Exercise performance and heat stress among workers in paper industry
Background and Aim: Heat is a daily component of stress among industrial workers. The World Health Organisation (WHO) sets reference values for the upper limit of tolerance when working in hot and humid conditions at a heart rate (HR) of 110 bpm, irrespective of age and capacity. The aim of the study was to investigate the influence of age and exercise performance when working in hot conditions in the paper industry with reference to current limit values.
Methods: 187 male employees (age: 36.4 ± 9 yrs, height: 177 ± 6 cm, weight: 82.5 ± 12 kg) from seven paper-producing companies participated in the project. The employees‘ exercise performance was determined by an incremental submaximal cycle-ergometer test measuring heart rate (HR), oxygen uptake (VO2) and power output (P). Maximal values (VO2max, Pmax) were calculated. HR was measured for 8 hours (h) during 817 work shifts approximating to 6000 h.
Results: The average HR during 8-hour shifts was 93 ± 11 bpm and was significantly below the WHO limit of 110 bpm. However, when performing specific tasks due to disruptions in the production process some employees showed an elevated HR of up to a maximum of 142 ± 17 bpm for a short time (33.8 ± 22 min) due to working in heat at 55 ± 15 °C wet-bulb globe temperature (WBGT) and 10–60 % humidity. There was a significant correlation between the age and fitness of the employees and task-specific increases in HR.
Conclusions: It can be stated that short-term heat exposure may lead to significant strain exceeding the tolerance limits. On the whole, however, a higher level of performance decreases the overall work-related strain on employees and results in a lower number of HR increases above the limits.
Keywords: heart rate – industrial work – oxygen uptake – safety recommendations – environmental conditions
ASU Arbeitsmed Sozialmed Umweltmed 2020; 55: 690– 696
Leistungsfähigkeit und Hitzebelastung bei Arbeitern in der Papierindustrie
Hintergrund und Ziele: Hitze ist eine alltägliche Belastungskomponente bei Beschäftigten in der Industrie. Als Toleranz-Obergrenze für Arbeit unter Hitzebedingungen und hoher Luftfeuchte gibt die Weltgesundheitsorganisation (WHO), unabhängig von Alter und Leistungsfähigkeit, eine Herzfrequenz von 110 Schlägen/min vor. In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss von Alter und Leistungsfähigkeit bei Arbeit unter Hitzebedingungen in der Papierindustrie in Bezug zu aktuellen Grenzwerten untersucht.
Methoden: Sieben unterschiedliche papiererzeugende Firmen nahmen mit insgesamt 187 männlichen Mitarbeitern (Alter: 36,4 ± 9 J, Größe: 177 ± 6 cm, Gewicht: 82,5 ± 12 kg) an der Studie teil. Die Leistungsfähigkeit der Arbeiter wurde mittels eines submaximalen stufenförmigen Fahrradergometer-Tests bestimmt. Gemessen wurden dabei die Herzfrequenz (HF), die Sauerstoffaufnahme (VO2), die Leistungsfähigkeit (P) und die maximalen Werte (VO2max, Pmax) wurden berechnet. Pro Schicht wurde die HF über 8 Stunden (h) gemessen. Insgesamt wurden ca. 6000 h HF in 817 Schichten aufgezeichnet.
Ergebnisse: Die durchschnittliche HF während 8 Stunden Schichtarbeit lag mit 93 ± 11 S/min deutlich unter dem WHO-Grenzwert von 110 S/min. Jedoch wurden beim Beheben von Produktionsunterbrechungen bei einigen Arbeitern kurzzeitig (33,8 ± 22 min) sehr hohe HF-Werte festgestellt, die durch die Arbeit unter Hitze mit 55 ± 15 °C Feuchttemperatur (WBGT – Wet Bulb Globe Temperature) und 10–60 % Feuchte bis auf ein Maximum von 142 ± 17 S/min anstieg. Das Alter und die Leistungsfähigkeit der Arbeiter standen in einem signifikanten Zusammenhang mit den tätigkeitsspezifischen HF-Anstiegen.
