L'ARIA CHE RESPIRIAMO : UNA ESPERIENZA DIDATTICA

THE AIR WE BREATHE : A DIDACTIC EXPERIENCE

di RITA BRUNETTI RODATI e RODOLFO GUERZONI

Docenti di Scienze, Chimica, Microbiologia presso l'Istituto di Istruzione Superiore "J.M.Keynes" di Castel Maggiore - Bologna

Questo lavoro è stato realizzato nell'anno scolastico 2000-2001 ed ha coinvolto tre classi (una seconda, una terza ed una quarta del liceo scientifico) guidate dai docenti di Scienze, chimica e microbiologia. Ha riguardato il controllo chimico e microbiologico dell'aria di alcuni ambienti dell'Istituto scolastico. Lo scopo è stato di mettere in atto una metodologia didattica fondata sull'applicazione delle conoscenze disciplinari degli studenti e sulla realtà ambientale conosciuta e quotidianamente vissuta. I risultati ottenuti sono stati confrontati con gli standards di riferimento.

ABSTRACT

This research was carried out in the 2000-2001 school year. The students who worked on it belonged to the second, third and fourth forms of Liceo Scientifico and were supervised by the teachers of Natural Sciences and Microbiology. The research dealt with the chemical and microbiological air quality of some school rooms. The aim of this didactic methodology was to put the students scientific knowledge and their environmental everyday experience into practice. The results have been compared with the reference standards.

Indice dei contenuti

1.INTRODUZIONE

2.PRINCIPALI FONTI DI INQUINAMENTO

3.MATERIALI E METODI

4.RISULTATO DELL'ANALISI

5.CONCLUSIONI

6.TABELLE DEI RISULTATI

7.BIBLIOGRAFIA

INTRODUZIONE

Questo progetto educativo si propone di far conoscere le modalità e le attrezzature impiegate per il prelievo dei campioni e le tecniche analitiche da utilizzare nella ricerca di laboratorio, oltre a stimolare gli studenti ad assumere comportamenti tendenti a ridurre l'inquinamento in ambiente confinato ed abituarli ad una metodologia di indagine fondata sull'uso delle conoscenze acquisite. Si desidera inoltre focalizzare l'attenzione verso i principali inquinanti presenti negli ambienti confinati, attraverso la determinazione delle caratteristiche chimico-fisiche dell'aria interna all'edificio scolastico e l'individuazione della presenza di microrganismi come batteri e muffe.

Il problema della qualità dell'aria negli ambienti chiusi è di estrema attualità ed è motivo di preoccupazione sempre crescente per la consapevolezza diffusa dei rischi connessi alle caratteristiche dell'aria che respiriamo.

Le conseguenze sulla salute e sul benessere delle persone, determinate dalla permanenza prolungata in ambienti chiusi, sono state analizzate in questi ultimi anni da numerosi studiosi. Tali effetti vanno dalla sensazione di lieve malessere come cefalea, difficoltà di concentrazione, irritazione delle mucose e delle prime vie respiratorie, fino a malattie croniche come asma bronchiale, alveoliti allergiche, polmoniti. Quando queste patologie risultano colpire un numero significativo di frequentatori dello stesso luogo confinato si parla di Sick Building Syndrome (S.B.S.).

La Sick Building Syndrome si manifesta con disturbi a livello oculare e irritazione delle prime vie respiratorie, secchezza della pelle, cefalea, intontimento e risulta particolarmente diffusa in edifici moderni provvisti d'aria condizionata. Il NEMI (National Energy Management Institute) valuta che il 50% degli impianti di ventilazione è insalubre e che circa il 70% dei locali frequentati dal pubblico presenta condizioni igieniche dell'aria interna assai degradate, a causa del pulviscolo e degli agenti contaminanti, che favoriscono la proliferazione di funghi e batteri all'interno delle condotte d'aria.

PRINCIPALI FONTI DI INQUINAMENTO
Le cause della SBS sono classificate in tre categorie:

• contaminazione chimica;
  
• contaminazione microbica;
• ricambio d'aria inadeguato
• Contaminazione chimica

Molti inquinanti chimici possono essere presenti nell'aria "indoor" come miscele complesse, alcuni hanno origine quasi esclusivamente all'interno degli edifici, altri penetrano con l'aria esterna.

