Chemische en fysische eigenschappen - bronnen - gezondheidseffecten - effecten op vegetatie van de "klassieke" luchtvervuilings polluenten :

• SO₂ (zwaveldioxide)
  
• NO_x (stikstofoxiden)
  
• O₃ (ozon)
  
• CO (koolstofmonoxide)
  
• PM10 - PM2.5 (fijn stof)

1. Zwaveldioxide (SO₂)

Zwaveldioxide is een kleurloos gas met een irriterende geur en smaak (vanaf ca. 1.000 µg/m³). Het is zeer wateroplosbaar en heeft een zuur karakter.

Antropogene emissies van SO₂ ontstaan voornamelijk door de verbranding van fossiele brandstoffen zoals kolen en aardolie. Een gering aandeel wordt veroorzaakt door procesemissies (vb. bij de zwavelzuurproductie).

De belangrijkste SO₂ emissies zijn afkomstig van de industrie en van de elektrische centrales, de gebouwenverwarming en het verkeer.

Bij inademing is SO₂ irriterend en bij hoge concentraties kan het ademhalingsproblemen (veranderingen in de longfunctie) veroorzaken, vooral dan bij personen die leiden aan astma of chronische longziekten. Bij hoge concentraties kunnen astma aanvallen veroorzaakt worden. De gezondheidseffecten worden veroorzaakt door absorptie van SO₂ in de slijmvliezen van de neus en in de bovenste ademhalingswegen en door de depositie van sulfaataërosolen in de ademhalingswegen. Bij zeer hoge concentraties (> 10 000 µg/m³) kan SO₂ acute en ernstige effecten in de bronchii veroorzaken. Epidemiologische studies hebben aangetoond dat mogelijk kleine omkeerbare verminderingen in de longfunctie van kinderen kunnen optreden vanaf 250-450 µg/m³ en een verhoogde mortaliteit vanaf 500-1 000 µg/m³.

SO₂ heeft nadelige effecten op vegetatie door rechtstreekse opname van SO₂ door de planten. SO₂ is ook in belangrijke mate medeverantwoordelijk voor de verzuring van het milieu.

SO₂ is in belangrijke mate verantwoordelijk voor een versnelde verwering van historische gebouwen of steen in het algemeen en voor metaal corrosie :

CaCO₃ (o.a. in kalksteen) + SO₂ + 2H₂O --> CaSO₄.2H₂O (gips) + CO₂

De verwering van historische gebouwen hangt sterk af van de gebruikte bouwmaterialen. Vele historische gebouwen zijn opgetrokken uit materialen bestaande uit kalksteen of die een belangrijke hoeveelheid kalksteen omvatten. Hieronder valt o.m. de Balegemse en Gobertingen stenen van o.a. de meeste kathedralen en de Massengis kalksteen die bij de huidige restauraties gebruikt wordt. Het belangrijkste mineraal, calciet, wordt vooral aangetast door SO₂.

De meeste gebouwen in Vlaanderen hebben een oppervlaktelaag van 0,5 mm gips. Nu is gips meer wateroplosbaar en poreuzer dan kalksteen. Aan de beregende (West en Zuid) kant van de gebouwen zal die gipslaag oplossen en meegevoerd worden door de regen (vb. voor de St. Rombouts-kathedraal in Mechelen bevat het afstromend regenwater zgn. runoff 2 g/l gips). De kathedraal verliest zo 10 ton materiaal per jaar; de muren worden 20 µm per jaar dunner. Aan de onberegende (Oost en Noord) kant zal het gips meer water en roet absorberen dan de oorspronkelijke steen. Door roetabsorptie (van diesel) zal de Oostkant zwart worden; door verhoogde waterabsorptie onstaat meer druk en als bij vorst het water in de poriën bevriest zal de muur uiteindelijk verpulveren en afbrokkelen.

Andere factoren die in belangrijke mate mee de aantasting van de steen bepalen zijn o.a. de porositeit van de steen, de weersomstandigheden zoals vochtigheid, temperatuurschommelingen, vorst-dooi cycli, e.a.

Het voorkomen van sulfaataërosolen in de atmosfeer heeft een afkoelend effect op het radiatief klimaat van de aarde doordat het zonlicht verstrooid wordt in afwezigheid van wolken en doordat de sulfaataërosolen fungeren als condensatie nuclei van wolken.