Schlussfolgerungen: Es kann festgehalten werden, dass temporäre Hitzebedingungen zu deutlichen Beanspruchungen über den Grenzwerten führen können. Insgesamt bewirkt jedoch eine höhere Leistungsfähigkeit eine geringere Gesamtbeanspruchung der Arbeiter und führt zu einer geringeren Anzahl an HF-Grenzwertüberschreitungen.
Schlüsselwörter: Herzfrequenz – Industriearbeit – Sauerstoffaufnahme – Sicherheitsempfehlungen – Umgebungsbedingungen
Einleitung
Hitzebelastungen in der Industrie wurden als häufige, meist temporär auftretende Belastungen und als Risiko für die Beschäftigten erkannt (Yousef et al. 1986; Jacklitsch et al. 2016). Bei Belastungen unter Hitzebedingungen reagiert der Körper mit einem Anstieg der Körpertemperatur, der Herzfrequenz (HF) und der Schweißsekretion (Keim et al. 2002; Faerevik et al. 2003). Diese physiologischen Reaktionen können daher als Indikatoren für physische Beanspruchung verwendet werden (Noakes 1998). Zusätzlich führten Hitzebelastungen zu einem Anstieg der Stresshormone Cortisol, Adrenalin und Noradrenalin (Vangelova 2002). Es ist bekannt, dass die Fähigkeit zur Akklimatisation an Hitze zu einer verbesserten Hitzetoleranz führt (Yousef et al. 1986). Um einen Hitzestress zu vermeiden, sollte eine Akklimatisation 7–12 Tage dauern (Babayev 1986; Frisancho 1991; Montain et al. 1986). Zu beachten ist, dass unterschiedliche Regulationssysteme wie beispielsweise das Herz-Kreislauf-System, das Elektrolytgleichgewicht, die Schweißsekretion und die Temperaturregelung des Körpers unterschiedliche Anpassungszeiten benötigen (Coles et al. 2002). Es gibt jedoch Grenzen der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit, ab denen sich der Mensch nicht mehr akklimatisieren kann (Coles et al. 2002). Keim et al. (2002) geben an, dass eine Akklimatisation von 8–10 Tagen ausreichend ist, um sich an Hitze in Verbindung mit einer moderaten Arbeitsbelastung anzupassen. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass eine Anpassung an Hitze bereits nach 3–4 Wochen Unterbrechung wieder verloren geht (Wenzel et al. 1982).
Eine wichtige Fähigkeit zur Anpassung an Hitze ist der Grad der individuellen Leistungsfähigkeit (Gonzales et al. 1999), obwohl dieser Zusammenhang für gewerbliche Arbeit unter Hitzebedingungen noch nicht beschrieben wurde. Gonzales et al. (1999) beschrieben eine schnellere Anpassung bei Testpersonen mit einer maximalen Sauerstoffaufnahme (VO2max) von 60 ml/kg/min im Vergleich zu weniger trainierten Personen. Da man jedoch davon ausgehen muss, dass Arbeiter üblicherweise nicht die Leistungsfähigkeit von trainierten Sportlern aufweisen, ist es notwendig, die Beanspruchung unter Hitzebedingungen in einem Industriesetting näher zu untersuchen, vor allem auch vor dem Hintergrund, dass es für den Bereich der papierproduzierenden Industrie keinerlei publizierte Ergebnisse zu Hitzebelastungen gibt. Üblicherweise sind Beschäftigte in der Papierindustrie Hitzebelastungen nicht während einer gesamten Schicht ausgesetzt, jedoch treten produktionsbedingt immer wieder temporäre und auch mehrfach pro Schicht wiederholte Hitzebelastungen auf. Bei Produktionsunterbrechungen (z. B. Abriss der Papierbahn) treten durch das notwenige Öffnen der Schutzhauben sehr hohe Temperaturen von deutlich über 60 °C auf und Beschäftigte müssen kurzfristig und oft auch mehrmals pro Schicht unter diesen Hitzebedingungen den regulären Produktionsablauf wiederherstellen. Die maximale Aufenthaltsdauer wurde von Lang und Schram (2001) für akklimatisierte Beschäftigte in der Papierindustrie mit 13 min für 48,9 °C am Verdunstungsthermometer (sog. Wet bulb globe temperature, WBGT = Feuchttemperatur; Nachtrockengruppe Triebseite unten) und mit 334 min bei 27,8 °C WBGT (Maschinenhalle neben der Trockenpartie) beschrieben. Der Einfluss dieser Bedingungen auf die akute Beanspruchung der Beschäftigten wurde bisher jedoch kaum untersucht (Coles et al. 2002).
