Biodrivstoff og helse

Transkript

1 Biodrivstoff og helse Folkehelseinstituttet har fått et oppdrag fra Miljødirektoratet (MDir) om å vurdere risiko for uønsket helseskade ved bruk av biodrivstoffblandinger. MDir ønsker spesielt å vite om det er framkommet ny kunnskap som tilsier at det er helsemessig uheldig å øke andelen av biodiesel i drivstoff fra 3,5 % av drivstoffet) til det nye kravet (5,5 %). Vi har utarbeidet et kortfattet notat, hvor vi oppsummerer ny litteratur, og hvordan vi vurderer dette. Hovedkonklusjoner: Til tross for at det er kommet flere nye studier, er kunnskapen om mulige uønskede helseeffekter ved bruk av biodrivstoff fremdeles mangelfull. Ved en økt biodiesel-innblanding fra 3,5 % til 5,5 % vurderer vi at de helsemessige konsekvensene trolig ikke er endret, og er tilsvarende som for fossil diesel. Ved en ytterligere økning av biodieselinnblandingen er mer forskning av mulige helseskader påkrevet. Dette gjelder både biodrivstofftype (inkludert andre generasjons biodiesel), forbrenningsforhold/teknologi, bruk av filter, hvilke helseeffekter som utløses, og eventuelle samvirkeeffekter på helseskader av biodrivstoff og fossil diesel. Det savnes flere studier med eksponering for total biodieseleksos versus fossil dieseleksos, og hvor total eksos sammenlignes med effekten av de tilsvarende eksospartiklene. Biodiesel og uønskede helseeffekter - kunnskapsstatus januar 2015 Vi henviser til tidligere rapport fra 2011 utarbeidet av Folkehelseinstituttet og MDir/Klif i fellesskap. Vi har nå supplert med ny litteratur om biodiesel og helse, som er referert på PubMed i perioden fra 2011 og til januar Studier fra 2010 og tidligere (se notat fra 2011) Humane studier Det forelå få publiserte studier om betydningen av utslipp fra biodieselmotorer for helsemessige effekter hos mennesker. I en studie av truckførere ble det rapportert luftveissymptomer hos førerne, men det var ikke forskjell på bruk av biodiesel og fossil diesel (Hasford et al.1997). En seinere studie av danske arbeidere i et biodieselanlegg ga ingen økt hyppighet av respiratoriske symptomer (Schlünssen et al., 2010). Dyrestudier Det var utført relativt få dyrestudier. I en studie av mus eksponert for biodieseleksos (B50 og B100) ble det konkludert med at biodiesel var mer helseskadelig enn fossil diesel. Biodiesel ga større endringer på hjerte-karparametre, og også på betennelsesreaksjoner i lunge og ellers i kroppen (Brito et al., 2010). Tzamkiozis et al. (2010) rapporterer derimot data som tyder på at drivstofftyper (biodiesel versus fossil diesel) har liten betydning for evnen til å gi betennelsesreaksjoner. Bruk av motorteknologi som oppfyller ulike EURO-krav hadde større betydning. Studier i cellekulturer Det var foretatt noen studier i cellekulturer, hvor eksos eller partikler dannet ved ulike innblandinger av biodiesel er sammenlignet med fossil diesel. Selv om disse cellekulturstudiene ikke kan overføres direkte til sykdomsutvikling/skader hos mennesker, er de nyttige for å kunne studere faktorer/ endepunkter som er viktige i sykdom-/skadeutviklingen. Eksempler på slike endepunkter er 1

