Extended environmental life-cycle assessment of munitions: adressing chemical toxicity hazard on human health

Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, na especialidade de Ecologia Industrial, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraDespite of the increasing awareness to the environmental impact associated with munitions, the research efforts done in this area are mainly related to safety and performance improvements, while a holistic perspective of the environmental impacts of their production, use, and disposal are not covered. To utterly comprehend those impacts is necessary to quantify the potential environmental and toxicological impacts associated with the life-cycle of ammunition. The use of the Life-Cycle Assessment (LCA) methodology for that purpose will not only allow the quantification of the impacts, but also indicate the path to enhance the environmental profile of ammunition. Environmental legislation is a main driver to enforce industry, including military industry, to develop new approaches to mitigate the environmental impacts of their products. An example of legislation pressure is the REACH regulation that is restricting the use of substances of very high concern (SVHC) that are classified based on limits established for selected physicochemical properties. The interpretation drawn from this classification system is that the potential consequences to human health are essentially dependent on a restricted number of a substance’s properties, and that the limits imposed are equivalent from that point of view. However, it is necessary to understand if those issues are verified in order to enhance the classification of hazardous substances. This thesis provides insights about two main goals associated with the life-cycle environmental impacts of ammunition. Firstly, LCA is presented to assess the environmental and toxicological impacts of ammunition in order to highlight the principal burdens associated with the production, use, and disposal of ammunition. The scarcity of life-cycle studies regarding this issue reflects its importance, novelty, and contribution to the scientific community to facilitate future studies about this issue. Secondly, this thesis aims to improve the hazard classification system of chemical substances, and to strength the reliability of the identification of SVHC. For that purpose, a conceptual framework was developed based on USEtox to calculate toxicological characterization factors (CFs) associated with virtual substances: hypothetical substances whose properties are based on the regulatory limits established by REACH. A hazard classification system based on the aforesaid toxicological CFs for virtual substances is proposed to assist in the evaluation of safer toxicological alternatives. ii The life-cycle inventories for energetic materials contributed to complete the gap and facilitate future studies associated with the environmental impact assessment of ammunition. Comprehensive LCA studies referent to the whole life-cycle of ammunition helped to assess and highlight the main hotspots for this product. In particular, LCA studies demonstrated the importance of a life-cycle approach to ammunition by illustrating that the information obtained from these studies outweighs the effort needed to overcome the difficulties stemming from data collection. The employment of a life-cycle perspective shed some light in some unexpected consequences or trade-offs related to “green” paths for ammunition. These findings will allow shooting range managers, ammunition producers or others, to become more aware of the main environmental impacts of ammunition as well as defining strategies to manage or mitigate ammunition burdens and carry out tailored modifications to decrease the impacts. The calculation and comparison of the toxicological CFs for the virtual substances allowed to conclude that: i) the different regulatory limits established by REACH are equivalent from the point of view of their ability to evaluate the human health impact; ii) the combinatory effect of the different physicochemical properties is not negligible when evaluating the hazard potential of a substance; iii) parameters such us water solubility or Henry´s law coefficient (not included in the SVHC classification) are as relevant as others presently included in REACH to evaluate hazard to human health; iv) the CFs of the virtual substances may be seen as a reference of what is an acceptable toxicological impact, and can be employed in a hazard classification of chemical substances. The aforesaid hazard classification system can be used to evaluate the significance of potential toxicological impacts and to provide additional information to screen the substances according to their toxicity hazard. This hazard classification system not only incorporates more properties than the ones considered in REACH regulation, but also takes in consideration the combinatory effect to calculate toxicological impacts on humans. This new framework intends to improve the toxicological assessment of substances, helping the industry to