Sicherheitsobergrenzen für Arbeit unter Hitzebedingungen
Der Research Report Nr. 008 (Bethea u. Parsons 2002) und das American College of Sports Medicine (ACSM 1996) beschrieben 28 °C WBGT als Obergrenze für durchgehende Belastung und akklimatisierte Personen und eine Grenze von 26 °C WBGT für nicht akklimatisierte Personen. Über 32 °C WBGT sollte keine manuelle Tätigkeit aufgrund der kardialen Risiken durchgeführt werden (Keim et al. 2002; Jacklitsch et al. 2016). Die WBGT wurde dabei als valide Möglichkeit zur Beurteilung der Hitzebelastung eingestuft (Kenney u. Balin 1986; Bernard et al. 1991). Zusätzlich gibt die WHO (1969) einen Referenzwert von 110 S/min HF als Obergrenze für Arbeit unter Hitze mit hoher Luftfeuchte an. Dieser Grenzwert wurde unabhängig vom Alter und von der Leistungsfähigkeit festgelegt. Andere Autoren beschrieben einen Grenzwert der Beanspruchung von 33–50 % VO2max (Bernard 1997; Goldman 1988; Brake u. Bates 2001) und Coles et al. (2002) empfahlen ein HF-Limit von 180 minus Alter für Hitzearbeit und Personen mit normaler Fitness. Zur Gewährleistung der Sicherheit der Beschäftigten werden die Kontrolle der HF sowie Arbeitsunterbrechungen empfohlen (Bethea u. Parsons 2002). Ein guter Fitnesszustand wurde als wichtig erachtet, um negative Konsequenzen von Hitzebelastungen zu vermeiden (Mariaux 1985).
Ziel der Studie war es, die physische Beanspruchung während mehrerer Schichten in unterschiedlichen Firmen der papiererzeugenden Industrie in Relation zur Leistungsfähigkeit und zum Alter der Arbeiter zu evaluieren.
Probanden
An der Studie nahmen sieben papierproduzierende Firmen teil. Das Projekt wurde von der Österreichischen Vereinigung der Zellstoff- und Papierchemiker und -techniker (ÖZEPA) genehmigt. Insgesamt nahmen 187 Arbeiter (Alter: 36,4 ± 9 Jahre, Größe: 177 ± 6 cm, Gewicht: 82,5 ± 12 kg, BMI: 26,0 ± 3,4 kg/m2) an der Studie teil. 33 % der Teilnehmer waren übergewichtig und 8 % adipös. Die Einschluss- und Ausschlusskriterien wurden von einer Expertengruppe (Schichtleitung, Arbeitsmedizinerin/-mediziner) festgelegt. Alle eingeschlossenen Teilnehmer waren gesund, arbeiteten permanent in Produktionsbereichen mit Hitzebelastungen und waren langjährig an diese Tätigkeiten gewöhnt.
Alle Teilnehmer der Studie gaben nach entsprechender Aufklärung durch die Studienleitung ihre Zustimmung zur Teilnahme an der Studie. Die Studie wurde von einem Expertengremium der ÖZEPA und der Arbeitsmedizin im Einklang mit der Helsinki-Deklaration genehmigt.