2. Stikstofoxiden

De voornaamste polluenten in deze categorie zijn stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO₂). Dikwijls worden ze gezamenlijk aangegeven als NO_x.

NO is een kleurloos, reukloos en smaakloos gas dat op zich weinig toxisch is. Het veel toxischer NO₂, is een bruin-rood gekleurd gas, slecht ruikend en irriterend. Beide gassen zetten zich in de atmosfeer gemakkelijk in elkaar om en NO oxideert onder invloed van zonlicht of ozon snel tot NO₂. NO₂ dissocieert 's nachts terug naar NO en ozon.

Stikstofoxiden ontstaan bij hoge verbrandingstemperaturen door oxidatie van de luchtstikstof. De belangrijkste bron van NO_x is het wegverkeer.
Naast het verkeer zijn vooral de elektriciteitsproductie en de industrie (incl. raffinaderijen) de belangrijkste emissiebronnen.

NO₂ heeft nadelige gezondheidseffecten door inwerking op het ademhalingssysteem. De effecten verschillen naargelang het om blootstelling gaat van korte duur of lange duur. Bij acute blootstelling zullen enkel bij zeer hoge concentraties (>1880 µg/m³) effecten op gezonde personen optreden. Personen met astma of chronische longziekten zullen reeds bij lagere blootstellingen nadelige effecten op de ademhalingsfunctie ondervinden, waarbij een blootstelling van 1 tot 2 uren aan concentraties in het gebied van 375 tot 565 µg/m³, kan beschouwd worden als het laagste gebied waarin effecten kunnen geobserveerd worden. De effecten zijn veranderde longfunctie en symptomatische reacties, verhoogd voorkomen van acute ademhalingsziekte en symptomen, beschadiging van het longweefsel (bij hoge blootstellingen) en verhoogde gevoeligheid voor infecties. Kleine kinderen en astmatici of personen met chronische ademhalingsziekten zijn het meest gevoelig aan NO₂ blootstelling.

Stikstofoxiden kunnen geabsorbeerd worden door vegetatie en omgezet worden in nitriet of nitraat, die verder naar ammonium kunnen gereduceerd worden. Ammonium kan eventueel ingebouwd worden in organische componenten en op deze wijze kunnen nadelige effecten op vegetatie ontstaan.

De stikstofoxiden spelen een belangrijke rol in de milieuverzuring en de fotochemische smogvorming (één der precursoren van ozon en andere fotochemisch actieve verbindingen zoals vb. PAN). Zoals SO₂ kunnen zij over grote afstanden getransporteerd worden en aldus de oorzaak zijn van effecten, ook in afgelegen gebieden.

Stikstofoxiden kunnen ook schade veroorzaken aan materialen, o.a. aan kleurstoffen, plastic materiaal en elastomeren, verhoogde corrosie van metalen en versnelde verwering van gebouwen. Hierbij dient wel gesteld dat vele effecten het resultaat zijn van inwerkingen van verschillende componenten en het dikwijls moeilijk is om aan te wijzen welk aandeel toe te wijzen is aan welke component.

De rol van stikstofoxiden in de verweringsprocessen van materialen is in elk geval minder belangrijk t.o.v. de rol van andere luchtverontreinigende stoffen, vb. t.o.v. het effect van SO₂ in de verwering van kalksteen, de rol van ozon in de verwering van kleurstoffen, plastic materiaal of elastomeren.

3. Ozon

Ozon is een secundaire polluent die gevormd wordt uitgaande van de precursoren NO_x (stikstofoxiden) en VOS (Vluchtige Organische Stoffen) onder welbepaalde reactie-omstandigheden. Het is wel zo dat er geen lineair verband bestaat tussen de ozonvorming en de emissies van de precursoren.

