontánne levitovali nad stratosférou [11]. Tieto nanočastice by vydržali byť rozptýlené dlhšie než sulfátové častice, nenarušovali by chemické zloženie stratosféry a neprodukovali by kyslé dažde [12]. Avšak napriek svojej perspektívnosti, účinnosť samo-levitujúcich nanodiskov zatiaľ nebola overená v praxi, môžu spôsobiť nárast kyslosti oceánov v dôsledku zachytávania atmosférického CO2, majú neznáme vplyvy na zdravie ľudí a životného prostredia a môžu byť nerealizovateľne drahé [12].

 

Znalostná medzera č. 1: Expozícia obyvateľstva

Expozícia ľudí materiálmi použitými na SRM môže nastať počas výrobného procesu, transportu, rozprašovania a následného usadzovania týchto materiálov na zemský povrch [13]. V tejto štúdii, pokiaľ nie je zmienené inak, je ako hlavný spôsob epozície človeka vnímané vdýchnutie daných látok.

 

Expozícia robotníkov vo výrobnom procese

Miera expozície vzduchom neseným sulfátom môže vo fabrikách na kyselinu sírovú dosahovať až 23 mg/m3 [14]. Vysoká expozícia parám kyseliny sírovej bola tiež zaznamená v petrochemickom priemysle a vysoké expozície sírovodíkom (hydrogen sulfide) a karbonylsulfidom (carbonyl sulfide) boli zaznamenané pri operáciach ťažby zemného plynu [15, 16]. 

Expozícia čiernym uhlíkom môže byť značne vysoká počas jeho výroby [17]. 

Zvýšená expozícia vzduchom neseným hliníkom a jeho oxidmi bola preukázaná, že vzniká počas rafinovania hliníka, tavenia a v továrňach na hliníkový prášok [18]. 

Podľa všetkého neexistuje žiadna použiteľná dokumentácia ohľadom expozície zamestnancov titanátmi bária. 

Okrem výrobného procesu môže k expozícii SRM materiálmi dôjsť tiež počas použitia, t.j. počas operácií na vytváranie oblakov (cloud seeding) ako aj počas nehôd pri transporte [19, 20].

Expozícia zamestnancov SRM materiálmi bude pravdepodobne  prebiehať počas krátkych období (dní až týždňov) s potenciálom na opakovanú alebo cyklickú expozíciu. Zdravotné efekty takýchto expozícií budú preto akútnej povahy, hoci opakované expozície môžu vytvoriť príležitosť pre vznik chronických zdravotných prejavov. Zamestnanecké expozície môžu byť zmiernené pomocou vhodných úprav výrobného procesu ako je vetranie ako aj používaním osobných ochranných pomôcok ako sú respirátory a ochranné obleky.

 

Expozícia civilnej populácie

V dôsledku atmosférického prúdenia a gravitačného usadzovania na povrch takmer určite po rozptýlení týchto SRM materiálov do atmosféry dôjde k expozícii rozsiahlych oblastí s civilnou populáciou. Expozícia populácie môže nastať tiež prostredníctvom skonzumovania jedla alebo vody kontaminovanej usadenými časticami a tiež cez pokožku [11, 12]. 

Na rozdiel od expozície robotníkov nebol urobený prakticky žiaden výskum na zistenie miery expozície SRM materiálmi pre civilné osoby, aj keď americká environmentálna agentúra EPA ponúka návody k postupom, ako vyhodnocovať environmentálne expozície viacerými možnými SRM materiálmi [22].

Stratosférické rozprašovanie oxidu siričitého a čierneho uhlíka už bolo modelované za účelom analýzy možného usadzovania sulfátov a sadzí [21, 23]. Jeden model určil, že ak sa ročne do atmosféry rozptýli 1 Tg čierneho uhlíka, po 10 rokoch geoinžinierstva bude globálne priemerná masa usadeného materiálu približne 8 x 10^-6 kg/m2 [23]. Úmyselné pridanie čierneho uhlíka do atmosféry zhorší zdravotné problémy, ktoré už dnes existujú v dôsledku neúmyselných povrchových únikov [24]. V roku 2000 boli odhadnuté emisie čierneho uhlíka na 7,6 Tg a globálna priemerná hmotnosť usadenín čierneho uhlíka bola približne 1,5 x 10^-5 kg/m2 [25]. 

Podľa všetkého neexistujú žiadne modely, ktoré by odhadovali vrstvu usadenín hliníka, oxidu hlinitého a titanátu bária v dôsledku SRM.

Na rozdiel od expozície zamestnancov, expozícia populácie SRM materiálmi bude nepretržitá a dlhotrvajúca po dobu mesiacov až rokov, ale bude pravdepodobne o jeden rád nižšia, než dávky u zamestnancov.  Z toho dôvodu budú zdravotné efekty hlavne v podobe chronických problémov. Použitie ochranných pomôcok na zníženie expozície verejnosti usadzovanými SRM materiálmi nie je vzhľadom k veľkosti populácie reálne.