2 betennelsesfaktorer og celledød som er viktige for utvikling av lunge- og hjerte-karsykdommer, samt genskader som er sentrale i kreftutvikling og arvelige skader. Cellekulturstudier er også nyttige til å sammenligne effekten av ulike partikler. Genskader. En rekke studier viste genskadelige (mutagene) effekter av alle typer dieseleksospartikler, men det synes å være noe mindre effekter av biodiesel (fra rapsolje) enn fossil diesel (Bünger et al., 2000, Swanson et al., 2007, Jalava et al.,2010, Krahl et al., 2010). Det var imidlertid også rapportert at biodiesel kan gi mer genskader enn fossil diesel (Bünger et al. 2007). Celleskade. Det var rapportert i cellekultursystemer at biodieseleksos (B100 fra rapsolje) ga mer celledød enn fossil diesel (Bünger et al., 2000), mens en finsk studie viste liten forskjell mellom biodiesel (B100) og fossil diesel (Jalava et al., 2010). Betennelsesresponser. Det er funnet at biodiesel (B50 og B100 fra rapsolje) kan gi økt (Swanson et al., 2009, Gerlofs-Niland et al., 2010), men også redusert (Jalava et al., 2010) frigjøring av betennelsesstoffer sammenlignet med fossil diesel. En forklaring kan være at ulike cellekultursystemer er brukt. Nye studier fra 2011 til 2015 Befolknings- og modelleringsstudier I en ny studie av Hutter et al. (2015) er det gjort en vurdering av hvordan innblanding (B10) eller bruk av ren biodiesel (B100) påvirker befolkningens helse. Ved å kombinere informasjon om komponenter i eksosen, dispersjonsmodeller og dose-responskurver for helseutfall bestemte forfatterne forventet dødelighet ved de 2 scenariene (B10 og B100). Eksos fra biodiesel hadde lavere masse av finpartikler (bare B100), men høyere nivå NO 2. Det var imidlertid lite endringer i B10-eksos. Totalt sett ser det ikke ut til at erstatning av fossil diesel med biodiesel vil ha noen stor effekt på befolkningens helse. Det kan være at en reduksjon av partikkelkonsentrasjonen og dermed en gunstig effekt på befolkningens helse blir oppveiet av de økte NO 2 -nivåene. Ut fra dette har forfatterne laget en hypotese om at bruk av biodiesel har liten eller ingen effekt på befolkningens helse. I en modelleringsstudie av Rouleau et al.2013 ble effekten av å erstatte D100 (ultra-lav svoveldiesel, USDL) med B5 og B20 i tungtransportkjøretøyer beregnet. Beregningene viser en liten bedring i luftkvaliteten; ved at CO, PM2,5, PM10 og VOC går litt ned, mens NO 2 -nivåene var uforandret eller gikk litt opp. Rapporten konkluderte med at innføring av biodiesel (B5 og B20) som erstatning for konvensjonell diesel (USLD, 100 %) synes å gi minimale endringer i den totale luftkvaliteten og også tilhørende helseeffekter. Det er uklart for oss om disse beregningene har tatt hensyn til ulikheter i toksisitet mellom D100, B5 og B20. Eksperimentelle studier Kliniske studier I en PhD-oppgave fra Umeå universitet (2014) har Jon Unosson studert «Acute cardiovascular effects of biofuel exhaust exposure». I denne oppgaven inngår to studier med biodiesel; en studie hvor friske frivillige ble eksponert i 1 time for eksos fra 30 % biodiesel (309 µg/m 3 ) og fossil diesel (314 µg/m 3 ), og en annen studie hvor friske frivillige ble eksponert 1 time for eksos av fossil diesel (310 µg/m 3 ) og eksos fra ren (100 %) biodiesel (165 µg/m 3 ). Disse siste eksosene var dannet ved samme betingelser for kjøring av motoren. Målinger av trombedannelse og vasomotoriske funksjoner etter eksponeringene viste at både fossil diesel og de to biodiesel-eksponeringene ga skadelige hjerte- og kareffekter og økt trombedannelse. Det var imidlertid ingen forskjell i kliniske effekter mellom fossil diesel og biodiesel, til tross for at det var store forskjeller i eksosinnhold. Dyreforsøk Kisin et al.(2014) har sammenlignet B50 med D100 ved tilsetning (pharyngealt) i dyreforsøk. B50 var mer potent enn D100 til å endre funksjon av sædceller, inkludert konsentrasjon, bevegelighet og morfologiske endringer. Dette gjaldt også evnen til å øke testosteronnivåene i testiklene. B50 ga også større DNA-fragmentering i sædcellene, og også høyere nivåer av inflammatoriske mediatorer i testiklene og serum. Det konkluderes med at B50 synes å påvirke reproduksjonsevnen i større grad enn D100. 2