Methoden
Die Leistungsfähigkeit der Probanden wurde mit einem stufenförmigen, submaximalen Fahrradergometer Test (Daum Electronic 8008 TRS) bestimmt. Als Zielherzfrequenz für den submaximalen Belastungsabbruch wurde die individuelle Physical Working Capacity (PWCi) bei 210 minus Alter × 0,9 festgelegt (Hofmann et al. 1995). Der Test wurde bei einer Eingangsstufenleistung von 40 Watt (W) begonnen und die Leistung wurde stufenförmig jede Minute um 15 W bis zum Erreichen der Zielherzfrequenz gesteigert. Die Leistung (Ppeak) und die Sauerstoffaufnahme (VO2peak) bei Belastungsabbruch (= 90 % HFmax) wurden als Marker für die individuelle Leistungsfähigkeit der Testpersonen verwendet. Zusätzlich wurde die Leistung bei einer HF von 110 S/min (PWC110) entsprechend den Grenzwerten der WHO (1969) durch Interpolation aus den Ergometriedaten bestimmt. Die HF vor Belastung wurde im Sitzen am Ergometer gemessen und wurde als zusätzliche Kenngröße verwendet. Beim Ergometertest wurden die HF (S 810, Polar Electro, Finnland), spirometrische Variablen (Metamax I, Cortex Biophysik, Deutschland) und die Ergometerleistung (P) gemessen. Um die Ergebnisse mit Referenzdaten zu vergleichen (ACSM 2007) wurden die maximale Leistungsfähigkeit (Pmax) und die maximale Sauerstoffaufnahme (VO2max) durch Extrapolation bestimmt. Das Spirometer wurde vor jeder Messung mit bekannten Gaskonzentrationen und die Volumenmessung mit einer 1-l-Pumpe entsprechend den Herstellervorgaben (Cortex Biophysik, Deutschland) kalibriert.
Die Beanspruchung während der Arbeit wurde durch eine durchgehende Messung der HF (Polar S 810, Polar Electro, Finnland) bei 8-h-Schichten bei allen Teilnehmern bestimmt. Dabei wurde die HF kontinuierlich gemessen und in 5-Sekunden-Intervallen gespeichert. Ein typisches Beispiel für den HF-Verlauf während einer Schicht ist in ➥ Abb. 1 dargestellt. Die HF steigt bei physischen Tätigkeiten in der Hitze, wie zum Beispiel beim Reinigen und Entfernen von Papierresten nach einer Produktionsunterbrechung oder vergleichbaren Arbeiten deutlich an. Dieser HF-Anstieg wurde als HFpeak bezeichnet und die mittlere HF (±SD) sowie die Expositionszeit mit erhöhten Werten (tpeak) bestimmt. Insgesamt wurde die HF während 817 Arbeitsschichten (315 Früh-, 303 Nachmittags- und 199 Nachtschichten) mit einer Gesamtzeit von etwa 6000 h gemessen. Drei bis acht Schichten wurden von jedem Probanden aufgezeichnet. Die Temperatur und die Luftfeuchte sowie die Temperatur am Verdunstungsthermometer wurden an unterschiedlichen Stellen der Papiermaschinen mit Standardmessgeräten (Wet Bulb Globe Temperature – WBGT) gemessen. Die Messpunkte repräsentieren die Arbeitsbereiche, in denen Arbeiter üblicherweise während der Schichten Tätigkeiten verrichten.
Datenanalyse
Alle Ergebnisse sind als Mittelwerte (± Standardabweichung – SD) dargestellt. Signifikante Unterschiede zwischen den Leistungsgruppen wurden mittels ANOVA und Tukey´s Post-hoc-Test bestimmt. Ein Signifikanzgrad von p < 0,05 wurde angenommen. Zusammenhänge wurden mittels Pearson’s Produkt-Moment-Korrelationsanalyse untersucht. Als Statistiksoftware wurde WinSTAT (3.01, Kalmia Corporation, USA) verwendet.
Die gesamte Stichprobe wurde nach der Leistungsfähigkeit in Subgruppen (A < 2,00 W/kg, B 2,00–2,49 W/kg, C 2,50–2,99 W/kg,
D > 3,0 W/kg) sowie in Altersgruppen (A 18–30 J, B 31–39 J, C 40–45 J, D 46–57 J) eingeteilt.
Ergebnisse
Anthropometrische Daten und Leistungsfähigkeit
33 % aller Arbeiter waren übergewichtig und 8 % wurden als adipös eingestuft. Der Body Mass Index (BMI) aller Probanden lag bei 26 ± 3,4 kg/m2.