Door zijn sterk oxiderend vermogen kan ozon een aantal gezondheidseffecten veroorzaken, afhankelijk van de concentratie in de omgevingslucht, de blootstellingsduur, de gevoeligheid van de blootgestelde personen en hun activiteit. Onderstaande tabel geeft een overzicht van de voornaamste gezondheidseffecten bij kortdurende blootstelling  :

^a mogelijk gepaard gaande met ontstekingsreacties, toegenomen hyperactiviteit van de luchtwegen en verandering in de longklaring.
^b Chronische Aspecifieke Respiratorische Aandoeningen

Ozon kan verschillende gezondheidsklachten waaronder longfunctieveranderingen uitlokken. De andere stoffen uit de "zomersmog cocktail" veroorzaken prikkende ogen, hoesten en irritatie van de slijmvliezen. Het optreden van deze symptomen is afhankelijk van verschillende factoren :

• de ozonconcentratie, nl. hoe hoger de concentratie, hoe meer mensen klachten zullen vertonen en hoe ernstiger de klachten zullen zijn. Er kan echter niet precies aangegeven worden vanaf welke concentraties welke effecten te verwachten zijn.

• de individuele gevoeligheid: personen met aandoeningen van de luchtwegen zullen sneller een effect waarnemen dan personen met een normale longfunctie. Ook kinderen zullen gevoeliger zijn. Bovendien bestaat er een zogenaamde groep "responders" (zowat 10% van de bevolking) die om onduidelijke redenen extra gevoelig zijn voor ozonepisodes.

• de geleverde inspanning: bij het leveren van intensieve inspanningen in de buitenlucht zal de ademhaling versnellen en zal er per seconde meer lucht de longen passeren. In vergelijking met een persoon in rust houdt dit een grotere blootstelling aan ozon in en dus meer kans op effect.

De Europese informatiedrempel van 180 µg/m³ voor informatie van de bevolking mag dus niet gezien worden als een effectdrempelwaarde waaronder helemaal niemand welk effect dan ook zou kunnen ondervinden. De WGO (in 1990) stelt dat de effecten bij concentraties lager dan 200 µg/m³ echter beperkt zijn in ernst, en slechts voorkomen bij minder dan 5% van de totale bevolking. Op lagere concentratieniveau’s de volledige bevolking waarschuwen is om bovengenoemde reden niet aangewezen.

Het gaat hier dus om een glijdende schaal en ietwat kunstmatig kan er van een milde respons gesproken worden bij (uurgemiddelde) concentraties van 180-240 µg/m³, een matige respons bij 240-360 µg/m³ en een ernstige respons boven de 360 µg/m³.

Een aantal voorzorgsmaatregelen kan de effecten beperken. Uit hetgeen voorafgaat is het duidelijk dat de effecten van ozonepisodes vermeden of beperkt kunnen worden door tijdens de middag of de vroege avond (12-20 uur) zware inspanningen buitenshuis te vermijden. Deze maatregelen dienen genomen te worden vanaf 180 µg/m³ door kinderen en mensen met een individuele gevoeligheid van de luchtwegen. Vanaf 360 µg/m³ dient dan de ganse bevolking deze voorzorgsmaatregelen te volgen. Indien er desondanks toch nog gezondheidsklachten optreden is het natuurlijk nuttig en aangewezen de huisarts te raadplegen, die het best op de hoogte is van de persoonlijke gezondheidstoestand van de patiënt en dus het best geplaatst is om bijkomend persoonlijk advies te verstrekken.

Verhoogde ozonconcentraties veroorzaken ook schade aan gewassen.

Ozon zal slechts schade veroorzaken als het gas de plant binnendringt. Daarvoor moeten de ozonmoleculen naar het blad worden gebracht waar ze kunnen binnendringen via de huidmondjes. Als deze gesloten zijn kan ozon niet binnendringen in het blad en kan het gas geen schade aanrichten. De huidmondjes sluiten zich vooral om waterverlies tegen te gaan. Dit brengt met zich mee dat ozon in zeer warme en droge periodes relatief weinig schade veroorzaakt.

Vooral wanneer de watervoorziening aan de wortels verhoogd wordt, samen met een verhoging van de luchtvochtigheid lopen de planten groot gevaar op ozonaantasting. Serreplanten zijn daardoor vrij gevoelig voor ozonaantasting.

Ozon tast de celmembranen aan waardoor deze gaan lekken en afsterven. Bovendien veroorzaakt ozon een oxidatieve stress binnenin de plantencellen waardoor tal van fysiologische processen worden verstoord. De plant kan zich verdedigen tegen die oxidatieve stress door stoffen te vormen die als antioxidantia ageren. Het betreft hier voornamelijk vitamine C (buitenkant van de cellen) en vitamine E (binnen de celmembraan). Beide vitamines beschermen ook de mens tegen oxidatieve stress.