I composti organici volatili (VOC) sono rappresentati da idrocarburi aromatici, alifatici, clorurati, aldeidi, terpeni e alcoli, derivano dai processi di combustione, dall'uso di fotocopiatrici, stampanti laser, prodotti di pulizia e dalle colle e vernici presenti negli arredi. La maggior parte dei composti organici volatili provoca l'irritazione delle prime vie respiratorie, degli occhi e forme patologiche ben più gravi in quei soggetti che passano lungo tempo in luoghi con elevate concentrazioni, anche il rischio cancerogeno è significativo per queste persone. Alcuni VOC sono sospetti o noti cancerogeni (benzene). Uno dei più diffusi e più tossici è la formaldeide che proviene da schiume isolanti, carta e tessuti d'arredo, mobili in legno compensato e truciolare, colle, vernici, fumo di tabacco, combustioni incomplete. Gli effetti tossici della formaldeide si manifestano con irritazione delle mucose (occhi, vie aeree) e della pelle, con fenomeni allergici e addirittura cancerogenicità.

Altri inquinanti chimici di provenienza sia interna sia esterna si formano nel corso della combustione ad alte temperature e sono SO₂, NO₂, CO, CO₂.

L'NO₂ è il composto più abbondante, un'esposizione a piccole concentrazioni (1-2,5 ppm) fa diminuire la funzione respiratoria, recenti dati epidemiologici indicano un effetto interattivo di questo gas con altri inquinanti con produzione di effetti immunodepressivi.

L'SO₂ deriva da combustibili contenenti zolfo (olio combustibile e alcuni gas naturali). L'esposizione a concentrazione di 0,75 ppm per meno di 1 minuto causa una diminuzione della funzione respiratoria nei bambini e negli anziani.

Il CO proviene dal fumo passivo e da fonti di combustione con scarsa aereazione o non idonea aspirazione, ma ha una sorgente prevalente nel traffico veicolare. Ha un ampio spettro di effetti a seconda della concentrazione: astenia, diminuzione della capacità lavorativa, cefalea, perdita dello stato di coscienza, morte. Si ipotizzano effetti cardiovascolari cronici legati all'esposizione prolungata a bassi livelli di CO.

La CO₂ viene prodotta dalle combustioni in eccesso di aria e dalla respirazione cellulare. Pur non essendo tossica, se non a concentrazione molto elevata, può rappresentare un pericolo in quanto, essendo un gas più pesante dell'aria, si può accumulare in zone basse poco ventilate o in serbatoi chiusi. Per concentrazioni (in volume d'aria) inferiori al 3% non provoca disturbi, per concentrazioni tra 3% e 5% può provocare cefalea, tra 8% e 15% nausea e vomito, oltre tale concentrazione insufficienza cardiaca con effetti anche letali. La concentrazione massima ammessa è di 5000 ppm in volume d'aria per esposizioni di 8 ore al giorno e per 5 giorni alla settimana.

Il fumo di tabacco, uno dei più importanti inquinanti dell'aria degli ambienti confinati, contiene più di 4000 composti molti dei quali irritanti mentre alcuni risultano decisamente tossici per i tessuti biologici. La concentrazione di nicotina, in microgrammi per metro cubo, nei locali in cui è permesso fumare, risulta mediamente 33 volte superiore rispetto ai luoghi in cui il fumo è vietato. Tra i sospetti effetti del fumo passivo vengono indicati disturbi di tipo irritativo delle prime vie aeree e infezioni acute all'apparato respiratorio. L'esposizione in epoca prenatale o durante l'infanzia aumenta la frequenza di otiti, bronchiti e polmoniti. Lo sviluppo dell'apparato respiratorio e la funzione ventilatoria appaiono compromessi nei bambini esposti all'inalazione del fumo.

Dalle combustioni si liberano anche le polveri. I particolati inalabili sono prodotti prevalentemente dal fumo di sigaretta e dal traffico veicolare. L'effetto più grave per la salute, tra quelli associati all'esposizione a polvere da combustione, è il cancro. Anche la fuliggine ha proprietà cancerogene, inoltre molti idrocarburi policiclici aromatici cancerogeni vengono adsorbiti sul particolato che, se inalato, penetra profondamente nel tessuto polmonare. Le particelle quindi hanno un duplice ruolo additivo e sinergico nella cancerogenesi.