3 Fukagawa et al. (2013) undersøkte eksospartikler med og uten biodiesel (soya)tilsetning (B20 versus B0). Målinger viste at bruk av B20 ga omtrent halvparten så stort utslipp i partikkelmasse og også mindre partikkelstørrelse (ultrafine) sammenlignet med B0. Ulike målinger tydet på at B20 ga høyere frigjøring av inflammasjonsmarkører og oksidativt stress i lungevæske enn B0 i en musemodell. Disse studiene ble også understøttet i cellekulturer. Effektene på cellemønsteret i lungeskyllevæsken var imidlertid ikke like klart. Arbeidet konkluderte med at bruk av B20 ga mindre partikkelutslipp enn B0, men ikke nødvendigvis reduserte helseeffekter. Shvedova et al. (2013) har undersøkt effekten av ulike konsentrasjoner (0, 50, 150, or 500 μg/m 3 ) med100 % biodiesel (B100) versus 100 % diesel (D100) i inhalasjonsforsøk med mus i 4 uker. Sammenlignet med D100 ga B100 økning i markører for oksidativt stress, celledød og inflammasjon i både lunge og lever. I en studie av Yanamala et al. (2013) tas det utgangspunkt i at biodiesel inneholder umettede fettsyrer, og hypotesen er at dette medfører en større evne til å gi helseskade pga oksidering av fettsyrene. Ulike doser av diesel (fra D100) og biodieselpartikler (B100) ble gitt til mus i 1, 7 og 28 døgn. Sammenlignet med dieselpartiklene ga biodieselpartikler høyere nivå for markører av betennelse og vevsskade i lungene. I tillegg ga biodieselpartiklene større økning i markører for oksidativt stress og redusert fjerning av partikler (clearance) sammenlignet med dieselpartikler. Det ble konkludert med at biodieselpartiklene var mer toksiske enn dieselpartiklene. Cellekulturer Det er gjort få studier med eksponering for total biodieseleksos og ikke bare eksospartikler. I en studie av Hawley et al ble eksos fra biodiesel sammenlignet med eksos fra fossil diesel, med og uten bruk av dieselpartikkelfilter, i en representativ modell av luftveisepitel (air liquid interface). Dataene tyder på at eksos fra biodiesel og filterbehandlet dieseleksos utløser tilsvarende eller større cellulær responser sammenlignet med eksos fra tradisjonell fossil diesel. Mullins et al 2014 har sammenlignet effekten av 100 % (D100) mineraldiesel (ultra-lav svoveldiesel, ULSD); 100 % biodiesel (B100) bestående av raps (canola) og en 20 % biodiesel (B20) blandet med ULSD. De fysikalsk-kjemiske egenskapene ble kartlagt og viste ulikheter i innhold av ulike gasser som CO, NO 2 og SO 2, samt partikler (størrelse, overflate). B20 og B100 ga omtrent like stor nedgang i viabiliteten som D100. Det finnes flere studier hvor biodiesel- og dieselpartikler er sammenlignet. En studie fra Hemmingsen et al sammenligner B20 (rapsolje) med B0 (fra både gamle og nye motorer (Euro2 og Euro4) i både epiteliale lungeceller, monocytter og endoteliale celler. Partiklene fra B20 var større, og like eller mindre potente enn B0, både med hensyn til ROS-dannelse, DNA-skade og syntese for cytokiner som CCL2 og IL-8. I en studie av Jalava et al.2012, ble partikkelutslippene fra Euro4 tungtransportkjøretøyer og de tilhørende effektene sammenlignet ved bruk av ulike drivstoffer; fossil diesel (EN590), og biodiesel; rapsmetylester (RME) og «hydrogenerert vegetabil olje» (HVO), enten 