classify SVHC and understand the significance of the toxicological impacts related to conventional or new products.Apesar de uma maior perceção para os impactos ambientais associados a munições, os esforços de investigação feitos nesta área são sobretudo relacionados com a melhoria da segurança e performance, enquanto uma perspetiva holística aos impactos ambientais da sua produção, uso e eliminação não são abrangidos. Para compreender esses impactos é necessário quantificar os impactos ambientais e toxicológicos associados ao ciclo de vida de munições. A aplicação da metodológica de Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) para esse propósito permitirá a quantificação dos impactos, e assinalar o caminho para melhorar o perfil ambiental das munições. A legislação ambiental é um precursor para forçar a indústria, incluindo a indústria militar, a desenvolver novas abordagens para mitigar os impactos ambientais dos seus produtos. Um exemplo da pressão da legislação é o regulamento REACH que tem restrito o uso de substâncias de integração progressiva (SIP) que são classificadas tendo em conta limites estabelecidos para certas propriedades físico-químicas. A interpretação a partir deste sistema de classificação é que as potenciais consequências para a saúde humana são basicamente dependentes de um número restrito de propriedades de uma substância, e que os limites impostos são equivalentes desse ponto de vista. No entanto, é necessário perceber se esses pressupostos verificam-se e desta forma melhorar a classificação de substâncias perigosas. Esta tese faculta uma maior clareza sobre dois objetivos associados ao impacto ambiental do ciclo de vida de munições. Primeiro, a ACV é apresentada para avaliar os impactos ambientais e toxicológicos de munições de forma a esclarecer os principais problemas associados à produção, uso e eliminação de munições. A escassez de estudos de ciclo de vida sobre este assunto reflete a importância, novidade e o contributo para a comunidade científica para facilitar futuro estudos sobre este assunto. Em segundo, com esta tese pretende-se melhorar o sistema de classificação de substâncias perigosas, e consolidar a identificação das SIP. Com esse propósito, foi desenvolvido um enquadramento conceitual baseado no método USEtox para calcular os fatores de caracterização (FCs) toxicológicos associados a substâncias virtuais: substâncias hipotéticas em que as propriedades baseiam-se nos limites regulatórios determinados pelo REACH. É proposto um sistema de classificação de perigo, baseado nos FCs toxicológicos para as substâncias virtuais, para auxiliar na avaliação de alternativas mais seguras. Os inventários de ciclo de vida de materiais energéticos contribuem para completar a lacuna e auxiliar futuros estudos referentes à avaliação dos impactos ambientais de munições. Estudos de iv ACV referentes ao ciclo de vida total de munições ajudam a avaliar e realçar os “hotspots” deste produto. Nomeadamente, os estudos de ACV indicam a importância de uma perspetiva de ciclo de vida para munições, ilustrando que a informação obtida destes estudos supera o esforço requerido para superar as dificuldades na obtenção de dados. A perspetiva de ciclo de vida indicou que algumas soluções amigas do ambiente podem originar consequências inesperadas. Estes resultados permitem que gestores de campo de tiro, produtores de munições ou outros, sejam mais cientes dos principais impactos ambientais de munições, além de ajudar a definirem estratégias para gerir ou mitigar os problemas ambientais de munições e realizar modificações para reduzir esses impactos. O cálculo e comparação dos FCs toxicológicos das substâncias virtuais permitiu concluir que i) os diferentes limites regulatórios estabelecidos pelo REACH são equivalentes nem relação à sua aptidão para avaliar os impactos na saúde humana; ii) o efeito combinatório das diferentes propriedade físico-químicas não pode ser negligenciado quando são avaliados os potenciais perigos de uma substância; iii) propriedades como solubilidade e coeficiente da lei de Henry (não incluídas na classificação de SIP) são igualmente relevantes que as outras propriedades atualmente incluídas no REACH para avaliar os perigos na saúde humana; iv) os FCs das substâncias virtuais podem ser vistas como uma referência de um nível aceitável de impacto toxicológico, podendo ser utilizados num sistema de classificação de substâncias químicas perigosas. O sistema de classificação de perigo pode ser utilizado para avaliar a magnitude do potencial impacto toxicológico e fornecer informação adicional para selecionar substâncias de acordo com o seu perigo tóxico. Este sistema de classificação de perigo incorpora mais propriedades que os considerados atualmente pelo regulamento REACH, além de considerar também o efeito combinatório no cálculo dos impactos toxicológicos. Com este enquadramento novo pretende-se melhorar a avaliação do impacto toxicológico de substâncias, ajudando a indústria a classificar as SIP e entender a significância dos impactos toxicológicos relacionados com produtos novos ou convencionais