Radon

In alcune località il sottosuolo può emanare gas la cui presenza nell'aria è indesiderabile; uno dei più comuni di questi è il radon che si sprigiona dai terreni che contengono uranio. La presenza del radon può passare inosservata nell'aria esterna mentre, se la sorgente è intrappolata all'interno di un edificio, può accumularsi negli scantinati per poi diffondersi, internamente ad esso, attraverso i condotti per la distribuzione dell'aria, dell'impianto di riscaldamento o di condizionamento. Il radon è anche in grado di sciogliersi nelle acque di falda per poi entrare negli edifici grazie agli acquedotti ed agli impianti idrici. Per ora il miglior metodo per ridurre il tasso di inquinanti gassosi emessi dal terreno è di aumentare l'aereazione degli ambienti interessati; mentre, per rimuoverlo dall'acqua, un sistema efficace è quello di portarla all'ebollizione. Gli studi sul Radon non sono per ora sufficientemente approfonditi e scarse risultano le conoscenze sulla concentrazione negli ambienti indoor. Per queste ragioni, secondo molti autori, risulta prematuro esprimere un giudizio definitivo sulla pericolosità del Radon per la salute pubblica.

Temperatura

Per mantenersi in vita il corpo umano deve avere una temperatura di circa 37°C: il controllo della temperatura corporea necessita di continui adattamenti della respirazione, del livello metabolico di anidride carbonica e dell'acqua. Risulta tuttora difficile stabilire quali siano le condizioni di comfort ottimali negli ambienti confinati, così da assicurare livelli di vita e di lavoro ideali. Per quanto concerne il controllo della temperatura esistono generalmente due situazioni tipiche: nella prima, quella caratterizzata dagli edifici più vecchi che possono avere temperatura e ventilazione controllate disgiuntamente, infatti il riscaldamento può essere autonomo o centralizzato, mentre la ventilazione si ottiene, in ogni singolo ambiente, aprendo e chiudendo le finestre. Nell'altra il calore è fatto circolare come aria condizionata, in questi ambienti la temperatura la purezza dell'aria e il suo flusso sono interdipendenti. Nel primo caso i rischi derivati dall'esposizione di contaminanti ricircolati sono minori. Nel secondo qualunque modifica al flusso d'aria in uno o più locali si ripercuote su tutti gli altri e, se l'edificio è adeguatamente isolato, non vi sarà praticamente immissione d'aria, si accumulerà aria stagnante e si potrà sviluppare, in breve, la sintomatologia che caratterizza gli "edifici ammalati"

Umidità

L'umidità dell'aria varia in rapporto a molti fattori che comprendono le stagioni, il clima, le dimensioni dell'ambiente in cui si vive ed anche il numero delle persone in esso presenti. Per avere una sensazione di benessere è necessaria una umidità relativa del 50% circa. Volendo indicare una valutazione della condizione microclimatica ideale ottenuta statisticamente, si può dire che in inverno è raccomandabile una temperatura di 19,5°C e in estate di 22°C con un'umidità relativa tra il 40 % e il 60%.

Un'umidità troppo elevata favorisce lo sviluppo di contaminanti biologici mentre scarsa umidità origina secchezza a carico delle mucose respiratorie.

Contaminazione microbica

Negli ambienti di lavoro i microrganismi presenti nell'aria possono causare vari problemi come l'interferenza dei contaminanti sulle tecnologie impiegate nel sistema di produzione, oppure la contaminazione della materia prima o dei prodotti finali (industrie farmaceutiche, industrie alimentari), anche la salute dei lavoratori è sottoposta a vari rischi: infettivi, tossici, allergici.

Gli impianti di ventilazione possono essere fonte di inquinamento interno poiché possono fungere da focolai di contaminanti biologici che si riproducono in torri di raffreddamento, umidificatori, deumidificatori, condizionatori d'aria o sulle superfici interne dei canali di ventilazione.

Ricambio d'aria inadeguato

Una delle principali cause della scadente qualità dell'aria è rappresentata dagli impianti di ventilazione mal progettati o gestiti in modo inadeguato. Il tasso di ricambio d'aria, cioè il tasso secondo cui avviene la sostituzione del volume totale di aria interna con l'aria esterna fresca, è un fattore molto importante, ma esistono molte difficoltà per valutare questo fattore in modo corretto, infatti le vie d'accesso del flusso d'aria in una stanza sono numerose e talvolta anche impossibili da controllare. Per determinare il ricambio d'aria con maggiore facilità è possibile impiegare come gas "tracciante" la CO₂ che viene esalato quando respiriamo, si sa infatti che un numero elevato di persone riunite nella stessa stanza può generare concentrazioni di CO₂ molto elevate.

