Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 4351 (2022) Citer cet article
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Les pierres reconstituées sont de nouveaux matériaux de construction associés à une récente recrudescence des cas de silicose parmi les travailleurs de l'industrie de la taille de pierre. Afin de comprendre le risque lié à la courte latence des maladies pulmonaires chez les tailleurs de pierre, nous avons simulé un scénario d'exposition à la poussière en temps réel en usinant à sec des pierres reconstituées dans des conditions contrôlées, en capturant et en analysant la poussière respirable générée pour en déterminer les caractéristiques physiques et chimiques. Le granit et le marbre naturels ont été inclus à des fins de comparaison. La taille des pierres reconstituées a généré de fortes concentrations de particules très fines (< 1 µm) avec une teneur en silice cristalline respirable > 80 %, sous forme de quartz et de cristobalite. Les pierres reconstituées contenaient également 8 à 20 % de résine et 1 à 8 % en poids d'éléments métalliques. En comparaison, les pierres naturelles avaient une teneur en silice cristalline respirable beaucoup plus faible (4 à 30 %) et une teneur en métaux beaucoup plus élevée, 29 à 37 %. Les émissions de poussière de pierre naturelle avaient également une surface plus petite que celle de la pierre reconstituée, ainsi qu'une charge de surface inférieure. Cette étude a mis en évidence la variabilité physique et chimique au sein des types de pierres reconstituées ainsi qu'entre les pierres reconstituées et naturelles. Ces informations aideront à terme à comprendre le danger unique posé par les travaux de fabrication de pierres reconstituées et aideront à orienter l'élaboration de mesures de contrôle techniques spécifiques ciblant une exposition plus faible à la silice cristalline respirable.
La silicose est une maladie pulmonaire professionnelle que l'on retrouve couramment dans des secteurs tels que la construction, la métallurgie et les mines/carrières de charbon et de métaux. Elle est provoquée par l'inhalation de silice cristalline respirable (RCS), sous forme de quartz, de tridymite ou de cristobalite1. Le quartz, étant le minéral le plus abondant dans la croûte terrestre, est rencontré plus souvent que les autres polymorphes, en particulier dans le cadre professionnel impliquant le traitement mécanique de matériaux contenant du quartz2. L'exposition professionnelle à la cristobalite peut également survenir dans l'industrie de la céramique en raison de la conversion du quartz dans les fours et dans les industries de diatomées qui traitent des échantillons contenant > 85 % de cristobalite1,3. L'exposition à d'autres polymorphes de silice cristalline, tels que la coésite et la stishovite, est rare4.
Les pierres reconstituées, également appelées pierres artificielles, sont de nouveaux matériaux de construction couramment utilisés pour la fabrication de comptoirs de cuisine et de salle de bain, de carreaux de sol et de façade. Ils doivent leur popularité à leur durabilité, leur attrait esthétique, leur variabilité et leur prix abordable. Leurs ventes ne montrent aucun signe de ralentissement ; en fait, on estime que la part de marché des États-Unis augmentera de 7,4 % par an5. Malheureusement, la popularité croissante de ces nouveaux matériaux a été associée à l'émergence d'une « silicose accélérée » parmi les travailleurs de l'industrie6. Tragiquement, l’apparition de la silicose s’est produite après des périodes d’exposition et des périodes de latence plus courtes que celles habituellement observées2. Une étude espagnole a rapporté une augmentation des cas de silicose de 61 % entre 2007 et 20117, ce qui représente un cluster important sur une courte période. L'âge médian des travailleurs diagnostiqués avec une silicose était de 33 ans, suite à une exposition médiane à la poussière de pierre artificielle de 11 ans. Des augmentations similaires de l'incidence de la silicose parmi les travailleurs ont été signalées en Israël, aux États-Unis et en Australie5,6,8.
L'inquiétude concernant la santé des travailleurs de la pierre reconstituée vient du fait que les pierres reconstituées contiennent généralement > 90 % de quartz, assemblés dans une matrice avec des pigments et des résines polymères9. En comparaison, les pierres naturelles contiennent beaucoup moins de silice que les produits artificiels. Le marbre et le granit sont deux de ces pierres naturelles contenant respectivement 3 % et 40 % de silice. Par conséquent, les processus de fabrication tels que la taille, le perçage et le polissage des pierres reconstituées peuvent entraîner de fortes concentrations atmosphériques de poussière contenant du quartz10. Il est intéressant de noter que ces processus mécaniques sont de plus en plus effectués dans des conditions humides dans l’industrie, grâce à l’utilisation de broyeurs et de polisseurs pneumatiques alimentés en eau, afin de réduire l’exposition à la poussière. Néanmoins, les tâches de finition finissent souvent par être manuelles, sans suppression de l'eau, ce qui entraîne un risque élevé d'exposition à la silice cristalline11.