De uitwerking van ozon op de vegetatie kan velerlei vormen aannemen gaande van zichtbare symptomen als spikkelingen op het blad tot onzichtbare effecten die echter economisch veel belangrijker zijn en waarbij de cellen worden aangetast zonder af te sterven. De plant verbruikt in dat geval zeer veel energie om reparaties uit te voeren. Die energie gaat verloren voor de reserveorganen en resulteert in verminderde groei en opbrengst. Chronische beschadigingen zijn dan ook in feite nadeliger dan acute.

De inwerking van ozon brengt planten tevens onder stress waardoor een verhoogde productie van etheen, een plantenhormoon, wordt veroorzaakt. Deze verhoogde etheenproductie kan zware gevolgen hebben op fysiologisch vlak. Gewassen kunnen te vroeg afsterven of afrijpen of een onnatuurlijk vroegtijdige bladval vertonen.

In functie van de bescherming van de vegetatie zijn de drempelwaarden voor ozon van zeer weinig nut. Ze zijn enkel gericht op het voorkomen van acute schade en zelfs daarvoor bieden ze weinig bescherming. De inwerking van ozon op planten is immers dermate complex (klimatologie, bodemvochtigheid, ontwikkelingsstadium van de plant, voedingstoestand, standplaats, cultuurvariëteit, enz.) dat het niet eenvoudig is daarvoor een wetgeving uit te werken.

Ozon kan ook mede de verwering van materialen (vnl. kunststoffen) veroorzaken en troposferisch ozon levert ook een bijdrage aan het broeikaseffect.

4. Koolstofmonoxide

Koolstofmonoxide is een kleur-, smaak- en reukloos gas. Het kan niet door menselijke zintuigen waargenomen worden en is zeer giftig.

Antropogene emissies van koolstofmonoxide ontstaan bij onvolledige verbrandingsprocessen (verbrandingsprocessen waarbij onvoldoende zuurstof aanwezig is).

Koolstofmonoxide bindt 200 tot 250 maal beter met hemoglobine in het bloed dan zuurstof, waardoor de capaciteit van het bloed om zuurstof te transporteren daalt. Bij blootstelling aan hoge CO concentraties zullen effecten zich dan ook eerst manifesteren bij organen met een hoge zuurstofconsumptie (hersenen, hart, ...) .

In onderstaande tabel worden gezondheidseffecten bij verschillende concentraties en blootstellingsduur weergegeven :

Hierbij moet vermeld worden dat concentraties van meer dan 10 mg/m³ ( 8 uur gemiddelde) in de buitenlucht, zelfs op verkeersdrukke plaatsen, in België nog nooit gemeten werden. Hoge CO concentraties met dodelijke afloop kunnen wel binnenshuis voorkomen in slecht verluchte plaatsen waar oude verbrandingstoestellen op basis van een vlam actief zijn.

5. Zwevend stof - fijn stof (PM10 en PM2.5)

Zwevend stof omvat alle deeltjes, vaste en vloeibare, die in de atmosfeer rondzweven. Ze kunnen er van enkele uren tot maanden verblijven in functie van hun eigenschappen (o.m. deeltjesgrootte) en van de meteorologische omstandigheden. Een gas met daarin rondzwevende deeltjes is een aërosol. De deeltjes kunnen in de atmosfeer terecht komen door een natuurlijke oorzaak (natuurlijk aërosol) of door menselijke activiteit (antropogeen aërosol). De deeltjes kunnen in beide gevallen ingedeeld worden volgens hun vormingswijze in primaire, secundaire en mechanisch gevormde deeltjes. Primaire deeltjes ontstaan in de atmosfeer door condensatie uit de gasfase na verbranding of scheikundige omvorming van SO₂, NO_x, PAK, ... Secundaire deeltjes ontstaan door coagulatie en aggregatie van primaire deeltjes. Mechanisch gevormde deeltjes komen rechtstreeks in de atmosfeer door verkleining van grover materiaal.