Un ricambio d'aria adeguato deve mantenere costanti alcune condizioni ambientali come la temperatura e l'umidità, se tali parametri non sono adeguatamente controllati l'ambiente non è confortevole, inoltre si favorisce la crescita di contaminanti biologici. Quando i livelli di temperatura e umidità sono particolarmente elevati la quantità di muffe e batteri è molto abbondante.

MATERIALI E METODI

ANALISI CHIMICA

Per i VOC ricercati (benzene, toluene, etilbenzene, xilene) è stato usato il "Radiello" (Fig.1) che è un campionatore passivo a simmetria radiale, costituito da un filtro adsorbente specifico per ogni inquinante da monitorare e da un supporto particolarmente pratico e maneggevole che ben si presta ad essere utilizzato in varie condizioni.

Fig.1 Radiello

E' stato collocato in luoghi di prelievo all'nterno ed anche all'esterno dell'Istituto per poter effettuare un confronto dei risultati.

Campioni di ARIA PRELEVATI CON CAMPIONATORI PASSIVI

c/o I.I.S. - Keynes - Comune di Castel Maggiore (Bo)

Campione n° 1 - bagno

Campione n° 2 - aula V (pulita e arieggiata per 20')

Campione n° 3 - ufficio dell'assistente di laboratorio (arieggiato per 40')

Campione n° 4 - laboratorio (arieggiato per 40')

Campione n° 5 - aula II A (pulita e arieggiata per 20')

Campione n° 6 - spogliatoio piano terra (interessato ai lavori)

Campione n° 7 - atrio (in corrispondenza del locale 31)

Campione n° 8 - atrio (in corrispondenza del locale 37)

Campione n° 9 - atrio (in corrispondenza del locale 34)

Campione n° 10 - atrio (in corrispondenza della segreteria)

Campione n° 11 - atrio (in corrispondenza dell'archivio)

Campione n° 12 - atrio (in corrispondenza dello spogliatoio femminile)

Campione n° 13 - spogliatoio piano terra (in corso lavori)

Campione n° 14 - cortile scuola

Campione n° 15 - Via della Repubblica

RISULTATO DELL'ANALISI

Concentrazioni tipiche medie dei VOC nell'aria interna (g/m³):

benzene 4

etilbenzene 84

m,p-xilene 140

o-xilene 74

toluene 11

CONCLUSIONI

Si può affermare che la qualità dell'aria all'interno dell'Istituto rientra nella norma.

Solo nello spogliatoio interessato dai lavori di ristrutturazione si hanno valori lievemente superiori per alcuni VOC.

Per quanto riguarda l'esterno non sono presenti fonti di inquinamento rilevanti, infatti questi VOC sono prevalentemente originati dal traffico stradale mentre l'Istituto scolastico è distante dalle vie di traffico intenso.

Per avere ulteriori informazioni sulla variazione della qualità dell'aria, causata dal metabolismo umano, in un'aula, sono state determinate l'umidità relativa, la temperatura, la variazione della concentrazione della CO₂ e di CO.

La sonda campionatrice è stata collocata nell'ambiente vuoto dalle ore 8,17 fino alle ore 9,27 poi trasferita all'esterno per circa 5 minuti e successivamente riportata all'interno, durante una lezione, alla presenza di 60 persone, per circa due ore .

I risultati ottenuti sono evidenziati nei tre grafici sottostanti. I valori sono tutti compresi all'interno dei parametri previsti.

GRAFICO 1

Colore rosso - Umidità

Colore nero - Temperatura

GRAFICO 2

Colore blu - CO₂

Colore nero - Temperatura

GRAFICO 3

Colore verde - CO

Colore blu - CO₂

MATERIALI E METODI

ANALISI MICROBIOLOGICA

Per questa analisi possono essere usate varie tecniche per la raccolta dell'aria: la filtrazione, i precipitatori elettrostatici o termici, i catturatori inerziali. Questi ultimi sfruttano l'inerzia delle particelle sospese nell'aria che possono essere raccolte su una superficie solida (terreno agarizzato) o in un liquido, spinte da una forza che può essere di gravità, centrifuga o di aspirazione.