Die Leistungsfähigkeit der Studienteilnehmer ist in ➥ Tabelle 1 dargestellt. Sowohl für die Ppeak als auch die Pmax wurden signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen festgestellt. Die mittlere Ppeak wurde bei 181 ± 37 W und einer relativen Leistung von 2,2 ± 0,45 W/kg innerhalb der Limits für normale altersgemäße Fitness gefunden. Die berechnete VO2max lag mit 36,8 ml/kg/min im Bereich für untrainierte Personen. Die Leistungsgruppen A (BMI: 28 ± 4 kg/m2, Ppeak: 146 ± 30 W) und B (BMI: 26 ± 3, Ppeak: 185 ± 23 W) waren signifikant leistungsschwächer und übergewichtiger im Vergleich zu den Gruppen C (BMI: 24 ± 2, Ppeak: 203 ± 24 W) und D (BMI: 24 ± 2, Ppeak: 231 ± 32 W). Nur die Gruppen C und D erreichten normale Sauerstoffaufnahmewerte entsprechend den Empfehlungen (Brake u. Bates 2002; Wilmore 2001); die Leistungsgruppen A und B waren signifikant unter den empfohlenen Grenzwerten.
Table 1: Exercise performance of all participants. The test was terminated at 90 % of the age-appropriate maximal HR. Peak values for performance (Ppeak,) and oxygen uptake (VO2peak) are the measurements at submaximal termination of the test; the values for performance (Pmax) and oxygen uptake (VO2max) are the extrapolated maximal values
Ergebnisse der Schichtarbeit
Die mittlere Temperatur im Arbeitsbereich betrug zwischen 32 und 65 °C WBGT mit einer relativen Luftfeuchte zwischen 10 und 80 %, ähnlich wie bereits für Papierarbeitsbereiche beschrieben (Lang u. Schram 2001). Durch Schichtwechsel bedingt konnte die HF in einigen Fällen nicht für die gesamte Schichtdauer aufgezeichnet werden, die jeweiligen Messungen sind jedoch repräsentativ für die absolvierte Arbeit. In den einzelnen HF-Aufzeichnungen waren einige Fehlmessungen, die durch starke elektromagnetische Felder der Antriebsmotoren verursacht wurden. Es wurden daher alle HF-Aufzeichnungen kontrolliert und, wo nötig, fehlerbehaftete Aufzeichnungen aus der Analyse ausgeschlossen. Die mittlere Dauer der HF-Aufzeichnungen, die in die Analyse aufgenommen wurden, war daher 387 min (➥ Tabelle 2). Die mittlere HF pro Schicht lag mit 93 ± 11 S/min deutlich unter dem WHO-Limit von 110 S/min. Von insgesamt 817 aufgezeichneten Schichten, waren jedoch 14,3 % über dem WHO-Limit und 39 % aller Teilnehmer hatten zumindest eine Schicht über diesem Grenzwert. Die HFpeak wurde bei 160 ± 12 S/min (87 ± 7% HFmax) gefunden, wobei einzelne Arbeiter bei spezifischen Tätigkeiten durch Hitzebelastung und Feuchtigkeit (55 ± 15 °C WBGT, 10–60 % Feuchte) sogar eine HF von bis zu 195 S/min erreichten. Die mittlere HFpeak wurde bei 142 ± 17 S/min gemessen, wobei sie bei den jüngeren Altersgruppen A und B höher war als in den Gruppen C und D (s. Abb. 2). Die Dauer mit deutlich erhöhter HF lag im Mittel bei 33,8 ± 22 min pro Schicht, entsprechend etwa 7 % der Gesamtzeit (s. Tabelle 2).
Table 2: Heart rate and number of task-specific peak loads during shift work as well as fluid intake per shift for all participants
Es wurde ein signifikanter Einfluss des Alters und der Leistungsfähigkeit auf den arbeitsspezifischen Anstieg der HF unter Hitzebedingungen gefunden. Ältere und weniger leistungsfähige Arbeiter zeigten eine signifikant höhere Arbeitsbeanspruchung unter vergleichbaren Bedingungen, wobei von allen untersuchten Faktoren die Leistungsfähigkeit den höchsten Einfluss auf die Beanspruchung zeigte. Die Anzahl der arbeitsspezifischen Anstiege der HF über das WHO-Limit lag bei 0- bis 3,5-mal pro Schicht (s. Tabelle 2). Die mittlere Schicht-HF (HFmean Schicht) war umso höher, je höher die HF bei 40 W (HR40) im stufenförmigen Ergometertest gefunden wurde (r = 0,392; p < 0,001; n = 170).
