Fijnstof van straalmotoren tast de luchtwegen aan

Dick Schrauwen [1]

In een uniek, innovatief experiment hebben onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Bern het effect onderzocht van fijnstof afkomstig van vliegtuigturbinemotoren op menselijke longcellen. De cellen reageerden het sterkst op deeltjes die vrijkwamen tijdens het stationair draaien. Er werd ook aangetoond dat het cytotoxische effect tot op zekere hoogte vergelijkbaar is met dat van fijnstofdeeltjes afkomstig van benzine- en dieselmotoren.

Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) sterven wereldwijd zeven miljoen mensen aan luchtverontreiniging. De laatste 20 jaar lang hebben veel studies aangetoond dat fijnstof in de lucht de menselijke gezondheid negatief beïnvloedt.

Naast de reeds onderzochte bronnen - zoals emissies van verwarmingssystemen, industrie en wegverkeer - zijn nu ook de fijnstofemissies van turbinemotoren onderzocht. Het toenemende luchtverkeer maakt dit onderzoek relevant en belangrijk. Wetenschappelijk onderzoek naar fijnstof uit het luchtverkeer is onmisbaar voor de ontwikkeling van milieunormen voor de luchtvaartsector.

Het primaire fijnstof – dat zijn de deeltjes die onmiddellijk door de bron worden afgegeven - heeft het sterkste effect op mensen die zich in de directe omgeving bevinden. De toxiciteit (mate van giftigheid) van fijnstof uit vliegtuigturbinemotoren is echter nog maar matig onderzocht.

Het multidisciplinaire team stond onder leiding van longonderzoeker Marianne Geiser. Geiser is werkzaam aan het Instituut voor Anatomie van de Universiteit van Bern. Haar team bestond uit collega's van Empa Dübendorf en de Universiteit voor toegepaste wetenschappen en kunsten van Noordwest-Zwitserland (FHNW) [2].

Het team toonde aan dat de roetdeeltjes, veroorzaakt door de verbranding van kerosine in vliegtuigturbinemotoren, directe schade aan longcellen veroorzaakt en kan leiden tot een ontstekingsreactie als het fijnstof in de directe nabijheid van de motor wordt ingeademd. Deze situaties werden in het experiment gesimuleerd.

De onderzoekers ontdekten als eersten dat de schadelijke effecten ook afhangen van de bedrijfsomstandigheden van de straalmotor, de samenstelling van de brandstof en de structuur van de uitgestoten fijnstofdeeltjes. De bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift "Nature Communications Biology" [12].

Extreem kleine deeltjes in de nanoschaal
Deeltjes uitgestoten door turbinemotoren van vliegtuigen zijn in het algemeen ultrafijn - kleiner dan 100 nm. Ter vergelijking: een mensenhaar heeft een diameter van ongeveer 80000 nm. Bij inademing zetten deze nanodeeltjes zich af in de luchtwegen.

Bij gezonde mensen zorgen de afweermechanismen in de longen er normaal gesproken voor dat de afgezette deeltjes geneutraliseerd worden en dat het fijnstof zo snel mogelijk uit de longen wordt verwijderd. Maar als de geïnhaleerde deeltjes deze verdedigingsmechanismen weten te overwinnen door hun specifieke structuur en/of hun fysisch-chemische eigenschappen dan bestaat het gevaar dat het fijnstof onherstelbare schade in het longweefsel veroorzaakt. Dit proces was al bekend uit eerdere experimenten met benzine- en dieselmotoren. Het zelfde proces is nu dus ook vastgesteld bij de uitstoot van vliegtuigmotoren.

Experimentele onderzoeksopzet
Met behulp van originele, innovatieve en samenhangende experimenten hebben de onderzoekers de toxiciteit van de fijnstofdeeltjes onderzocht afkomstig van een CFM56-7B-turbofan [4]. Die turbofan is wereldwijd de meest gebruikte vliegtuigmotor.

De turbine werd in klimmodus (simuleren van de start en stijging van het vliegtuig) en op stationair toerental onderzocht. Dit gebeurde in de testfaciliteit van SR Technics op de luchthaven van Zürich. Daardoor konden de onderzoekers gebruik maken een internationaal gestandaardiseerde meetmethode die internationaal wordt toegepast voor de milieucertificering van vliegtuigmotoren.

Ook de brandstofsamenstelling werd onderzocht. De turbinemotor werd aangedreven door of conventionele kerosine brandstof (Jet A-1, [5]) of door biobrandstof. De biobrandstof bestond uit kerosine met 32% HEFA ("gehydrogeneerde esters en vetzuren") afkomstig uit oude bakolie, dierlijke vetten, algen en plantaardige oliën.