De samenstelling van secundaire deeltjes is complexer. Ze worden gevormd uit de gasfase, en bij condensatie, waarbij de stoffen met de laagste dampspanning vlugger condenseren dan die met een hogere dampspanning. De fijne deeltjes kunnen daardoor een complexe, gelaagde samenstelling hebben. Dit wordt versterkt door het feit dat het beschikbare oppervlak van alle stof in de atmosfeer hoofdzakelijk geleverd wordt door de kleine deeltjes. Stoffen die gasvormig geëmitteerd worden (ook dioxines), zullen daarom bijna uitsluitend op de kleine deeltjes afgezet worden. Zware metalen uit smelterijen en verkeer, PAK, dioxine en roet bevinden zich daarom in de fijne fractie.

Het gedrag van deeltjes in een aërosol wordt bepaald door de eigenschappen van de deeltjes (afmetingen, vorm, dichtheid) en die van het gas(snelheid, turbulentie, samenstelling). Om het gedrag van deeltjes te kunnen beschrijven is het begrip aërodynamische diameter ingevoerd. Die wordt bepaald door de afmetingen van de deeltjes, maar daarnaast ook door de vorm en de dichtheid. De aërodynamische diameter wordt gedefinieerd als de diameter van een sferisch deeltje dat in de omgevingslucht hetzelfde gedrag vertoont als het beschouwde deeltje.

De grootteverdeling van stof in buitenlucht kent een verloop in 3 modi. De fijne fractie of PM2,5 gedefinieerd als de fractie met een aërodynamische diameter kleiner dan 2,5 µm, komt overeen met de primaire en secundaire deeltjes, de grove fractie met mechanisch gevormde deeltjes.

De fijne secundaire fractie bestaat op zich nog uit 2 fysisch verschillende fracties, nl. de compacte deeltjes (zoals zouten) en de condensatiedeeltjes (zoals roet). In de eerste fase van de vorming van de deeltjes uit de condensatiereactie van gassen worden zeer snel zeer kleine vaste deeltjes gevormd. Die kleine deeltjes zijn zeer beweeglijk en klonteren samen in een luchtige structuur. Als die deeltjes hygroscopisch zijn, zullen ze in de atmosfeer water aantrekken, en door oplossen en herkristalliseren compacte deeltjes vormen (zouten). Zijn ze hydrofoob (waterafstotend) dan blijven ze die luchtige structuur met kleine dichtheid behouden (roet) en vormen ze een zogenaamde condensatieaërosol. De condensatieaërosoldeeltjes hebben een grote geprojecteerde diameter, maar een zeer kleine dichtheid, en daardoor een aërodynamische diameter die veel kleiner is dan hun geprojecteerde diameter laat vermoeden.

Het is moeilijk om de totale fractie van zwevend stof op te vangen door de sterk toenemende traagheid van deeltjes in functie van de aërodynamische diameter. Deeltjes groter dan 10 µm a.d. worden met sterk wisselende rendementen opgevangen in functie van de opvangapparaten en de windsnelheid. Daarom is de afspraak gemaakt om op een genormeerde manier deeltjes groter dan 10 µm door voorafscheiders uit te sluiten. De fractie die dan opgevangen wordt, PM 10 genaamd, is de som van de secundaire deeltjes en de primaire deeltjes tot ca. 10 µm a.d. Om de secundaire deeltjes afzonderlijk op te vangen werd een analoge afscheider genormeerd voor deeltjes groter dan 2,5 µm a.d.

De plaats van afzetting in het ademhalingssysteem hangt af van de aërodynamische diameter.

Bij de definitie van de afsnijdkarakteristieken voor PM10 heeft men zich daarom laten leiden door de plaats van afzetting in het admehalingsstelsel. In de norm ISO 7708:19955 – Air quality – Particle size fraction definitions for the health related sampling – wordt de PM10 gedefinieerd als de thoracale fractie van het stof. De inadembare fractie omvat alle deeltjes kleiner dan 100 µm aërodynamische diameter. De fractie > PM10 wordt hoofdzakelijk afgezet in de bovenste luchtwegen. Dit afgezette stof wordt snel afgevoerd naar het spijsverteringsstelsel. Als het omgevingsstof stoffen bevat die afgebroken worden in het spijsverteringsstelsel dan moet het TSP (total suspended particles) meegerekend worden in de risico-evaluatie.