 

Znalostná medzera č. 2: možné zdravotné dôsledky pre ľudí

Tabuľka 1 sumarizuje potenciálne zdravotné dôsledky aerosolov SRM na jednotlivé telesné orgány.

Tabuľka 1: Zdravotné efekty potenciálnych SRM aerosolov na zdravie ľudí

Inhalačné štúdie s aerosolmi kyseliny sírovejnaznačujú, že má lokálny dráždivý efekt, ale nemá systémové efekty [26]. U zvieracích štúdií pri expozíciach už od 0,3 mg/m3 bola pozorovaná metaplázia epitelových buniek (patologická premena buniek vplyvom dlhodobých škodlivých vplyvov, pozn. prekl.) v epitelovej výstelke hrtanu, pričom ťažká metaplázia nasledovala pri expozíciach 1,38 mg/m3. Epidemiologické štúdie naznačujú závislosť medzi vystavením hmlám obsahujúcim kyselinu sírovú a zvýšeným výskytom rakoviny hrtana (laryngeal cancer). Medzinárodná agentúra pre výskum rakoviny dospela k názoru, že "epozícia zamestnancov silným anorganickým hmlám obsahujúcim kyselinu sírovú je pre ľudí rakovinotvorná" [27, 28].

V dôsledku akútnej expozície oxidom siričitým nastáva u ľudí, predovšetkým u astmatikov, ako primárna reakcia nárast odporu v dýchacích cestách, pokles objemu nádychu alebo sťažené dýchanie (forced expiratory flow)[29]. Kašeľ, podráždenie, zvýšená tvorba slín a sčervenanie (erythema) slizníc hrtanu a priedušiek sa objavili po pokusnej expozícii =< 8 ppm po dobu 20 minút [30]. Expozícia vyššími dávkami (napr. 40 ppm) môže spôsobiť pocit pálenia v nose a hrdle, pocit nedostatku dychu (dyspnea) a ťažkú nepriechodnosť dýchacích ciest, ktorá po čase iba čiastočne ustúpi [31]. Expozície ešte vyššími dávkami (napr. =< 100 ppm) môže vyústiť v reaktívny syndróm dysfunkcie dýchacích ciest, ktorý zahŕňa poškodenie slizníc priedušiek a rastúcu citlivosť a nešpecifickú hypersenzitivitu k ďalším dráždivým stimulom [32, 33]. V prípade expozície > 100 ppm môže nastať smrť [31].

Jednorazová expozícia sírovodíkom (hydrogen sulfide) môže spôsobiť zdravotné problémy v množstve telových systémov[34]. Sírovodík má dolnú pachovú hranicu 0,01 mg/m3 a človek sa stáva necitlivým k jeho pachu pri koncentráciach >= 140 mg/m3 [35, 36]. Respiračné symptómy u astmatických osôb sa objavujú pri dávke približne 2,8 mg/m3, ale podľa všetkého sa dýchacie problémy neobjavujú pri dávkach < 560 mg/m3  [37] . Podráždenie očí sa môže vyskytnúť pri 5-29 mg/m3 a metabolické abnormality sa môžu vyskytnúť pri 7 mg/m3 [38]. Neurologické symptómy ako únava, strata chuti do jedla, bolesti hlavy, podráždenosť, problémy s pamäťou a malátnosť môžu vzniknúť pri dávkach > 28 mg/m3 [39], so smrťou pri dávkach > 700 mg/m3 [40].

Iba limitované informácie sú dostupné o farmakokinetike karbonylsulfidu (carbonyl sulfide), ktorý je pravdepodobne v tele metabolizovaný na oxid uhličitý a sírovodík [41]. Akútne expozície vedú k symptómom podobným expozícii sírovodíkom, ale s menším lokálnym podráždením a menším čuchovým varovaním [42]. Menej než smrteľná dávka môže viesť k silnému slineniu, bolesti hlavy, vertigu, výpadku pamäte, zmätenosti, nevoľnosti, vracaniu, hnačke, srdcovej arytmii, slabosti, svalovým kŕčom a bezvedomiu [43]. Koncentrácie > 1000 ppm môžu spôsobiť náhly kolaps, kŕče a smrť z ochrnutia dýchacích svalov.

Respiračné prejavy čierneho uhlíka zahŕňajú kašeľ, produkciu hlienu, bronchitídu, pneumokoniózu (chronický zápal pľúc vyvolaný vdýchnutím minerálneho prachu, pozn. prekl.) a zníženie výkonu pľúc, ďalej pocity únavy, bolesti na hrudi, bolesti hlavy a podráždenie dýchacích ciest [24, 44, 45]. Čierny uhlík môže spôsobiť stratu farebnosti očných viečok a očných spojiviek [46] a je pravdepodobne pre ľudí rakovinotvorný (skupina 2B); nie je dostatok dôkazov o karcinogenite u ľudí, ale dostatok dôkazov u pokusných zvierat [24].