Een aërosol-depositiekamer (aerosol deposition chamber) die speciaal ontwikkeld werd voor in vitro onderzoek naar de toxiciteit van geïnhaleerde nanodeeltjes werd gebouwd door FHNW [3]. Deze speciale depositiekamer maakte het mogelijk om het gegenereerde fijnstof op een realistische manier te doen afzetten op gekweekte bronchiale epitheelcellen. Deze cellen vormen het binnen-oppervlak van de luchtwegen. Zo konden de onderzoekers het effect van het aerosol op menselijke longcellen achterhalen. Vanwege ethische redenen was het niet mogelijk om het experiment uit te voeren met behulp van ‘echte’ proefpersonen.

Verder werden de fysisch-chemische en structurele eigenschappen van de fijnstofdeeltjes geanalyseerd om de mogelijke, verschillende effecten ervan te onderzoeken. "Dit is een uniek experiment in de wereld. Niet eerder werd emissiemeettechnologie gecombineerd met medische analyses onder realistische omstandigheden", zegt Benjamin Brem, toen aerosol-onderzoeker van vliegtuigturbines aan het Empa en nu werkzaam bij het Paul Scherrer-instituut [7].

Toxiciteit afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden en het type brandstof
De cellen werden gedurende 60 minuten aan de aerosol blootgesteld. Gedurende deze tijd werd een deeltjesmassa van 1,6 tot 6,7 ng (miljardsten van een gram) per vierkante centimeter celoppervlak gedeponeerd als de turbine stationair liep. In de klimmodus werd 310 tot 430 ng afgezet. Dit stemt overeen met de dagelijkse opname bij mensen in licht vervuilde lucht (met circa 20 microgram fijnstof per kubieke meter) tot zwaar vervuilde lucht (zoals in een grote stad met 100-500 microgram fijnstof per kubieke meter lucht).

Er werd bewijs gevonden voor verhoogde schade aan het celmembraan en oxidatieve stress in de kweekcellen. Oxidatieve stress versnelt de veroudering van cellen en kan een trigger zijn voor kanker of immuunziekten. De schade die het fijnstof veroorzaakt bleek afhankelijk van de stuwkracht die de turbine levert en het type brandstof waarop de motor draait. De meeste schade werd geregistreerd bij stationair draaien met conventionele brandstof en in de klimmodus met biobrandstof.

Deze resultaten waren verrassend. In het bijzonder was de respons van de cellen zwakker dan verwacht in de tests met conventionele kerosine onder maximale stuwkracht - de situatie tijdens het opstijgen en klimmen.

Marianne Geiser: "Deze resultaten kunnen deels worden verklaard door de zeer kleine afmetingen en door de structuur van de deeltjes", zegt Anthi Liati, die is gespecialiseerd in de nanostructuur van aerosols [8] aan het Empa [7]. Bovendien reageerden de cellen op blootstelling aan biobrandstoffen door de afgifte van ontstekingscytokinen te verhogen. Cytokinen spelen een centrale rol in ons immuunsysteem. Die reacties verminderen het vermogen van de luchtweg-epitheelcellen om adequaat te reageren op toekomstige virale of bacteriële infecties".

Over het algemeen is volgens de onderzoekers aangetoond dat het schadelijke effect op cellen door blootstelling aan fijnstofdeeltjes door de verbranding van benzine, diesel en kerosinebrandstof vergelijkbaar zijn bij overeenkomstige belasting en tijdsduur. Verder werden overeenkomstige patronen gevonden bij de afgifte van inflammatoire cytokinen na de blootstelling aan zowel benzine-fijnstofdeeltjes als aan kerosine-fijnstofdeeltjes.

"De state-of-the-art meetmethoden, de interdisciplinaire aanpak en de daaruit voortvloeiende resultaten van ons onderzoek zijn een belangrijke stap voorwaarts in het onderzoek naar luchtverontreinigende stoffen en de effecten daarvan op de gezondheid.", zegt Geiser.

Aerosols: afstand tot de bron is cruciaal
Aërosolen zijn de kleinste deeltjes aan vaste stof of vloeistof in de lucht. Bij verbrandingsprocessen is de samenstelling van dit ultrakleine fijnstof zeer variabel. Verder zijn aërosolen onstabiel en veranderen ze na hun aanvankelijke vorming. Primaire ultrafijne vaste deeltjes hebben een hoge diffusiesnelheid: bij hoge concentraties plakken dergelijke deeltjes aan elkaar of ze hechten zich aan andere deeltjes.