Zwischen Frühschicht (93 ± 3 S/min), Nachmittagsschicht (95 ± 4 S/min) und Nachtschicht (88 ± 5 S/min) wurden keine signifikanten Unterschiede der HFmean Schicht gefunden, obwohl die Nachtschicht tendenziell eine niedrigere Beanspruchung zeigte. Das zeigte sich auch bei der Anzahl der Überschreitungen des WHO-Limits, die bei 18 % der Frühschicht und 17 % der Nachmittagsschicht, aber nur bei 7 % der Nachtschichten auftraten.
Um die lokalen Richtlinien für Nachtschichtarbeit zu erfüllen, benötigen Beschäftigte eine Leistungsfähigkeit von zumindest 2,5 W/kg in einem ergometrischen Stufentest. 27 % der untersuchten Arbeiter erfüllten dieses Kriterium nicht. Um dieses Kriterium zu erfüllen, wird im Mittel eine Leistungsfähigkeit von 66 ± 31 W bei 110 S/min (PWC110) im Stufentest benötigt. Probanden, die das Nachtschichtlimit nicht erfüllten, waren signifikant weniger leistungsfähig und erreichten bei 110 S/min HF nur eine Leistung von 34 ± 29 W. Arbeiter mit einer PWC110 von mindesten 66 ± 31 W oder größer hatten keine Schicht über dem WHO-Limit. Umso niedriger die Leistungsfähigkeit war, desto häufiger wurde eine größere Anzahl an Schichten mit HF-Werten über dem WHO-Grenzwert gefunden. Die Gruppe mit der geringsten PWC110 (31 ± 33 W) hatte mit 3–4 Schichten die höchste Anzahl an Überschreitungen des WHO-Limits. Arbeiter ohne Überschreitung des Limits zeigten mit 67 ± 32 W eine signifikant höhere PWC110 im Vergleich zu Arbeitern mit 1–3 Überschreitungen des Grenzwerts pro Schicht, die eine PWC110 von im Mittel 50 ± 35 W zeigten.
➥ Abbildung 2 fasst die unterschiedlichen Empfehlungen für HF-Limits für Hitzebelastungen (Grandjean 1991; WHO 1969) sowie die eigenen Ergebnisse zusammen. Diese Empfehlungen gehen jedoch nicht auf das Alter der Arbeiter ein. Da die HFmax mit dem Alter mehr oder weniger linear abnimmt (Birnbaumer et al. 2020) sollte der altersbedingte Verlauf der HF bei einer altersheterogenen Gruppe von Arbeitern jedoch unbedingt berücksichtigt werden.
Die HFmean Schicht war bei allen Altersgruppen im Mittel unter den Limits. Die mittlere HF während der Spitzenbelastungen (s. Tabelle 2) war jedoch signifikant über dem WHO-Limit und am Limit von Grandjean (1991), die HFpeak signifikant über beiden Limits.
Fig. 2: This figure shows two different HR limits for safety work, compared with the measured HR during work in the paper mill. The WHO limit of 110 and the safety limit from Granjean (1991) which describe a HR limit “HR in rest + 35 beat/min work strain HR” are presented
Diskussion
Zusammenfassend zeigten die Analysen von 813 Schichten mit etwa 6000 Stunden Arbeitsaufzeichnungen bei 187 Arbeitern in der Papierindustrie einen deutlichen Einfluss der Leistungsfähigkeit auf die Beanspruchung während kurzzeitiger Arbeitstätigkeiten unter Hitzebedingungen, obwohl insgesamt die Arbeiter innerhalb der Sicherheitsgrenze der WHO blieben. Die Anzahl der Überschreitungen des Limits war bei Arbeitern mit geringerer Leistungsfähigkeit deutlich höher.
