Histomorphologische und elementanalytische Charakterisierung der Schweißerlunge

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1 Aus dem Institut für Pathologie der Berufsgenossenschaftlichen Kliniken Bergmannsheil -Universitätsklinikder Ruhr-Universität Bochum Direktor: Prof. Dr. med. K.-M. Müller Histomorphologische und elementanalytische Charakterisierung der Schweißerlunge Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin einer Hohen Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum vorgelegt von Tanja Szymanski aus Bad Arolsen 2000

2 Für meine Eltern in Dankbarkeit

3 Dekan : Referent : Prof. Dr. K. Morgenroth Prof. Dr. K.-M. Müller Korreferent : Tag der mündlichen Prüfung :

4 Gliederung Seite 1 Gliederung 1. Einleitung und Problemstellung Literaturübersicht Morphologie Klinik Radiologische Befunde Lungenfunktionsveränderungen bei Schweißern Arbeitsmedizinische Aspekte Histologische Befunde Krankheitswert und klinische Befunde Ziel der Untersuchung Methoden der Schweißtechnik Schadstoffe im Schweißrauch Schweißrauche Einatembarer Anteil Alveolengängiger Anteil Ultrafeine Partikel Reaktionsmuster auf Schadstoffe Lungenbelastende inerte Stoffe Toxische Stoffe Krebserzeugende (kanzerogene) Stoffe Freisetzung von Schadstoffen Gasförmige Schadstoffe Partikelförmige Schadstoffe Einflußfaktoren Zusammenfassender Überblick der möglichen Gesundheitsschäden durch Schadstoffe aus dem Schweißrauch Pathogenese der idiopathischen Hämochromatose Pathogenese der Pneumokoniosen...43

5 Gliederung Seite 2 7. Differentialdiagnose der Sideroelastose Sideroelastose der Pulmonalgefäße nach Schweißrauchexposition Interpretation der Ergebnisse Fazit Material und Methode Material Methode Elektronenmikroskopie Rasterelektronenmikroskopie und Vorbereitung der Proben Prinzip der EDX Filteraufbereitung Ergebnisse Lichtmikroskopische Befunde Rasterelektronenmikroskopische Befunde Zusammenfassung der rasterelektronenmikroskopischen Befunde Patienten mit einer Sideropneumokoniose entsprechend dem mikroskopischen Stadium I Patienten mit einer Sideropneumokoniose entsprechend dem mikroskopischen Stadium II Patienten mit einer Sideropneumokoniose enrsprechend dem mikroskopischen Stadium III Korrelation zwischen Schadstoffspeicherung und der Stadienausprägung Organbeteiligungen beim Vorliegen einer Sideropneumokoniose Extrembefunde einzelner Patienten mit massiver Schweißrauchexposition unter ungünstigen Bedingungen Einzelne Mikrofotogramme im Vergleich Elementanalyse und mikroskopische Bilddarstellung einer idiopathischen Hämochromatose Untersuchungsergebnisse bei einer Sideroelastose der Pulmonalgefäße nach Schweißrauchexposition Lichtmikroskopische Befunde Rasterelektronenmikroskopische Befunde EDX Filteranalysen eines Schweißers Filteranalysen eines Nichtschweißers Diskussion Gutartige Lungenveränderungen durch Schweißrauche...116

6 Gliederung Seite Entwicklung von Pneumokoniosen durch Schweißrauche Bessere Diagnostik der Schweißerlunge durch erweiterte apparative Technik Ergebnisse mit der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse (EDX) Eigene Ergebnisse Einteilung der Befunde in Schweregrade Zusammensetzung des Schweißrauches und Ablagerungen in der Lunge Abgrenzung zu anderen Eisenanreicherungen in der Lunge Differentialdiagnose zur idiopathischen Hämochromatose Expositionsdauer bis zur fibrotischen Veränderung der Lunge Intrakorporaler Transport Versicherungsmedizinische Aspekte Zusammenfassung Literatur Abkürzungsverzeichnis: Zusammenstellung des für die Arbeit verwandten Untersuchungsgutes Lebenslauf...150

7 Einleitung und Problemstellung Seite 4 1. Einleitung und Problemstellung Das Schweißen von Metallteilen wurde gegen Ende des 19. Jahrhunderts in der Industrie eingeführt und ist seitdem eine weit verbreitete Methode zur Herstellung von unlösbaren Verbindungen. Über röntgenologisch nachweisbare Lungenveränderungen bei Schweißern wurde erstmals 1934 berichtet, nachdem vorher unter dem Namen des Metallrauchfiebers Symptome wie Fieber, Schüttelfrost und allgemeines Unwohlsein bei Schweißern beschrieben worden sind, die auf die Inhalation der Nitrosegase als Reaktion folgten (Koelsch, 1941) sind zum ersten Mal histomorphologische Lungenveränderungen bei einem Obduktionsfall aufgefallen. Im gesamten Lungengewebe konnten fein verteilte Eisenablagerungen im interstitiellen, peribronchialen und perivasalen Bindegewebe ohne erhebliche Fibrosierung nachgewiesen werden (Enzer u. Sander, 1938). Nach dem damaligen Kenntnisstand handelt es sich bei der Schweißerlunge (Synonym: Eisenstaublunge, Schweißersiderose, Lungensiderose, benigne Pneumo-koniose) um eine Lungensiderose infolge exogener Eisenablagerungen mit geringer fibrogener Wirkung. Die klinischen und histopathologischen Beobachtungen führten dazu, daß die Schweißerlunge als eine gutartige Pneumokoniose ohne Progredienz aufgefaßt wurde (Enzer u. Sander, 1938; Worth, 1954). Röntgenologisch zeigte sich in vorgeschrittenen Phasen eine verdichtete, diffuse netz- und knötchenförmige Verschattung der Lunge ohne Ballungstendenz (Doig u. Mc Laughlin,1936). Neuere Untersuchungen belegen jedoch, daß die Pneumokoniosen bei den Schweißern progredient verlaufen und mit Einschränkungen der Lungenfunktion einhergehen können (Stanulla u. Liebetrau, 1984). Infolge der Schweißrauch-Einwirkung kann es bei Schweißern zu verschiedenen akuten und chronischen Bronchial- und Lungenerkrankungen kommen (Emmerling u. Zschiesche, 1986; Stern et al., 1986; NIOSH, 1988; Sferlazza u. Beckett, 1991; Zober, 1991; Guidotti et al., 1992; Sjögren, 1994; Rösler u. Woitowitz, 1995 u. 1999). In der internationalen Literatur werden unterschiedliche Atemwegs- und Lungenerkrankungen bzw. Lungenfunktionsstörungen nach inhalativer Belastung durch Dämpfe, Gase, Rauche und Stäube beim Schweißen beschrieben.

8 Einleitung und Problemstellung Seite 5 Akut: Chronisch: Akute Reizgasvergiftung allerg. obstruktive Atemwegserkrankung chem. Pneumonitis chem.-irritative/toxische Atemwegserkrankung Lobärpneumonie chron. Bronchitis Metallrauchfieber chronische Lungenfunktionseinschränkung Hypersensitivitätspneumonie Reversible Lungenfunktionsstörungen Pneumokoniose: -Lungensiderosen -Lungenfibrosen -Lungen-Carcinom Abb. 1: Akute und chronische Atemwegs- und Lungenkrankheiten, die im Schrifttum im Zusammenhang mit Schweißrauch-Exposition diskutiert werden (Sferlazza u. Beckett, 1991 und Coggon et al., 1994).