Hliník sa nikdy nenachádza v prírode v čistej podobe, ale vždy vo forme metalických zlúčenín, zmesí alebo chelátov, vrátane oxidu hlinitého [47]. Toxicita hliníka a oxidu hlinitého je podľa všetkého rovnaká [47]. U robotníkov vystavených jemnému hliníkovému prachu bolo zaznamenané sípavé dýchanie, pocit nedostatku dychu a zhoršená funkcia pľúc ako aj plumonárna fibróza [48-50]. Zväčšenie (dilation) a hypertrofia pravej strany srdca bola pozorovaná u robotníkov vystavených hliníkovému prachu, ako aj pokles hemoglobínu v červených krvinkách a paličkovatenie prstov (finger clubbing) [50]. U jednej osoby vystavenej hliníkovému prachu bola pozorovaná alveolitída pomocných T-lymfocytov (zápalový stav sprevádzaný nahromadením imunitných buniek v určitej oblasti tela, pozn. prekl.) a blastická transformácia periferálnych krvných lymfocytov v prítomnosti rozpustných hliníkových zlúčenín [51]. Dôkazy o karcinogenite medzi robotníkmi nie sú postačujúce; výsledky tých niekoľko málo existujúcich štúdií boli zahmlené expozíciami inými známymi karcinogénmi (napríklad tabakovým dymom alebo polycyklickými aromatickými uhľovodíkmi) [52].

Titanát bária (barium titanate) je zložitá soľ pozostávajúca z dvoch kovov, čo komplikuje modelovanie jej toxikologických vlastností. Vo všeobecnosti vystavenia báriovým soliam sú spájané s dýchacími, kardiovaskulárnymi, gastrointestinálnymi, svalovými, metabolickými a neurologickými efektami [53]. Báriové soli tiež majú lokálny vplyv na povrch pokožky a avšak nie je pravdepodobné, že by boli v nejakom príliš veľkom rozsahu cez pokožku vstrebávané, čo však nemusí platiť pre nanočastice báriových solí [53, 54]. Titanát bária sa tiež môže v interakciách s ľudským telom správať ako titánová soľ, a v tomto prípade sú zdravotné dôsledky v súčasnosti neznáme. Iba dve zlúčeniny obsahujúce titán sú indexované americkým registrom toxických látok (ATSDR) a pokryté americkými limitmi expozície [55]. Je možné, že titanát bária sa môže správať zároveň ako soľ bária alebo titanu, alebo ani ako jedno. Toxikologické vlastnosti nanočastíc sú ovplyvnené faktormi ako veľkosť častice, povrchová plocha, chemické zloženie, reaktivita, rozpustnosť a tvar [54].

 

Znalostná medzera č. 3: štandardy a smernice limitov expozície

Viaceré americké agentúry a organizácie stanovili limity expozície robotníkov sulfátmi, uhlíkom a niektorými metalickými látkami. Zatiaľ čo limity takmer jednotne predpokladajú 8-hodinovú expozičnú dobu, organizácie pri určovaní týchto limitov používajú rôzne vstupné predpoklady a rôzne akceptovateľné úrovne zvýšenia rizika. Výsledkom toho je široké rozpätie bezpečnostných limitov pre SRM materiály, čo komplikuje stanovenie "bezpečných" globálnych úrovní. Navyše niektoré možné SRM látky (napríklad titanát bária) sú v súčasnosti bez regulácie a/alebo nemajú žiadne uznávané postupy vyhodnocovania expozície robotníkov. Rovnaké problémy platia aj pre použitie limitov expozície verejnosti.

Hraničné limitné hodnoty Americkej Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) pre možné SRM materiály zobrazené v Tabuľke 2 sú dlhodobo nižšie, než tie vyžadované Americkým úradom pre zdravie a bezpečnosť zamestnancov (Occupational Safety and Health Administration, OSHA) alebo doporučované americkým National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) [56, 57] . Hraničné limitné hodnoty a doporučované limity expozície zo strany NIOSH sú určené na ochranu typických robotníkov od akýchkoľvek nežiadúcich účinkov bez ohľadu na ekonomickú a politickú realizovateľnosť, zatiaľ čo limity OSHA berú do úvahy technickú a ekonomickú realizovateľnosť a sú preto menej chrániace  [56, 58].

Tabuľka 2: Štandardy expozície robotníkov látkami, ktoré môžu byť použité pre SRM (ak nie je udané inak, limity expozície sú priemerné dávky počas 8-hodinového pracovného dňa)

Ohľadom miery expozície verejnosti – k čomu bude pravdepodobne masovo dochádzať pri snahách o SRM – organizácie EPA, European Environmental Agency (EEA), a Svetová zdravotnícka organizácia (WHO) udávajú regulačné štandardy na kvalitu vzduchu (Tabuľka 3) [57–59]. Čo je dôležité, Tabuľka 3 ukazuje veľmi malé množstvo vzoriek štandardov kvality vzduchu používaných po celom svete, ktoré majú súvis s možnými SRM materiálmi, z ktorých WHO štandardy by sa dali považovať za najviac zovšeobecniteľné v globálnom merítku. Expozičné limity sa medzi týmito agentúrami výrazne líšia, ale čo je ešte dôležitejšie, v súčasnosti nie sú stanovené žiadnou z týchto agentúr žiadne limity pre väčšinu látok, ktoré môžu byť používané na SRM  [60, 61].