Um Beschäftigte vor zu großen Hitzebelastungen zu schützen, hat die WHO eine Sicherheitsobergrenze der HF von 110 S/min für 8 Stunden Arbeit unter Hitzebedingungen empfohlen (WHO 1969). In der aktuellen Literatur sind jedoch keine wissenschaftlichen Untersuchungen zu finden, die diese Empfehlung bestätigen. Ein Problem dieser Empfehlung ist, dass Alter und Leistungsfähigkeit dabei nicht berücksichtigt werden. Eine Lösung zur Individualisierung wurde kürzlich von der eigenen Arbeitsgruppe vorgestellt (Fasching et al. 2020). Dabei wurde anstelle eines Fixwerts der HF ein individueller Schwellenwert als Grenzwert für die Belastung festgelegt. Um die Problematik besser darzustellen, wird anhand eines Einzelbeispiels der Effekt des Alters gezeigt. So hat beispielsweise eine 50-jährige Person eine berechnete maximale HF von 220 – Alter = 170 S/min. Bei dieser Person entspricht der Grenzwert von 110 S/min 64% des Maximums. Vergleicht man dies mit einer 20-jähriger Person, so ergibt sich bei der Berechnung nur eine Belastung von 55% der HFmax. Daraus lässt sich klar ableiten, dass ältere Personen mit dem fixen Grenzwert unterschätzt werden und die Beanspruchung steigt. Zusätzlich ist bekannt, dass die Leistungsfähigkeit mit dem Alter sinkt. In einer aktuellen Studie konnte dieser Effekt in einer großen Stichprobe gezeigt werden (Birnbaumer et al. 2020). Es ist daher ableitbar, dass bei gleicher Arbeitsbelastung die relative Belastung für ältere Beschäftigte steigt.
Neben dem fixen Grenzwert von 110 S/min der WHO (WHO 1969) wurde als Grenzwert für 8 Stunden Arbeit unter Hitzebedingungen eine HF-Obergrenze, berechnet aus der Ruhe-HF + 35 S/min, vorgeschlagen (Grandjean 1991). Im Fall der oben beschriebenen 50-jährigen Person ergibt das bei einer normalen Ruhe-HF von 70 S/min ein Maximum von nur 105 S/min. Untrainierte Personen, die eine deutlich höhere Ruhe-HF aufweisen, sind durch diese Berechnung deutlich benachteiligt, da zum Beispiel eine Ruhe-HF von 80 S/min bereits einen Grenzwert von 115 S/min ergibt. Grundsätzlich sind diese Grenzwerte jedoch nicht problematisch, da Personen über 8 Stunden schwere körperliche Arbeit den Grenzwert erste ventilatorische Schwelle/erste Laktatschwelle in der Regel nicht überschreiten (Fasching et al. 2020). Dieser Grenzwert liegt bei ca. 70% der HFmax und für eine 50-jährige Person bei 119 S/min. Jedoch wurde dieser Grenzwert in der vorliegenden Studie nicht im Zusammenhang mit Hitzebelastungen am Arbeitsplatz evaluiert.
Unabhängig davon, dass Beschäftigte isoliert auftretende Hitzebelastungen gut tolerieren (solange die Grenzwerte und die Sicherheitsbestimmungen eingehalten werden; Lang u. Schramm 2001), verursacht jahrelange Arbeit unter schweren Bedingungen gesundheitliche Risiken (Vangelova 2002) und erhöht das Sterberisiko (Mikkola et al. 2019).
In der vorliegenden Studie hatten weniger leistungsfähige, ältere Arbeitnehmer eine um 14% höhere HF während der Schicht (nicht signifikant) sowie eine größere Anzahl an Episoden mit einer deutlich über dem Grenzwert liegenden Beanspruchung bei Arbeiten in Hitzebereichen der Papiermaschine. Es wurde in Studien gezeigt, dass die physische Leistungsfähigkeit von Beschäftigten wichtig für die Reaktion auf Hitzebelastungen ist (Notley et al. 2018). Es wurden daher die Kontrollparameter HF, die WBGT sowie der Flüssigkeitsverlust für die Beurteilung der Hitzebelastung als Standard in der Literatur beschrieben (Bethea u. Parson 2002, Bernard u. Kenney 1994). Aktuelle Richtlinien (NIOSH 2016) beschreiben ähnliche Kontrollkriterien und geben Hinweise für die Prävention von zu hohen Belastungen (Jacklitsch et al. 2016).