9 Einleitung und Problemstellung Seite 6 Die unspezifisch bronchiale Hyperreagibilität und die obstruktiven Atemwegserkrankungen sind häufig auch ohne eine berufliche Einwirkung von inhalativen Gasen oder Reizen in der Bevölkerung vertreten. Dies ist zum Beispiel gegeben bei Hustenreiz durch die Einwirkung von Stäuben, Zigarettenrauch, Autoabgasen und sonstigen Rauchen. Durch die länger andauernde, intensive Exposition von chemisch-irritativen und/oder toxischen Schweißrauch-Bestandteilen über mehrere Jahre, meist 8-10 Stunden pro Tag, ist aber die Wirkung der Schweiß-Rauche als eine wesentliche Teilursache bei der Entstehung der obstruktiven Atemwegserkrankungen anzusehen (ZH 1/223, 1998). Für die Beurteilung und quantitative Einschätzung von Schweißrauch-Bestandteilen sind die Art der durchgeführten Schweißverfahren, die verwendeten Grund- und Zusatzwerkstoffe sowie die Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. Schweißrauche enthalten eine komplexe Mischung einer Vielzahl von Gasen (Eisen-, Mangan-, Silicium-, Alumimium-, Blei-, Nickel-, Stickstoff-, Kohlenstoffoxide, Ozon, Chlorkohlenwasserstoff) und feinsten Partikeln. Aufgrund der sehr kleinen Teilchengröße im Bereich von 0,1-0,4 µm gelangt der größte Anteil der Schweißrauch-Bestandteile in den Alveolarbereich (Grothe, 1985), da die Lungenfreßzellen nur Einzelpartikel bis zu einer Größe von ca. 5µm phagozytieren und über das Bronchialsysten eliminieren. Bei einer Spontanatmung werden 60-80% der Partikel wieder ausgeatmet. Nicht lösliche Partikel können demnach den Alveolarbereich, in dem der Gasaustausch stattfindet, in der Regel nur erreichen, wenn ihr Durchmesser kleiner als 5 µm ist. Durch eine zu hohe Staubbelastung des Alveolarraums werden die Fremdkörperinkorporationen einerseits begünstigt und andererseits die Eliminationskapazität überschritten (Köhler und Vastic, 1991; Fisseler-Eckhoff, 1993 in Müller, 1996). Unter Berücksichtigung dieser Vorgänge gehört die Gruppe der Vollzeit-Schweißer, die unter arbeitshygienisch unzureichenden Expositionsbedingungen tätig ist (insbesondere enge Räume, fehlende Absaugung der Schweißrauche an der Entstehungsstelle) einer bestimmten Personengruppe an, die durch ihre Arbeit in erheblich höherem Grade als die übrige Bevölkerung besonderen Einwirkungen ausgesetzt ist. Die täglich erhöhten Expositionen gesundheitsschädlicher Substanzen am Arbeitsplatz führen zu einer steten Aufnahme von Fremdstoffen in der Lunge.

10 Einleitung und Problemstellung Seite 7 Es wird ein Übergang vom klassischen Bild der Lungensiderose mit keinen oder geringen Lungenfunktionsstörungen zu einer gemischten Lungenfibrose mit ernstem Krankheitswert in Einzelfällen besonders hochexponierter Schweißer beobachtet. Als Ursachen werden in der Literatur ein komplexes Schädigungsmuster verschiedener Gefahrstoffe diskutiert, vor allem Eisenoxid in Verbindung mit der Einwirkung von toxischen Gasen, insbesondere Nitrosegasen (NO 2, NO x ) und Ozon. Durch hohe Belastungen bei Schweißern unter ungünstigen Bedingungen entstehen kombinierte Effekte verschiedener metallischer und nicht-metallischer Schweißrauch- Komponenten zusammen mit irritativ wirksamen Gasen wie Stickstoffoxiden und Ozon mit fibrotischen Reaktionen als Resultat eines komplexen Schädigungsmusters. Abb. 2 : Interaktion Schweißrauch - Makrophage - Fibroblasten - Fibrose (modifiziert nach Müller, 4/1996).

11 Einleitung und Problemstellung Seite 8 Die Aufnahme in Makrophagen führt zu einer Freisetzung von fibroblastenstimulierenden Wachstumsfaktoren und von Entzündungsmediatoren. Die Partikel können bis zur Nekrose der Makrophagen führen. Da die Lunge im Alltag aber auch einer Exposition gegenüber anderen Metallstäuben, Umweltgasen, verschiedenen Werkstoffen und weiteren inhalativen Risikofaktoren wie Zigarettenrauch ausgesetzt ist, wird eine eindeutige Charakterisierung der Schweißerlunge erschwert. Von wesentlicher Bedeutung für die Bestimmung der Ursachen des Krankheitsbildes sind daher die Art und Weise sowie die Dauer der Exposition (keine Schutzmasken getragen, Arbeiten in besonders kleinen Räumen, verwendete Schweißelektroden, Tätigkeit als Schweißer kontinuierlich über mehrere Jahre ausgeübt). Sidero-Pneumokoniosen treten nach bisherigen Erkenntnissen nach Arbeitszeiten von mindestens fünf Jahren, meist jedoch erst nach 1-3 Jahrzehnten auf. Der Schweregrad korreliert nicht mit der Anzahl der Berufsjahre (Steurich u. Feyerabend, 1997).

12 Einleitung und Problemstellung Seite Literaturübersicht Morphologie Es besteht die Auffassung, die Aufnahme der Fremdstoffpartikel in die Alveolarmakrophagen mit Aktivierung führe zu einer Freisetzung von fibroblastenstimulierenden Wachstumsfaktoren und von Entzündungsmediatoren (s. Abb. 2). Bereits lichtmikroskopisch seien Makrophagen mit eisenpositiven Pigmenten zu erkennen. Dies führe zur reaktiven Fibrosierung im Bereich der Fremdstoffpartikelspeicherung bis zu vernarbenden Bindegewebsproliferaten. In Extremfällen komme es durch die Fibrosierung zu einer chronischen, mit einem Substanzverlust einhergehenden Überdehnung des umgebenden Lungengewebes mit Parenchymumbau. Die Partikel würden in den Makrophagen gespeichert oder frei im Interstitium vorliegen. Wenn sie in der Nähe eines Gefäßes liegen, komme es durch die Fibrosierung der Partikel zu einer Gefäßbeteiligung. Die Einmauerung von Blutgefäßen führe zu Perfusionsstörungen, im Extremfall zu pulmonalem Bluthochdruck und zur Entwicklung einer chronischen Rechtsherzbelastung (Müller, 1996). Die Auffassung, die Schweißerlunge sei als gutartige Pneumokoniose zu betrachten, wird durch eine Arbeit (Enzer u. Sander, 1938) begründet, in der ähnliche Befunde an zehn Arbeitern gegeben sind, sowie einen Obduktionsbericht, in dem von reichlich fein verteilten Eisenablagerungen, insbesondere im interstiellen, peribronchialen und perivaskulären Bindegewebe, berichtet wird. Die Ablagerungen seien als eine harmlose Speicherung anzusehen, die weder eine funktionelle Verschlechterung noch eine Fibrose bewirkten. Nach früheren experimentellen Untersuchungen von Stacy et al. (1959) wird Eisenphosphat als inert angesehen und soll aus klinischer Sicht am Lungengewebe keine Fibrose verursachen. So untersuchten Verhagen u. Morgenroth (1981) ein Kollektiv von sieben Patienten und fanden eine durch unterschiedliche anorganische Elemente verursachte Fibrose. Aufgrund der Ergebnisse ihrer lichtmikroskopischen und rasterelektronen-mikroskopischen Untersuchungen kamen sie zu der Auffassung, daß eine erhöhte Schweißrauch-Exposition als restriktives Krankheitsgeschehen der Lunge anzusehen sei, dieses bestätige die heutige Sichtweise.