In questa indagine è stato usato il sistema SAS (Surface Air System), che usa una forza aspirante di 180 litri/minuto e sono state valutate le unità formanti colonia (UFC). I prelievi sono stati eseguiti nel laboratorio di Chimica in assenza di persone, in palestra ed in un'aula all'inizio e alla fine delle lezioni, per verificare l'influenza delle persone sulla qualità dell'aria. E' stato effettuato anche un prelievo all'esterno per avere un confronto sui risultati.

Il mezzo colturale è stato incubato alla temperatura di crescita dei microrganismi ricercati. Per la coltura sono stati utilizzati terreni arricchiti, selettivi e indicatori.

Per la valutazione della qualità microbiologica dell'aria è stata ricercata:

• 
  

  la carica batterica totale (CBT) che è un indice generico di contaminazione dell'aria

  
  
• 
  

  lo Staphylococcus aureus che è un indice di contaminazione umana;

  
  
• i Gram negativi che comprendono diversi patogeni;

• 
  

  la carica ifomicetica che è un indice di contaminazione ambientale.

  
  

Per determinare la CBT è stato utilizzato un terreno arricchito: il Plate Count Agar (PCA) messo a incubare a 30-32 °C per 48h.

Per individuare S. aureus si è usato un terreno selettivo e indicatore: il Mannitol Salt Agar (MSA) e un terreno selettivo e differenziale: il Baird Parker Agar (BPA) posti a incubare a 37°C per 48h.

Per i Gram negativi è stato usato un terreno selettivo e differenziale: il Mac Conkey Agar (MAC-CONK) posto a incubare a 37°C per 48h.

Le colonie cresciute sui terreni selettivi sono state successivamente isolate e sottoposte a diverse prove di identificazione:

• 
  

  microscopica con la colorazione di Gram;

  
  
• 
  

  biochimica (enzimatica) con Enterotube che consente un'identificazione rapida delle Enterobacteriaceae.

  
  

La carica ifomicetica è stata determinata con un terreno selettivo: il Sabouraud Dextrose Agar (SAB) lasciato a temperatura ambiente per 1 settimana.

L'identificazione delle muffe è stata determinata su base morfologica macroscopica, valutando l'aspetto, la forma, il colore e la consistenza della colonia, ed anche su base microscopica osservando la struttura delle ife e del corpo fruttifero. Per queste osservazioni sono state eseguite colture su vetrino con il metodo di Riddel.

CONCLUSIONI

Secondo le linee guida per la valutazione della concentrazione aerodispersa di miceti in ambienti confinati non industriali (tratto da: Exposure guidelines for residential indoor air quality, Ottawa, Health and Welfare Canada, 1987), la presenza di alcuni patogeni (Aspergillus fumigatus) e funghi produttori di tossine dovrebbe essere considerata inaccettabile. Una concentrazione di oltre 50 UFC/m³ dovrebbe costituire ragione di un intervento se è presente 1 sola specie patogena. Il limite di 150 UFC/m³ dovrebbe essere considerato inaccettabile se si riscontra una miscela di specie patogene. Il limite di 300 UFC/m³ dovrebbe essere considerato accettabile se le principali specie presenti sono Cladosporium od altri funghi normalmente presenti nell'ambiente.

RINGRAZIAMENTI

Si ringrazia per la collaborazione la Dr.a Erica Leoni del Dipartimento di Medicina e Sanità Pubblica dell'Università di Bologna e il Dr. Bruno Marchesini del Dipartimento di Sanità Pubblica dell'AUSL di Bologna.

Le analisi chimiche sono state effettuate c/o i Laboratori dell'ARPA di Bologna.

BIBLIOGRAFIA

1) Brady-Holum Chimica Ed. Zanichelli (1985)

2) Davis-Dulbecco-Eisen-Ginsberg Microbiologia Ed. Zanichelli (1993)

3) Graham-Solomons Chimica organica Ed. Zanichelli (1979)

4) Le Scienze-Quaderni-Ambiente e salute n.109 (settembre 1999)

5) Meyer L'aria: analisi dell'inquinamento negli ambienti Ed.Tecniche nuove (1990)