100 % eller som 30 % blandinger med EN590. Studien involverte også bruk av katalysatorer. Resultatene viste at HVO (100 %) reduserte partikkelutslippet, mens RME økte utslippet noe sammenlignet med E590. Disse eksospartiklene ble sammenlignet i en cellemodell. Blandingene med 30 % biodiesel (RME og HVO) viste små eller ingen endringer av celledød, oksidativt stress og frigjøring av betennelsesmediatorer sammenlignet med utslipp fra fossil diesel. I en studie av Bhavaraju et al ble partikler ( µg/ml) fra en biodieselblanding (B20) sammenlignet med lav-svovel dieselpartikler (D100) i nyisolerte makrofager fra rotte. B20 var mer potente enn D100 med hensyn til å indusere frigjøring av betennelsesmediatorer. I en studie av Gerlofs-Nijland et al. (2013), som Folkehelseinstituttet også var med på, ble partikkelutslipp fra fossil diesel (B0) sammenlignet med partikkelutslippene fra en 50 % biodieselblanding (B50) med og uten bruk av partikkelfilter. Bruk av B50 reduserte partikkelutslippet med ca 50 %, men økte celledød og frigjøring av betennelsesmediatorer i lungecellekulturer. Partiklenes oksidative potensial ble derimot lite påvirket eller redusert for B50 sammenlignet med B0. Reduksjonen av partikkelmassen ved bruk av B50 vil altså ikke nødvendigvis føre til reduksjon av helsefare av utslippet. 3

4 Andre studier I en studie av Pourkhesalian et al. (2014) ble utslipp fra 4 forskjellige biodieseler testet og nanopartikler analysert mht. kjemisk sammensetning og damptrykk, samt nivå av reaktive oksygenforbindelser. Disse 4 biodieselene ble undersøkt med forskjellige blandingsforhold (B20, B50 og B100). I studien ble det konkludert med at drivstoff med kortere og mer mettede karbonkjeder ga utslipp med lavere partikkelmasse, men partiklene var mer flyktige og hadde høyere nivå av reaktive oksygenforbindelser. Betydningen av å inkludere andre parametere enn partikkelmasse i vurdering av utslipp fra nye drivstofftyper ble understreket. I en studie av Westphal et al. (2013) sammenlignes ulike nye typer biodiesel «hydrogenerert vegatabilsk olje» (HVO), en olje fra raps (RME) og «jatropha metyl ester, JME» og fossil diesel (DF) med henblikk på utslipp og evne til å gi mutagenitet. Partikler ble samlet inn etter forbrenning i et Euro III tungtransport dieselkjøretøy, og analysert for partikkelstørrelse, antall, kjemisk sammensetning (karbonyler, PAH) og mutagenitet i bakterier. Forbrenning av RME og JME ga lavere partikkelutslipp enn DF og HVO, med et partikkelantall som var 10 x lavere i RME og JME. Utslippet av NOx for RME og JME overskred grenseverdier som er fastsatt i EURO III-krav, mens HVO ga minst slike utslipp. RME ga lavest nivåer av hydrokarboner og karbonmonoksyd (CO). Formaldehyd, acetaldehyd og akrolein ble funnet i alle drivstofftypene. PAH-utslipp og mutagenitet var lavt i alle eksosutslippene, men lavest PAH-utslipp og mutagenitet ble funnet med HVO. Det konkluderes med at HVO synes mest gunstig. Kisin et al. (2013) har undersøkt det mutagene potensialet av 100 % fossil diesel (ULSD), 100 % biodiesel (rapsolje) og en blanding av disse to (B50). Partikler ble samlet opp, og ekstrakter av disse ble testet for mutagenitet ved Ames-test i bakterier. Resultatene viste at mutageniteten var påvirket av drivstofftype, men også av motorbetingelsene. B50 og B100 økte mutageniteten både under lett og tung belastning av motoren, mens D100 ga bare effekter under lett belastning. Bruk av katalysator reduserte mutageniteten av B50 og B100, men ikke av D100. Ved