80% crystalline silica, often as a combination of quartz and cristobalite. Two engineered stones had only quartz in their composition (> 90%), while the majority of the other samples contained between 42 and 88% quartz. In engineered stone samples with relatively low (< 25%) quartz, such as ES6 and ES12, cristobalite accounted for the rest of the mineralogical composition (Table 1). Cristobalite was present in several other samples, albeit in lower concentrations than ES6 or ES12. It was present in moderate levels (36 ± 4.1%) in ES2, ES3 and ES11 and in low levels (< 5%) in ES1 and ES4 (Table 1). Compared to crystalline silica minerals, albite and rutile were less commonly found in respirable engineered stone dust. When present, they were observed in very low amounts, typically < 5% (Table 1). The only exception was ES4 which had a varied mineralogical composition, including 13% rutile (Table 1). No muscovite was observed in engineered stones./p> white marble (11%) > white granite (3.6%). The natural stones comprised several other minerals for example, albite, a feldspar mineral commonly found in igneous rocks such as black granite. White marble contained predominantly calcite (66%) and dolomite (22%) and white granite contained mostly dolomite (91%)./p> 16%) (Table 1). Sample weight loss, as shown by a derivative thermogravimetric graph (DTG) (Supplementary Fig. S1), occurred in three stages: a small weight loss was observed while the sample was heated to up to ~ 300\(^\circ\)C, attributed to the desorption of water9; the second, and maximum, weight loss occurred at around 450\(^\circ\)C for all respirable engineered stone dust samples and was attributed to the loss of polymeric resin from the material. The third weight loss was observed at higher temperatures (~ 600\(^\circ\)C), but was considered minimal in comparison to the other two losses (Supplementary Fig. S1)./p> 90% of the dust particles had diameters in the size range of 190 nm to 825 nm (Fig. 1). The respirable dust emissions from cutting most engineered stones were similar in diameter, except for ES10 which had significantly finer dust, with particle diameter range of 142–295 nm (average 218 nm); in comparison, ES8 had the largest dust size with a particle diameter range of 459–1106 nm (average of 715 ± 91 nm) (Table 1, Fig. 1). Among all three natural stones, the black granite had a lower average particle size (503 nm) than the other two (534 and 675 nm respectively) (Table 1), but all three natural stones had particle size distributions comparable to those of engineered stones (Fig. 1)./p> 90%) content, such as ES8 (Table 1)./p> 2.50 ± 0.13 m2/g surface area, while the rest averaged 1.72 ± 0.11 m2/g in surface area. In comparison, the specific surface area of the natural stones (range of 0.439 – 0.878 m2/g) was lower than the engineered stones (Supplementary Information Table S1)./p> 6% by weight elemental content (Fig. 3a)./p> 1% wt.) elements, it was observed that the following elements were in trace amounts in engineered stones: Cu, P, S, Ni, Co, Cr, Sn, Zr and Cl (Fig. 3a). Elements Fe, Ca, Mg, and K were predominantly in minor distributions. Certain elements such as Ca, Mg, Na and Ti had a range of concentrations from minor to major elemental fields./p> 80% by weight crystalline silica and 8–20% resin21. Further characterisation of the RCS was undertaken on the basis that the crystalline structure of the minerals may exert an influence on their toxicity22. In our study, 9 out of 12 engineered stone respirable dust samples had a combination of quartz and cristobalite structures, although quartz was still the dominant structure, forming > 55% of the total mineralogy. Cristobalite was the second most common mineral, while albite and rutile were detected in smaller amounts. Quartz and cristobalite differ from one another in their mineralogy, surface characteristics and natural association with other elements23. Early studies comparing the dose response of quartz and cristobalite on pulmonary function in rats showed that both structures were similarly detrimental to the lungs, although cristobalite elicited a slightly faster response than quartz24. However, subsequent animal experiments and epidemiological studies discounted these findings, by showing no evidence for differences in the inflammatory and fibrogenic potentials of quartz and cristobalite23. Horwell et al.4 even showed that cristobalite-rich volcanic ash was less toxic than expected and posed less of a respiratory health hazard than quartz. They attributed this finding to the relative open structure of cristobalite compared to quartz, which allows the substitution of cations such as aluminium (Al3+) and sodium (Na+) in the Si tetrahedral, hence affecting cristobalite toxicity1,4. Taken together, these studies show insufficient evidence that either mineral is more toxic than the other. Nonetheless, the high concentration of crystalline silica in the respirable dust from engineered stones may be cause for concern as quartz and cristobalite are the only crystalline silica minerals recognised as Group 1 carcinogens—“carcinogenic to humans”—by the International Agency for Research on Cancer25./p> 85% quartz) had a bimodal distribution, with one mode in the same range as in this study (~ 500 nm), whereas the other was in the ultrafine particle (UFP) range, commonly defined as particles < 100 nm29. Although visually observed, UFPs were not measured in the present study, likely due to the limitations of the air sampling or particle size analysis techniques. We are currently exploring some real-time measurement of UFP using direct reading instrumentation for more precise dust exposure assessment during engineered stone fabrication tasks./p> 0.7) and particle imaging by SEM, the dust particles in our study were, in fact, heterogenous in shape, size and structure. Apart from particle size and morphology, the surface properties of quartz have been reported to also play an important role in cytotoxicity, suggesting that the specific surface area of engineered stones may be a useful parameter for characterisation and differentiation between engineered and natural stones26,31,32./p> 1%) quantities in the samples studied, possibly originating from the pigments and resins37,38. Although generally considered non-toxic, Ti (titanium dioxide, TiO2) has been shown to be an aetiological agent for lung inflammation, especially in the ultrafine fraction39,40. The possible role of metals in the toxicity of silica has been elicited before. For example, Clouter et al.41 (and references therein) suggested that the toxicity of quartz involves Fe. While the presence of Fe and Al has been considered for the potential reason for the differing zeta potentials of black granite and other natural stones, this could not explain the greater negative zeta potential of engineered stone compared to the black granite, since the concentration of Fe and Al is much lower in engineered stone. Several other elements not found in the natural stone samples were detected in the engineered stone ones, but only in trace quantities. Therefore, while we cannot exclude any role of metal ions in silica toxicity, it is unlikely that any such effect is mediated though the pathway linked with the generation of zeta potential./p>
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