Eine ausreichende Leistungsfähigkeit von Beschäftigten, die unter Hitzebedingungen arbeiten, wurde als wichtige Komponente beschrieben (Mairiaux 1985). Die eigenen Ergebnisse bestätigen diese älteren Ergebnisse. Brake u. Bates (2001) empfahlen eine VO2max von 39–48 ml/kg/min als ausreichenden Fitnesszustand, der ein wenig höher ist als die eigenen Ergebnisse mit 36,8 ml/kg/min. Die Österreichische Gesellschaft für Ergometrie (1991) gibt eine Belastung von 80% eines altersabhängigen Leistungswerts als Mindestgrenzwert vor, der für Nachtschichtarbeit erreicht werden muss. Die Klimafaktoren wurden bei diesem Grenzwert jedoch nicht berücksichtigt.
Eine Möglichkeit, die Hitzebeanspruchung von Beschäftigten zu reduzieren, ist die Anwendung intermittierender Belastungen (Bethea u. Parson 2002). Abhängig vom Produktionsprozess sind jedoch sehr oft Arbeitsunterbrechungen kaum oder nicht möglich, da sie meist hohe Kosten durch den entstehenden Leerlauf der Produktion verursachen. Wie die Ergebnisse zeigen, ist die Beanspruchung in der Papierproduktion im Mittel in einem sicheren und wenig belastenden Bereich. Es können jedoch bei Problemen in der Produktion kurzzeitig sehr hohe Hitzebelastungen mit einer sehr hohen Beanspruchung der Beschäftigten auftreten, die weitere Sicherheitsmaßnahmen und Präventionsstrategien notwendig machen. Neben einer guten Leistungsfähigkeit werden folgenden Maßnahmen für Arbeiten unter Hitzebedingungen in der Papierindustrie empfohlen:
Unter Beachtung dieser Empfehlungen ist auch bei temporärer Hitzeexposition bei Beschäftigten in der Papierindustrie eine sichere Arbeit gewährleistet. Diese Empfehlungen wurden daher zusammengefasst den Betrieben zur Verfügung gestellt (ÖZEPA; Hunstein et al. 2007).
Schlussfolgerungen
In dieser Studie wurde erstmals der Zusammenhang von Arbeit unter Hitzebedingungen und der körperlichen Leistungsfähigkeit in der Papierindustrie bei unterschiedlichen Produktionsbedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistungsfähigkeit bei 110 S/min HF einen signifikanten Zusammenhang zur Beanspruchung am Arbeitsplatz zeigt. Arbeiter mit einer submaximalen peak Leistungsfähigkeit von 2,5 W/kg oder einer Leistung von 66 W bei 110 S/min HF in der Fahrradergometrie hatten eine signifikant geringere Anzahl an hitzebedingten Spitzenbelastungen über dem Grenzwert der WHO und eine insgesamt geringere durchschnittliche HF während 8 Stunden Schichtarbeit.
Danksagung: Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung der Österreichischen Vereinigung der Zellstoff- und Papierchemiker und -techniker (ÖZEPA) und der Universität Graz.
Interessenkonflikte: Alle Autoren bestätigen, dass keinerlei Interessenkonflikte vorliegen.
Darlegung der Autorenschaft: MS, PH, GS – Konzeption des Protokolls; MS – Datenerhebung; MS, PH, GT – Datenanalyse und -interpretation; MS, PH, GT, PB – Verfassen des Manuskriptes; GS, GT, PB, PH – Kritische Durchsicht und Finalisierung; MS, GS, TG, PB, PH – abschließende Zustimmung.
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Kontakt:
Univ. Prof. Dr. Peter Hofmann
Institut für Bewegungswissenschaften, Sport und Gesundheit
AG für Leistungsphysiologie, Training und Trainingstherapie
Universität Graz
Max-Mell-Allee 11
8010 Graz, Österreich
peter.hofmann@uni-graz.at