13 Einleitung und Problemstellung Seite 10 Aus dem Schweißrauch stammende eisenhaltige Fremdstoffablagerungen lassen sich lichtmikroskopisch unter Zuhilfenahme der Berliner-Blau-Reaktion als ein stark blaues bis blau-schwarzes Pigment belegen. Bei der Hämotoxylin-Eosin-Färbung lassen sich dagegen schwarze Fremdpartikel darstellen, diese scheinen zu Eisenoxid zu passen Klinik Unter Berücksichtigung der klinischen Symptomatik erscheint es durchaus sinnvoll, verschiedene Schweregrade einer Sidero-Pneumokoniose zu unterscheiden. Ordnet man die im Schrifttum mitgeteilten klinischen Befunde unter Berücksichtigung der zitierten Ausfallerscheinungen verschiedener Schweregrade zu, so ergibt sich für: Grad I Klinische Studien von Hollmann (1937) und Molfino (1939) bekräftigten die ausgesprochene Gutartigkeit dieser Lungenveränderungen. Grad II Westhofen (1934) zeigte in einer Studie, daß viele der von ihm untersuchten 146 Schweißer wiederholt an Erkältungen und entzündlichen Veränderungen der oberen Luftwege litten. Als Grund dafür wurde die Reizung durch Metalldämpfe und die plötzlichen Temperaturwechsel, denen die der Schweißer bei ihrer Arbeit ausgesetzt sind, angegeben. Koelsch (1941) führte Untersuchungen an 40 Schweißern in einem Hüttenwerk durch. Klinisch fiel eine erhöhte Bronchitisrate auf. In einer Gruppe mit leichtgradigen Staubablagerungen wurden als Beschwerden vor allem morgendlicher Husten und bräunlicher Auswurf angegeben, bei sonstigem Empfinden völliger Gesundheit. Die Sputumuntersuchungen bei einem Schweißer mit erheblichen Staubablagerungen in der Lunge, erbrachten eine positive Berliner-Blau-Reaktion und den Nachweis elastischer Fasern. Koelsch sah die Ursache der Lungenverstaubung, nach Ausschluß anderer Faktoren, in der Einatmung von Schweißdämpfen bzw. feinsten Eisenoxidteilchen. Er beschrieb das Krankheitsbild der Eisenlunge (Siderose) als eine gutartige Lungenveränderung ohne charakteristische Verschwielung.

14 Einleitung und Problemstellung Seite 11 Sevcik et al. (1960) zeigten in ihrer Arbeit, daß subjektive Beschwerden der Arbeiter, wie Husten und Auswurf am Morgen durch objektive Befunde, wie häufige Entzündungen der oberen Atemwege und chronischen Bronchitiden bekräftigt werden. Somit wird deutlich, daß die Einwirkung von Schweißrauchen, die bei den Schweißarbeiten entstehen, eine starke inhalative Belastung der Lunge bedingen können und obstruktive Atemwegserkrankungen häufiger auftreten durch Reizung des Bronchialsystems mit den Auswirkungen einer unspezifischen bronchialen Hyperreagibilität und Lungenüberblähung. Grad III Die beim Schweißen von galvanisierten Metallen auftretenden Symptome, wie vorübergehendes Unwohlsein, Fieber und Schüttelfrost wurden bereits von Drinker et al. (1927) als Metallrauchfieber bezeichnet. Charr berichtete 1953, daß Lungenveränderungen bei Schweißern im allgemeinen nicht schwerwiegend waren, das Auftreten einer ernsthaften Siderose bei Schweißern selten war, aber doch vorkommt. Bei den schwerwiegenden Fällen konnten Schweißer ihrer Tätigkeit aufgrund der Fibrose nicht mehr nachkommen. Es wurden Überlegungen dahingehend angestellt, daß die Siderose nicht durch den Eisenoxidstaub, sondern eher von der Inhalation des Schweißrauches herrührten, der aus der Ummantelung der verwendeten Schweißelektroden aufstieg, von denen sich möglicherweise krankheitserregende Substanzen ablösen konnten. Durch eine jahrelange Exposition von Schweißrauchen konnte eine chronische fibröse Reaktion im interstitiellen Lungengewebe ablaufen. Desweiteren war bemerkenswert, daß ein Fortschreiten der Lungensiderose bei Unterlassen der Tätigkeit in einigen Fällen sistiert (Worth, 1979; Zober, 1982) Radiologische Befunde Doig und McLaughlin (1934) machten als Erste Beobachtungen über radiologisch sichtbare Lungenveränderungen bei Schweißern. Es wurden 16 Elektroschweißer untersucht. Sechs von ihnen zeigten im Röntgenbild eine allgemeine feine Fleckelung über beiden Lungenfeldern. Die Schatten waren unregelmäßig in Größe und Form, sie hatten weiche

15 Einleitung und Problemstellung Seite 12 Begrenzungen. Drei Patienten bildeten eine verdächtige Gruppe mit zarten radiologischen Verschleierungen durch ganz feine Stippchenschatten, die über eine begrenzte Fläche anzutreffen waren. Bei den restlichen Patienten dominierten verschiedene Grade einer Verbreiterung der Bronchialschatten. Es war kein Schweißer dabei, der einen normalen Befund hatte. Doig und McLaughlin (1934) fanden keine eindeutige Ursache für die von ihnen beschriebenen auffälligen Lungenbilder, nahmen aber an, daß Ablagerungen aus Eisenoxid in der Lunge für die Undurchlässigkeit der Röntgenstrahlen verantwortlich seien. Ihren Ergebnissen stellten sie die bis dahin erschienenen Veröffentlichungen, die sich mit Gesundheitsschäden bei Schweißern beschäftigten, voran. Darin wurde aufgeführt: Im Zusammenhang mit der Freisetzung von Nitrosegasen beim Schweißen stellten Adler- Herzmark (1929), Bridge (1934), Williman (1934) und Titus et al. (1934) Lungenödeme bei Schweißern fest. Doig und McLaughlin führten 1948 eine Wiederholungsuntersuchung ihrer Ergebnisse aus dem Jahre 1934 durch, wobei sie keine Verschlechterung der Zustände der gleichen Patienten fanden, sondern es wurden im Gegenteil über Besserungen bzw. ein Verschwinden der röntgenologischen Erscheinungen bei zwei Schweißern berichtet, die allerdings in einem Fall einer verminderten und im anderen Fall überhaupt keiner Schweißrauchexposition mehr ausgesetzt waren. Somit wurde die Siderose der Elektroschweißer als benigne Pneumokoniose ein weiteres Mal bestätigt. Röntgenologisch waren vermehrte Zeichnung im Interstitium mit zum Teil knötchenartigen Herden nachweisbar, jedoch ohne schwerwiegende Störungen der Lungenfunktionsprüfung. Sevcik et al. (1960) fanden darüber hinaus Pneumokoniosen verschiedener Ausprägungsgrade Frühere röntgenologische Stadieneinteilung 1966 untersuchten Luccioni et al. 163 Elektroschweißer. Bei einer Lungenbiopsie sahen sie eine peribronchioläre und perivaskuläre Anhäufung von anthrakotischem und siderotischem Pigment. Subpleural in der Höhe von Interlobulärsepten zeigten sich fibröse Verdickungen um Gefäße. Außerdem war ein perifokales Emphysem vorhanden. Die Veränderungen der Lungen bei den Elektroschweißern konnte man in drei Röntgenstadien einteilen:

16 Einleitung und Problemstellung Seite Veränderungen banal und wenig charakteristisch. 2. Charakteristisch durch retikuläre Granulationen an den Hili, die verdickt und undurchsichtig sind und in die unteren Partien der Lunge ausstrahlen. Im unteren Lungendrittel treten Mikroknötchen auf. 3. Bild einer eisenhaltigen Miliaris. Es handelt sich um eine Aussaat von 1-4mm großen Knötchen, die unregelmäßig und sternförmig oder gewunden erscheinen und nur selten abgerundet sind. Sie stehen im perihilärem Abschnitt dichter, Basen und Spitzen sind weniger befallen. Eine Bestätigung der Ergebnisse, daß die Schweißerlunge als ein berufsbedingtes Krankheitsgeschehen anzusehen war, folgte durch die Veröffentlichung über Elektroschweißer im Jahre 1978 von Attfield und Ross. Es wurden Röntgenbilder von 661 britischen Elektroschweißern drei unabhängig voneinander beurteilenden Fachleuten vorgelegt, wobei als Ergebnis ein klarer Zusammenhang zwischen den kleinen rundlichen Verschattungen und der Dauer der Berufstätigkeit als Schweißer bestätigt wurde Lungenfunktionsveränderungen bei Schweißern Im Jahr 1955 veröffentlichte Charr einen Bericht über pulmonale Veränderungen bei Schweißern. Es wurden drei Männer mit pathologischen Lungenfunktionsproben gefunden, bei denen die respiratorische Insuffizienz bis zur Ruhedyspnoe ausgebildet war. In zwei der drei Fälle konnte eine Lungenprobe gewonnen und nach histologischen Untersuchungen der Verdacht einer ausgeprägten Lungenfibrose bestätigt werden. In den folgenden Jahren sind wiederholt Untersuchungen bei Werftarbeitern durchgeführt worden, die häufiger unter unzureichend belüfteten Umgebungen Schweißarbeiten ausgeführt hatten. Die Befunde zeigten, daß Lungenfunktions-einschränkungen und obstruktive Ventilationsstörungen bei diesen Personengruppen häufiger auftraten als bei Schweißern, die im Freien arbeiteten. Langzeiteinwirkungen durch Schweißrauche und - gase verursachten insbesondere periphere Strömungsbehinderungen der kleinen Atemwege fanden Hjortsberg et al. (1992). Erst nach vielen Jahren einer Schweißrauchexposition

17 Einleitung und Problemstellung Seite 14 entwickelte sich eine obstruktiv-restriktive Ventilationsstörung, die dann mit einer Änderung der Lungenfunktionsparameter einherging (Rösler et al., 1995). Selten wurden stärkergradige fibrotische Veränderungen und Beeinträchtigungen der Lungenfunktion bei Schweißern beschrieben (Rösler et al, 1997) Arbeitsmedizinische Aspekte Es kam die Frage auf, ob weitere Noxen am Arbeitsplatz an der Entstehung der Lungenfibrose bei Schweißern beteiligt sein können. In der bereits zitierten arbeitsmedizinischen Studie (Sevcik et al., 1960) ist der Analyse der Atmosphäre am Arbeitsplatz besondere Aufmerksamkeit geschenkt worden, die zu folgenden Erkenntnissen führte: Der Schwerpunkt des Arbeitsrisikos der Schweißer hängt im hohen Maße von der Technologie des angewendeten Verfahrens, den hygienischen Bedingungen und den Schutzmaßnahmen ab. In einem direkten Zusammenhang dazu stehen auch die lufthygienischen Arbeitsbedingungen. Schweißer mit Schweißarbeiten im Freien leiden seltener an Lungenfunktionseinschränkungen mit obstruktiven Ventilationsstörungen, als diejenigen mit ungünstigen, beengten Verhältnissen bei den Schweißarbeiten. Auch nach den arbeitsmedizinischen Erfahrungen beinhaltet die Tätigkeit als Schweißer eine typische Gefahrenquelle für das Auftreten einer obstruktiven Atemwegserkrankung (Woitowitz, 1980). Diese Erkenntnis wurde durch neuere Arbeiten von Rösler u. Woitowitz erhärtet, in denen sie über eine interstitielle Lungenfibrose berichteten, die durch langjährige erhebliche inhalative Belastung bei einer Tätigkeit als Vollzeitschweißer durch Schweißrauchbestandteile, die um ein vielfaches oberhalb der zulässigen maximalen Arbeitsplatzkonzentration gelegen hat, verursacht war (Rösler et al., 1995), (Rösler u. Woitowitz, 1999). Nach Meredith (1992) ergaben Schätzungen des relativen Risikos für eine obstruktive Ventilationsstörung für Schweißer ein mehr als 25-fach erhöhtes Risiko im Vergleich zu nicht inhalativ belasteten Arbeitnehmern/innen. Auch aufgrund weiterer arbeitsmedizinischer Literatur (Zober, 1982; Bültermann et al., 1986; NIOSH, 1988; IARC, 1990) war ebenfalls von einer erheblichen inhalativen

18 Einleitung und Problemstellung Seite 15 Schweißrauch-Belastung der Vollzeit-Schweißer auszugehen, die besonders dann zutraf, wenn keine ausreichende technische Lüftung und Absaugung der Schweißrauche an der Entstehungsstelle erfolgte Formale Pathogenese Von einem kumulativen Effekt von Schweißrauch und Zigarettenrauch berichteten Hunnicutt et al. (1964). Schweißer, die rauchten, hatten doppelt so viele obstruktive Beeinträchtigungen der Lungenfunktion wie Schweißer, die nicht rauchten und dreimal so viel wie Nichtschweißer, die rauchten (vgl. hierzu Abb.3). Viele der Fremdstoffpartikel im Schweißrauch induzierten fibrotische Veränderungen am Ablagerungsort. Klinisch und pathologisch-anatomisch wurde die Schweißerlunge in der Regel als benigne verlaufende Pneumokoniose verstanden, da schwere Beeinträchtigungen der Lungenfunktion meistens nicht zu belegen waren (Müller u. Grewe, 1992). Früher herrschte die Überzeugung vor, daß das Eisen beim Schweißen über die Gase als Eisenoxid über die Einatmung in die Lunge transportiert wird. Durch die Ablagerung dieser Bestandteile konnte man diskrete radiologisch-pathologische Befunde erheben. Die Röntgenbefunde wurden bei Schweißern für typisch und normal angesehen, da die Lungenveränderungen von keiner wesentlichen Symptomatik und keiner nennenswerten Lungenfunktionseinschränkung begleitet wurden. Bestätigt wurden diese Meinungen durch Tierexperimente an Ratten, bei denen durch die Zufuhr von exogenem Eisen, keine wesentlichen fibrosierenden Lungenveränderungen verursacht werden konnten (Harding et al., 1947; Hicks et al., 1983, 1984) Histologische Befunde Bei histologischen Untersuchungen von 14 Elektroschweißerlungen fand Maass (1970) eine Fibrose des Lungengewebes. Ihre Entstehung durch Silicium oder Quarz konnte durch chemische Analysen nicht bestätigt werden. Maass sah ein reaktives Geschehen auf inhalierte Eisenpartikel als bewiesen an. Da aber Eisenverbindungen mit einer Partikelgröße