tung belastning reduserte katalysatoren mutageniteten av B50, men ikke av B100 og D100. Mer forskning kreves imidlertid vedrørende effekter av katalysator og andre måter eksosen behandles på. Oversiktsartikler Bünger et al. (2012) har utgitt et review hvor utslipp av eksos og toksisiteten av biodiesel produsert fra vegetabilsk olje FAME (fatty acid methyl esters) er sammenlignet med eksos fra konvensjonell diesel (DF). Denne artikkelen gir et sammendrag av litteraturen, og inkluderer også effekten av ulike biodieselblandinger (B5,B10, B20, B30 og B50). Totalt 62 publikasjoner med kjemisk karakterisering ble identifisert, og 18 toksikologiske in vitro-studier. I tillegg ble et svært lite antall humane studier og eksperimentelle studier i dyr omtalt. I de fleste studiene ga forbrenning av biodiesel (B100) reduksjon i nivåene av CO, hydrokarboner og partikler, mens NOx ble økt. Videre ble utslippet av aldehyder økt, mens utslippet av PAH ble redusert. For B5 synes det å være små, om noen, endringer i utslippet av CO, hydrokarboner, NOx og PM2,5. For B10, B20 og B30 er det indikasjoner på at utslipp av PM2,5, CO og hydrokarboner er redusert. I nyere studier synes utslippene mindre, antagelig pga forbedret motorteknologi. De fleste in vitro-studiene viser større cytotoksisitet av eksos fra biodiesel (ved samme masse), og dyreforsøkene viser en mer irriterende effekt. Begge funnene foreslår forfatteren at kan relateres til høyere nivåer av NOx og aldehyder i biodieseleksos. Lave nivåer av PAH reflekteres også i svakere mutagenitet sammenlignet med dieseleksos. Nylige funn viser en svært lav mutagenitet for ren dieseleksos også, muligens pga fjerning av svovel i nyere dieseltyper og ny forbrenningsteknologi. Det oppsummeres også at det er ulikheter ved bruk av ulike kilder for biodiesel. Bruk av «hydrogenert vegetabilsk olje, HVO» synes mest lovende ved å gi lav mutagenitet. Vår vurdering av de eksisterende data og av dagens situasjon I befolkningsstudier er nærhet til trafikk vist å være forbundet med økt forekomst av sykelighet og dødelighet. Dette gjelder ved økning i forurensning både over kort og lang tid. I disse studiene skyldes de økte forurensningsnivåene i stor grad utslipp fra lette og tunge dieseldrevne kjøretøy. I eksperimentelle studier både på dyr og mennesker er det videre vist at dieseleksos/dieseleksospartikler har et helseskadelig potensial. Dette understøttes videre av studier i ulike cellekultursystemer. Samlet 4

5 tyder dette på at dieseleksos har et betydelig skadepotensial. En kompliserende, men gunstig faktor, er at ny motorteknologi synes å redusere de helseskadelige effektene av dieseleksponering. Det er nå foretatt forholdvis mange studier av biodiesel, og ulike blandinger av biodiesel med konvensjonell fossil diesel. De fleste av disse studiene er utført i cellekulturmodeller, mens færre dyrestudier er foretatt. I vår gjennomgang har vi bare funnet 1-2 humane kliniske studier. En ulempe med de fleste av studiene i cellekulturmodeller er at de ofte begrenser seg til undersøkelse av partikler, og ikke den komplette eksosen fra biodiesel og biodieselblandinger. I de humane studiene og dyrestudiene eksponeres det derimot som oftest for eksos, og ikke bare partikler. Disse siste studiene vil derfor i større grad reflektere den reelle eksponeringen, og bør tillegges størst vekt. Den eksisterende litteraturen tyder på at forbrenning av biodiesel gir noe lavere nivåer av PM2,5, hydrokarboner og karbonmonoksid, mens nitrogenoksider (NOx) øker