Daarom hangt het effect van die primaire ultrafijne deeltjes af van de afstand tot de bron. Dit betekent dat er een verschil is tussen de effecten bij mensen die zich dichtbij en op grotere afstand van de turbinemotor bevinden. Verder onderzoek is nodig om meer inzicht in het afstandseffect te krijgen.
Zwitserland loopt voorop met milieumaatregelen
Sinds het Zwitserse "Particulate Matter Action Plan" dat in 2006 werd geïntroduceerd, heeft het Zwitserse Federaal Bureau voor de Burgerluchtvaart (FOCA) op basis van het voorzorgsprincipe gepleit voor de invoering van fijnstofcertificering voor vliegtuigmotoren en een emissiebeperking voor fijnstof door de Internationale Burgerluchtvaartorganisatie (ICAO).

BAZL [10] heeft een meetinfrastructuur opgezet en heeft daartoe de basis gelegd voor het onderzoek bij SR Technics. Deze organisatie ondersteunt hoog kwalitatief onderzoek dat na 2012 de wetenschappelijke kennis over luchtvaartemissies en de daarvoor benodigde meettechnologie aanzienlijk heeft verbeterd via het programma "Speciale Financiering van de burgerluchtvaart" (SFCA) [11].

Het onderzoek leidde tot de eerste mondiale normen voor het meten van het aantal fijnstofdeeltjes en hun gewicht in 2016. In februari 2019 werd in de milieucommissie van de ICAO - waarin alle belangrijke productielanden zijn vertegenwoordigd - overeenstemming bereikt over een aanbeveling voor de limieten die zouden moeten gaan gelden vanaf 01 januari 2023 voor nieuwe typen motoren.

De resultaten van deze studie hebben sterk bijgedragen aan de vaststelling van deze internationale limieten. Tot dusverre is de luchtvaart de enige sector die globale limieten voor de uitstoot van ultrafijnstof heeft ingevoerd.
Verwijzingen

[1] Bewerking van onderstaand persbericht
- https://www.unibe.ch/news/media_news/media_relations_e/media_releases/2019/
medienmitteilungen_2019/particulate_matter_from_aircraft_engines_affects_
airways/index_eng.html

[3] FHNW
- https://www.fhnw.ch/de/startseite

[4] CFM56-7B-turbofan
- https://www.cfmaeroengines.com/engines/cfm56/
- https://www.easa.europa.eu/sites/default/files/dfu/EASA%20E%20004%20TCDS%20issue%2005_20160103_1.0.pdf

[5] Jet A-1 fuel
- https://en.wikipedia.org/wiki/Aviation_fuel

[6] Bronchiaal epitheel
- https://nl.wikipedia.org/wiki/Epitheel
- https://www.longfonds.nl/over-longen/gezonde-longen/bronchi%C3%ABn

[7] Empa, Paul Scherrer-instituut
- https://www.empa.ch/
- https://www.psi.ch/de

[8] Aerosol
- https://nl.wikipedia.org/wiki/Aerosol

[9] Ontstekingscytokinen
- https://nl.wikipedia.org/wiki/Cytokine

[10] FOCA (BAZL), ICAO
- https://www.bazl.admin.ch/bazl/en/home.html
- https://www.icao.int/

[11] Special Financing of Civil Aviation (SFCA)
- https://www.bazl.admin.ch/bazl/en/home/specialists/regulations-and-guidelines/special-financing-of-civil-aviation--distribution-of-funds/programme-for-the-period-from-2012-to-2015.html

[12] Relevante publicaties
Jonsdottir HR, Delaval M, Leni Z, Keller A, Brem BT, Siegerist F, Schönenberger D, Durdina L, Elser M, Burtscher H, Liati A, Geiser M.: Non-volatile particle emissions from aircraft turbine engines at ground-idle induce oxidative stress in bronchial cells. Nature Communications Biology. 2:90 (2019).
- https://doi.org/10.1038/s42003-019-0332-7

Künzi L, Krapf M, Daher N, Dommen J, Jeannet N, Schneider S, Platt S, Slowik JG, Baumlin N, Salathe M, Prévôt ASH, Kalberer M, Strähl C, Dümbgen L, Sioutas C, Baltensperger U, Geiser M. Toxicity of aged gasoline exhaust particles to normal and diseased airway epithelia. Scientific Reports 5:11801 (2015).
- https://doi.org/10.1038/srep11801

Künzi L, Mertes P, Schneider S, Jeannet N, Menzi C, Dommen J, Baltenperger U, Prévôt ASH, Salathe M, Kalberer M, Geiser M. Responses of Lung Cells to Realistic Exposure of Primary and Aged Carbonaceous Aerosols. Atmospheric Environment 68:143-150 (2013).
- https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.11.055

Mei 2019