19 Einleitung und Problemstellung Seite 16 von µm als nicht inhalierbar angesehen werden, kam er zu der Überzeugung, daß es sich vermutlich um endogen entstandene Eisenverbindungen handelte. Maass sprach sich gegen die Auffassung der bloßen Eisenablagerung in der Schweißerlunge aus und vertrat als Erster die Ansicht, daß Lungenfibrosen bei Schweißern als berufsbedingt anzusehen sind. Nach K.-M. Müller (1998) läßt sich das Bild der Sideropneumokoniosen (SID-PN) nach mikroskopischen Befunden in drei Stadien einteilen: 1. Stadium: Überwiegend alveoläre aber auch interstitielle, herdförmig betonte Ansammlung aktivierter Makrophagen, die neben Siderin feinkörniges Eisen-III-oxid und in geringem Umfang Mischstaubpartikel speichern (sog. Siderophagen). Nur diskrete Anreicherung von Makrophagen und Mischstäuben im peribronchialen, perivasalen und pleuralen Bindegewebe. Ausschließlich mikroskopisch faßbare diskrete Fibrosierungsreaktion (Stadium I SID-PN). 2. Stadium: Vermehrung aktivierter alveolärer Siderophagen. Verstärkte Anreicherungen von aktivierten Makrophagen und Mischstaubpartikeln im perivasalen, broncho-pulmonalen und paralymphatischen Bindegewebe und in der Pleurahauptschicht. Deutliche Fibrosierungen im Bereich der Staubdepots. Diskrete unspezifische Begleitreaktion (Stadium II SID-PN). 3. Stadium: Ausgeprägte Mischstaubdepots. Deutliche Zeichen einer chronischschwelenden, entzündlich-fibrosierenden Reaktion. Fibrosierende Umbauzeichen bis zur Entwicklung herdförmig akzentuierter, den Fremdstoffdepots topographisch zugeordneten Lungenfibrosen (Stadium III SID-PN).

20 Einleitung und Problemstellung Seite 17 In den zur makroskopischen und mikroskopischen Begutachtung vorliegenden Gewebeproben lassen sich in vielen Fällen die drei Entwicklungsstadien nebeneinander beobachten.

21 Einleitung und Problemstellung Seite 18 Abb. 3: Beziehung zwischen Exposition, Funktionsveränderungen und Symptomen. + = positive, - = negative Assoziationen (Radenbach et al., 1995) Krankheitswert und klinische Befunde Bisher gibt es in Deutschland für die Schweißerlunge keine eigene Berufskrankheiten- Bezeichnung, so daß nach dem Schweregrad der eingelagerten Fremdsubstanzen und den radiologischen Veränderungen im Rahmen einer Silikose beurteilt wird. Dagegen ist die Schweißerlunge in Frankreich (Jarry, 1974; Raschke, 1987), der ehemaligen DDR (Konetzke u. Schneider, 1980), den ehemaligen RGW-Ländern (Rebohle et al., 1984), Italien (Verordnung des Präsidenten der Republik Nr. 336 vom ) schon als eine eigene Berufskrankheiten erfaßt und die Europäische Kommission hat 1995 (Aulmann et al.) einen Vorschlag zu ihrer Anerkennung erarbeitet. Für die Frage einer entsprechenden Berufskrankheit müssen alle zur Verfügung stehenden klinischen Unterlagen und Ergebnisse der Funktionsanalysen herangezogen werden, denn eine versicherungsmedizinisch relevante Fragestellung kann nicht allein aus dem morphologischen und mineralanalytischen Ergebnissen entschieden werden. Im Rahmen der Begutachtung von Berufskrankheiten müssen sowohl Kausalität als auch die beruflich verursachten Erkrankungsfolgen ärztlich beurteilt und oftmals von Funktionseinschränkungen durch nicht beruflich verursachte Erkrankungen abgegrenzt werden (Rösler u. Woitowitz, 1999). Hierbei ist von besonderer Bedeutung, daß eine genaue Berufsanamnese unter dem versicherungsmedizinischem Aspekt durchgeführt wird, die zur Abgrenzung der Fremdstoffspeicherungen der Lunge gegenüber Hämosiderosen anderer Genese unabdingbar ist. Nach den vorliegenden Erkenntnissen entsprechen die Ablagerungen im Lungengewebe qualitativ und quantitativ der elementaren Zusammensetzung der Staubpartikel aus der Luft eines Schweißplatzes. Die Analysen der interstitiell oder intraalveolär gelegenen Makrophagen können hauptsächlich den Nachweis einer frühzeitig erhöhten Fremdstoffablagerung geben.

22 Ziel der Untersuchung Seite Ziel der Untersuchung Ziel der Untersuchungen war es zu prüfen, ob in Abhängigkeit vom histomorphologisch bestimmbaren unterschiedlichen Schweregrad der Ausprägung einer Sidero- Pneumokoniose auch qualitativ und quantitativ typische Elementzusammensetzungen in den Makrophagen bei den schweißrauchexponierten Patienten zu ermitteln sind. Untersucht werden soll auch, ob auch in anderen Organen Feinstaubspeicherungen zu finden sind. Darüber hinaus sollen, differentialdiagnostische Untersuchungen dazu dienen andere Gründe für die Ablagerungen auszuschließen. Außerdem ist Fragestellung zu klären, ob sich außer den Fremdpartikelablagerungen in der Lunge auch Eisenspeicherungen in anderen Organen, wie z.b. in der Leber, finden lassen. Dies ist insbesondere zur Abgrenzung von Hämochromatosen von Bedeutung. Die Leber steht als Speicherorgan im Vordergrund, da man auch hier von einer Eisenspeicherung durch den intrakorporalen Transport ausgehen kann. Die Hämochromatose ist eine Stoffwechsel- bzw. eine Resorptionsstörung, die mit einer chronischen Erkrankung der Leber einhergeht, bei der die Eisenspeicherung an erster Stelle steht. Die Überladung der Leber mit Eisen führt dann zu den Veränderungen der Pigmentzirrhose. Insgesamt wurden im Lungengewebe von 25 Patienten vorwiegend die Makrophagen auf Speichersubstanzen analysiert. Dabei ist 1. die Ermittlung eines typischen Elementspektrum für Schweißerlungen, 2. die Untersuchung weiterer Organe auf Eisenablagerungen und 3. die Einteilung der Sideropneumokoniosen in unterschiedlich stark ausgeprägte Formen zu prüfen und zu beurteilen.