noe. Dette er mest klart hvis en sammenligner 100 % biodiesel (B100) og 100 % fossilt diesel (D100). Betydningen av å bruke forskjellige innblandinger av biodiesel er også blitt undersøkt både for hvordan dette påvirker utslippet av partikler (PM2,5), karbonmonoksid (CO), hydrokarboner (HC), og NOx, samt polysykliske hydrokarbon (PAH)-forbindelser og ulike VOC. Disse dataene er mer usikre, men en oppsummering fra 2012 mener å vise en trend til en progressiv reduksjon i utslippene av PM2,5, CO og HC fram til en innblandingsprosent på 30 % (B30). For B5 synes det å være ingen eller svært liten reduksjon. For NOx var det liten eller ingen effekt for biodieselblandingene. Utslippet av de fleste PAH-forbindelser synes også lavere i B100 enn D100, og med økende trend til reduksjon ved høyere biodieselinnblanding. Spredningen er imidlertid stor i datamaterialet, så dette bør bare tolkes som mulige trender og bør nok verifiseres i nyere studier. Biodieselpartikler synes i de flest studier å være noe mindre i størrelse enn dieselpartikler. Vedrørende helseeffekter er det utført studier av den relative potensen av biodiesel- og dieselpartikler i ulike cellekulturmodeller. Samlet sett synes biodieselpartiklene med en innblanding over 20 % å være noe mer potente enn fossile dieselpartikler, ved sammenligning av lik masse. Dette kan antagelig tilskrives større relativ overflate på partiklene. I disse studiene er det målt på celledød og økning i betennelsesmediatorer (cytokiner). Effekten av biodieselpartikler til å gi mutasjoner er mest studert i bakterielle systemer. Disse viser en noe lavere mutagenitet for biodieselpartikler enn partikler fra fossil diesel. Dette kan muligens skyldes lavere innhold av PAHer i biodiesel. Dyrestudiene viser at partikler fra biodieselutslipp med innblanding på 20 % og høyere ga mer betennelse, celledød og oksidativt stress enn tilsvarende masse av fossile dieselpartikler. De humane kliniske studiene viste derimot ingen forskjell i helserelaterte effekter mellom utslipp fra biodiesel (B30 og B100) og fossilt diesel. De fleste eksperimentelle studiene har omhandlet helseeffekter av partikler i eksosutslippet, og dette er gjort ved samme masse for biodiesel og fossilt diesel. Partikkelutslippet fra biodiesel synes noe lavere enn for fossilt diesel, som ikke blir tatt hensyn til i en slik sammenligning. Det blir heller ikke tatt hensyn til andre komponenter i utslippet enn partikler. Det er fremdeles usikkert om det lavere partikkelutslippet kompenserer for at biodieselpartikler kan være mer potente. I den humane studien, som ikke viser forskjellig helseutfall, er personer eksponert for eksosutslipp fra biodiesel (B30 og B100) og fossilt diesel under sammenlignbare driftsforhold av motor. I en ny studie (2015) er det laget to scenarier for bruk av biodiesel (B10 og B100) versus fossilt diesel. Forfatterne konkluderer med at erstatning av fossil diesel med biodiesel synes å ha liten eller ingen effekt på befolkningens helse. Etter vår vurdering synes ikke de foreliggende studiene å indikere noen forskjeller på helserelaterte effekter mellom fossilt diesel og biodiesel når innblandingen ligger under 10 %. Dette gjelder muligens også ved høyere innblandinger, men her kreves ytterligere forsøk. Manglende studier gjelder spesielt effekter på mennesker og dyr for total eksosutslipp ved sammenlignbare driftsforhold ved bruk av ulike typer diesel. Den store variasjonen i forskjellige typer biodiesel og motorteknologi bør også studeres nærmere. 5