23 Methoden der Schweißtechnik Seite Methoden der Schweißtechnik Schweißen ist nach DIN 1910 das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme und/oder Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Es kann durch Schweißhilfsstoffe, z.b. Pasten, Pulver oder Gase ermöglicht oder erleichtert werden. Die in der Schweißzone wirkende Arbeit wird von außen durch Energieträger zugeführt. In der betrieblichen Praxis haben zwei Schweißverfahren überragende Bedeutung: - das Gasschweißen und - das Lichtbogenschweißen. Beim Gasschweißen entstehen wegen der vorherrschenden Temperaturverhältnisse Nitrosegase durch Oxidation des Luftstickstoffs im Bereich der Brennerflamme. Nitrosegase können beim Wärmen und Brennen mit langer Flamme und ohne ausreichende Absaugung in sehr kurzer Zeit zu hohen Konzentrationen führen (Zober, 1986). Stickstoffdioxid ist die Leitkomponente. Die Stickstoffdioxid-Konzentration in der Umgebungsluft des Arbeitsplatzes steigt mit der Flammenlänge. Sie wird daher beeinflußt durch die Brennergröße sowie dem Abstand zwischen Brennerdüse und Blech. Partikelförmige Stoffe entstehen beim Gasschweißen nur bei der Bearbeitung von Nichteisenmetallen (z.b. Blei, Kupfer) oder von daraus bestehenden Überzügen. Daraus ist abzuleiten, daß das Gasschweißen für die Problematik der Schweißerlunge ohne wesentliche Bedeutung ist (ZH 1/223, 1998). Beim Lichtbogenschweißen wurden zunächst die in der Industrie verwendeten Kohleelektroden von Metallelektroden abgelöst. Eine weitere technische Verbesserung des Verfahrens ist durch den Übergang von nackten Stahlelektroden zu Mantelelektroden erreicht worden. Bei diesen ist die leitende Stahlseele (Caccuri u. Fournier, 1969) von einer Umhüllung umgeben, die den Zweck hat, das geschmolzene Metall vor dem schädlichen Einfluß von Luftstickstoff und Sauerstoff zu schützen. Dadurch, daß sich der verbrennende Mantel schützend über die Schweißstelle legt, werden höhere Temperaturen ermöglicht und insgesamt eine Verbesserung der Qualität der Schweißnaht erreicht (Sommer u. Reinhard, 1951).

24 Methoden der Schweißtechnik Seite 21 Die in der Hitze des elektrischen Schweißbogens verstaubenden Bestandteile gehen in die Luft des Arbeitsplatzes über und werden, wenn besondere Schutzverfahren dies nicht verhindern, vom Schweißer inhaliert. Beim Lichtbogenhandschweißen mit unlegierten oder niedriglegierten Stabelektroden ist daher der Gesamtstaub die Hauptkomponente. Das Lichtbogenhandschweißen wird in der Literatur als wesentlich toxischer als das Gasschweißen beschrieben (ZH 1/223, 1998). Dies ist bedingt durch die hohen Temperaturen, die mehrere tausend Grad erreichen können. Die Entstehung von metallhaltigen Rauchen und toxischen Gasen bleibt nicht aus. Hierbei sei aber erwähnt, daß die Zusammensetzung der Schweißrauche und die nachfolgende Exposition des Schweißers von verschiedenen Faktoren abhängig ist, zum Beispiel neben dem Schweißverfahren und dessen toxischer Wirkung auch von dem zu schweißenden Material. Eine besondere Rolle kommt den verwendeten Schweißelektroden (Drahtelekrode, nicht-abschmelzende bzw. abschmelzende Elektroden, Stabelektroden, etc.) und der Vielzahl der zu schweißenden Werkstoffe zu. Beim Lichtbogenschweißen bildet die abschmelzende Umhüllung der Stabelektroden einen Schutzmantel über der Schweißnaht (vgl. hierzu Abb. 4 und Abb. 5). Die Rauchentwicklung kann erheblich sein. Basisch-umhüllte Elektroden können Gase emittieren. Insgesamt können in den Umhüllungen der Elektroden bis zu 40 Elemente des Periodensystems nachweisbar sein (Zober, 1986). Eisen ist als Hauptbestandteil neben Silizium, Mangan, Chrom und Nickel im Schweißrauch enthalten. Eine detaillierte Zusammensetzung der bisher ermittelten Schweißrauch-Partikelbestandteile nach Analysenergebnissen für Rauche, die beim Lichtbogen-Handschweißen mit verschieden-umhüllten Elektroden entstehen, zeigt die Abb. 6 (nach Zober, 1982).

25 Methoden der Schweißtechnik Seite 22 Abb. 4: Einflußfaktoren auf die Bildung von Schadstoffen (ZH 1/223, 1998). Abb. 5: Belastung des Elektroschweißers durch Schadstoffe am Arbeitsplatz. Modifiziert nach Steurich u. Feyerabend, 1997.

26 Methoden der Schweißtechnik Seite 23 Umhüllungstyp Schadstoffe sauer rutil Basisch zellulose % % % % Na 2 O Al 2 O SiO ? 10? 10 K 2 O CaO TiO 2 < 1? 5? 1? 1,5 MnO? 10? 7? 6? 5 Fe 2 O F Abb. 6: Analysenergebnisse für Rauchpartikel, die beim Lichtbogen- Handschweißen mit verschieden umhüllten Elektroden entstehen (modifiziert nach Zober, 1982 ). Die Schweißrauchzusammensetzung ist nach diesen Ergebnissen in hohem Maße abhängig vom Umhüllungstyp der Elektroden. Bei einer sauren Umhüllung sind als die prozentual wesentlichen Schadstoffe SiO 2 mit 30-40%, K 2 O mit 10-20% und Fe 2 O 3 mit ca. 40% zu nennen. Auch bei den rutil-umhüllten Elektroden bilden diese Schadstoffe den größten Anteil mit SiO 2 = 30-40%, K 2 O = 10-20%, Fe 2 O 3 = 20-30%. Bei Elektroden mit basischer Umhüllung erweisen sich SiO 2 = ca. 10%, K 2 O = 20-30%, CaO = 15-20%, Fe 2 O 3 = 20-30% und F - = 12-16% als die größten Schadstoffanteile. Bei zelluloser Umhüllung des Schweißdrahtes sind lediglich zwei Schadstoffarten von großer Bedeutung: SiO 2 = ca. 10% und Fe 2 O 3 = ca %. Deutlich erkennbar ist, daß bei allen Umhüllungstypen Fe 2 O 3 einen wesentlichen bzw. den bestimmenden Anteil an den Schadstoffen ausmacht. Beim Lichtbogen-Schweißen treten im Schweißrauch außerdem verschiedene Schweißgase auf. Neben dem überwiegend entstehenden Kohlendioxid sind als toxisch fibrotisch wirkende Gase Kohlenmonoxid, Stickoxide und Ozon von Bedeutung. Bei den vorhandenen hohen Temperaturen des Lichtbogens und großen metallischen Oberflächen

27 Methoden der Schweißtechnik Seite 24 kommt es bei Temperaturen oberhalb von 600 C zur Oxidation des Luftstickstoffes mit Stickoxidbildung in Form von Nitrosegasen (NO x ). Durch Nitrosegase, die beim Lichtbogen-Handschweiß-Verfahren in größeren Mengen anfallen, wird durch Stickstoffmonoxid das entstandene Ozon zu Sauerstoff umgewandelt, so daß weniger oder kaum Ozon bei diesem Prozeß in den Atembereich des Schweißers gelangt (Sipek u. Smars, 1986). Darüber hinaus entstehen durch thermische Zersetzung der verwendeten Korrosionsschutzfarben auf der Basis von Kunstharzlacken und Mineralölbeschichtung kleinmolekulare Verbindungen aus Zersetzungsprodukten ( Crackprodukte ) (Rösler et al, 1997). Dabei entwickeln sich vor allem kleinkettige Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoff- Verbindungen vom Typ der Aldehyde, Ketone und Akroleine, die eine chemisch-irritative und/oder toxische Wirkung auf das Atemwegsepithel haben können (Zschiesche u. Emmerling, 1989). Die Risiken (z.b. pulmonale Rückwirkungen) für Gesundheitsschäden durch Schadstoffexposition beim Lichtbogenhandschweißen ( Elektroschweißen ) sind von den vorherrschenden Arbeitsbedingungen abhängig. In mehreren Übersichtsarbeiten der letzten Jahre wird hierzu ausführlich Stellung genommen (Schuckmann, 1975; Buckup u. Dessler, 1977; Wittgens, 1979). Seit mehr als 40 Jahren wird immer wieder das bronchopulmonale Schädigungsmuster bei Lichtbogenschmelzschweißern kontrovers beschrieben. Es handelt sich um Angaben über vermehrte Bronchitiden, Lundenfunktionseinbußen, Lungensiderosen, Lungenfibrosen, aber auch um unauffällige Befunde. Eine Vielzahl der Studien wies nach Zober (1982) Mängel in der Konzeption auf. Nach seiner Meinung fand eine Mißachtung der äußerst komplexen Arbeits- und Arbeitsnebenbedingungen der Schweißer statt. Bemst und Mitarbeiter (1973) vertraten die Ansicht, daß kontroverse Meinungen in verschiedenen Studien nicht widersprüchlich sein müssen, sie zeigten vielmehr die heterogenen Expositionsbedingungen bei den verschiedenen Schweißverfahren auf.

28 Methoden der Schweißtechnik Seite 25 Abb. 7: Schmelz- und Verbindungsschweißtechniken (Zober, 1985).

29 Schadstoffe im Schweißrauch Seite Schadstoffe im Schweißrauch Schadstoffe in der Schweißtechnik sind die beim Schweißen, Schneiden und verwandten Verfahren entstehenden atembaren luftverunreinigenden Stoffe, die in unzuträglicher Konzentration zu einer Gesundheitsgefährdung führen können. Sie sind in der Unfallverhütungsvorschrift Schweißen, Schneiden und verwandte Verfahren (VBG 15) mit dem Begriff gesundheitsgefährliche Stoffe bezeichnet und zählen zu den Gefahrstoffen im Sinne der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) Schweißrauche Bei den schweißtechnischen Verfahren entstehen Schadstoffe als Gase und/oder als Partikel. Die partikelförmigen Stoffe bestehen aus einer unterschiedlichen Verteilung kleinster fester Teilchen in der Luft, die wie folgt unterschieden werden: Einatembarer Anteil Eingeatmet wird derjenige Anteil der Stoffe, der durch den Mund und die Nase in die Lungen gelangt. Er umfaßt Partikelgrößen im Durchmesser bis zu über 100µm und wird auch mit dem Begriff Gesamtstaub umschrieben Alveolengängiger Anteil Hierbei handelt es sich um Partikelgrößen bis zu 10µm, die beim Einatmen mit dem Luftstrom bis zu den Alveolen vordringen können. Dieser Anteil der partikelförmigen Teile in der Luft wurde in der Vergangenheit mit den Begriff Feinstaub bezeichnet. Die beim Schweißen entstehenden partikelförmigen Stoffe sind sehr fein mit einem Durchmesser kleiner als 1µm; sie sind somit alveolengängig. Sie werden auch als Schweißrauch bezeichnet.

30 Schadstoffe im Schweißrauch Seite Ultrafeine Partikel Ultrafeine Partikel sind durch einen aerodynamischen Durchmesser von kleiner gleich 10 µm gekennzeichnet und werden daher auch als PM 10 bezeichnet. In stark industrie- und verkehrsbelasteten Großstädten in den USA konnten mehr als dieser ultrafeinen Partikel in einem Milliliter Luft nachgewiesen werden. Bisher liegen in Europa noch keine ausführlichen epidemiologischen Studien vor, die einen Zusammenhang zwischen Erkrankungen und erhöhten PM 10 -Konzentrationen belegen konnten. In den USA konnte eine signifikant positive Assoziation der Sterblichkeit an Lungenerkrankungen beeinflußt durch die PM 10 -Konzentration in der Nähe eines Stahlwerkes belegt werden (Seaton et al., 1995). Eine Schädigung der Lunge durch ultrafeine Partikel läßt sich feststellen. Dabei korreliert die Partikelgröße nicht mit der Reaktionsstärke der Lunge, ausgehend von einer Partikelgröße kleiner 0,1 µm (Richards et al., 1998). Abb. 8: Einteilung partikelförmiger Schadstoffe in der Schweißtechnik nach Partikelgröße (Vorkommen)(ZH 1/223, 1998).

31 Schadstoffe im Schweißrauch Seite Reaktionsmuster auf Schadstoffe Man kann die beim Schweißen entstehenden gas- und partikelförmigen Stoffe hinsichtlich der Wirkung auf verschiedene Organe des menschlichen Körpers folgendermaßen einteilen (vgl. Abb. 8): Lungenbelastende inerte Stoffe Als inert (träge) werden Stoffe bezeichnet, die reaktionsträge sind, d.h. wenig oder keine Neigung haben, sich mit anderen Stoffen ohne weiteres zu verbinden. Sie verbleiben als Schwebstoffe in der Luft, bis sie durch entsprechende Reaktionsprozesse eine Teilchengröße erreicht haben, aufgrund derer sie zu Boden sinken. Eine Einschränkung der Lungenfunktion durch eine Verringerung des Sauerstoffaustausches durch Mineralspeicherungen in der Lunge kann die Folge einer langzeitigen Aufnahme hoher Konzentrationen sein Toxische Stoffe Als toxische Stoffe sind z.b. die Gase Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid und - dioxid, Ozon, sowie die Oxide der Metalle Kupfer, Blei und Zink in Rauch- oder Staubform zu nennen. Bei einem Überschreiten einer bestimmten Dosis der Stoffe (Menge pro Gewichtseinheit des Körpers) kann im menschlichen Körper eine Giftwirkung erzeugt werden. Es gibt eine Dosis-Wirkung-Beziehung zwischen den Stoffen und dem menschlichen Körper, die bei geringen Konzentrationen zu leichtgradigen Vergiftungen bzw. zu leichtgradigen Gesundheitsschäden führt. Höhere Konzentrationen können zu lebensgefährlichen Vergiftungen evtl. mit Todesfolge führen.

32 Schadstoffe im Schweißrauch Seite Krebserzeugende (kanzerogene) Stoffe In der Schweißtechnik sind vor allen Dingen die Nickeloxide, bestimmte sechswertige Chromverbindungen, Cadmium und dessen Verbindungen, Cobalt und dessen Verbindungen sowie Beryllium und dessen Verbindungen als krebserzeugende Stoffe zu beachten. Hierbei handelt es sich um Stoffe, die mit hoher Wahrscheinlichkeit bösartige Geschwülste im menschlichen Körper auslösen können. Durch eine steigende Dosis wird das Krebsrisiko im allgemeinen erhöht. Eine genetische Disposition und die Umweltbelastung spielen bei der Ausbildung des Krankheitsmusters eine entscheidende Rolle (ZH 1/223, 1998). Vorkommen Wirkungsweise Stickstoffoxide Ozon Kohlenmonoxid Cyanwasserstoff Toxisch X X X X Gasförmig Partikelförmig Lungenbelastend Kanzerogen Aluminiumoxid Eisenoxid Magnesiumoxid X X X Bleioxid Fluoride Barium-Vbg. Kupferoxid Manganoxid Zinkoxid X X X X X X Chrom-VI-Vbg. Nickeloxide Cadmiumoxid Berylliumoxid X X X X

33 Schadstoffe im Schweißrauch Seite 30 Abb. 9: Einteilung der Schadstoffe im Schweißrauch und mögliche schädigende Rückwirkungen auf den menschlichen Organismus (ZH 1/223, 1998) Freisetzung von Schadstoffen Die beim Schweißen entstehenden Schadstoffe resultieren aus: - Grundwerkstoffen - Zusatzwerkstoffen - Schutzgasen - Beschichtungen - Verunreinigungen - Umgebungsluft Bei hohen Temperaturen, wie sie z.b. beim Lichtbogenschweißen vorkommen, bilden sich chemische und/oder physikalische Prozesse, wie - Verdampfen - Kondensation - Oxidation - Zersetzung - Pyrolyse - Verbrennen. Werkstoff- und verfahrensabhängig sind dabei Art und Menge der gebildeten Schad-stoffe. Die chemische Zusammensetzung der parikelförmigen Schadstoffe korreliert mit der chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Werkstoffe (Abb.10).

34 Schadstoffe im Schweißrauch Seite 31 Abb. 10: Phasen der Schadstoffentstehung bei Schweißern (Beispiele) (ZH 1/223, 1998) Gasförmige Schadstoffe (vgl. hierzu auch Abb.11) Neben den Schweißrauchen treten auch Schweißgase auf. Die Gasentwicklung ist im Vergleich mit der Feststoffbildung (Rauche) etwa dreimal so groß (Zober, 1982). Kohlenmonoxid (CO): Generell entstehen Kohlenmonoxide bei jeder Verbrennung mit unzureichender Sauerstoffzufuhr. Desweiteren bilden sie sich in kritischen Konzentrationen beim Metall-Aktivgasschweißen mit Kohlendioxid (MAGC) oder beim Metall- Aktivgasschweißen mit Mischgas (mit hohen Anteilen an Kohlendioxid) durch die thermische Zersetzung des Kohlendioxids (CO 2 ). Es ist ein sehr giftiges und geruchloses Gas. Bei höheren Konzentrationen im Blut kommt es im Gewebe zu einem Sauerstoffmangel durch die größere Affinität des Kohlenmonoxids zum Hämoglobin. Bei ca. 150 ml/m³ CO im Atembereich kommt es zu Schwindel, Mattigkeit, Kopfschmerzen. Bei ca. 700 ml/m³ CO kommt es zur Ohnmacht, Puls- und Atemsteigerung bis zur Bewußtlosigkeit, Atemlähmung, Herzstillstand und Tod. Stickstoffoxide (NO X = NO, NO 2 ) entstehen am Rande der Flamme oder des Lichtbogens durch die Oxidation des Luftstickstoffes (aus dem Sauerstoff (O 2 ) und dem Stickstoff (N 2 ) der Luft. Bei Temperaturen über C entsteht Stickstoffmonoxid. Bei Raumtemperatur oxidiert das Stickstoffmonoxid in der Luft zu Stickstoffdioxid.

35 Schadstoffe im Schweißrauch Seite 32 NO ist ein farbloses, giftiges Gas. NO 2 ist ein braunrotes, giftiges, oxidierend wirkendes Gas. Es ist auch weitaus toxischer als Stickstoffmonoxid. Die gesundheitsschädigende Wirkung besteht anfänglich in einer Reizung der Atemwege und Atemnot. Nach einem mehrstündigen beschwerdefreiem Zustand kann ein tödliches Lungenödem bestehen. Die Stickstoffmonoxidbildung ist umso bedeutsamer, je größer die Reaktionszone ist. Dies läßt darauf schließen, daß wie beim autogenen Schweißen (mit langen Flammen) die Stickoxidbildung erheblich mehr Bedeutung hat, als dies beim Lichtbogenschweißen mit kurzen Lichtbogen der Fall ist (Zober, 1982). Ozon (O 3 ) entsteht insbesondere beim Schutzgasschweißen von stark strahlungsreflektierenden Werkstoffen, wie Aluminium und Aluminium-Siliciumlegierungen, durch ultraviolette Strahlung aus dem Sauerstoff der Luft. Die Anwesenheit von anderen Gasen, Rauchen oder Stäuben in der Luft beschleunigt den Zerfall von Ozon zu Sauerstoff. Somit ist erklärlich, daß bei raucharmen Verfahren die Ozonkonzentration erhöht ist. Ozon ist ein tiefblaues Gas in höheren Konzentrationen mit einem starken Geruch und es ist sehr giftig. Es wirkt als Reizgas auf die Augen und das Atmungsorgan, erzeugt Husten, Atemnot und möglicherweise ein Lungenödem. Gase aus Beschichtungsstoffen bilden sich beim Überschweißen von Werkstücken, die mit Oberflächenbeschichtung gegen Korrosion oder mit anderen Beschichtungen (Farben oder Lacke) versehen sind. Durch die Beschichtungen bilden sich je nach chemischer Zusammensetzung neben Metalloxiden, die partikelförmig sind, auch Gase, z.b. Kohlenmonoxid (CO), Chlorwasserstoff (HCl), Blausäure (HCN), Formaldehyd (HCHO).

36 Schadstoffe im Schweißrauch Seite Partikelförmige Schadstoffe (vgl. hierzu Abb. 12 und Abb. 13) Eisenoxide (FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 ) entstehen aus den Grund- und Zusatzwerkstoffen beim Schweißen von Stahlwerkstoffen. Eine Aufnahme von Eisenoxiden in hoher Konzentration kann zu einer Pigmentinkorporation in der Lunge führen. Desweiteren kann es nach massiver Exposition zur Ausbildung einer Lungenfibrose mit Einschränkung der Atemfunktion kommen. Siliciumoxid (SiO 2 ) entsteht aus den Grund- und Zusatzwerkstoffen beim Schweißen, sowie aus den unterschiedlichen Legierungen der Schweißstäbe. Unter besonderen Voraussetzungen kann es zu Ventilationsstörungen mit einer Erhöhung des Druckes im kleinen Kreislauf, sowie Husten und Auswurf kommen. Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) entsteht aus den Grund- und Zusatzwerkstoffen beim Schweißen von Aluminium- Werkstoffen. Es kann zu Mineralspeicherungen in der Lunge führen. Unter bestimmten Umständen kann eine Aluminose (Pneumokoniose) auftreten, die nicht reversibel ist. Reizerscheinungen der Atemwege können ebenfalls auftreten. Manganoxide (MnO 2, Mn 2 O 3, Mn 3 O 4, MnO) entstehen bei allen Lichtbogenverfahren mit manganhaltigen Zusätzen. Der Anteil von Manganoxid im Schweißrauch steht in einem direkten Zusammenhang mit dem Anteil an Mangan im Schweißzusatz, der immer zu einer Anreicherung im Schweißrauch führt. In hohen Konzentrationen können sie eine reizende Wirkung auf die Atemwege ausüben und zu Pneumonien führen. Bei einer chronischen Exposition kann es zu einer Schädigung des Nervensystems kommen (bei Schweißern nicht bekannt). Fluoride (CaF 2, KF, NaF, andere) entstehen bei der Verwendung kalkbasischer Umhüllungen bzw. fluorhaltiger Flußmittel aus der Füllung der Fülldrähte oder bei der Umhüllung der Stabelektroden.