Bayesian Algorithm Implementation in a Real Time Exposure Assessment Model on Benzene with Calculation of Associated Cancer Risks

The objective of the current study was the development of a reliable modeling platform to calculate in real time the personal exposure and the associated health risk for filling station employees evaluating current environmental parameters (traffic, meteorological and amount of fuel traded) determined by the appropriate sensor network. A set of Artificial Neural Networks (ANNs) was developed to predict benzene exposure pattern for the filling station employees. Furthermore, a Physiology Based Pharmaco-Kinetic (PBPK) risk assessment model was developed in order to calculate the lifetime probability distribution of leukemia to the employees, fed by data obtained by the ANN model. Bayesian algorithm was involved in crucial points of both model sub compartments. The application was evaluated in two filling stations (one urban and one rural). Among several algorithms available for the development of the ANN exposure model, Bayesian regularization provided the best results and seemed to be a promising technique for prediction of the exposure pattern of that occupational population group. On assessing the estimated leukemia risk under the scope of providing a distribution curve based on the exposure levels and the different susceptibility of the population, the Bayesian algorithm was a prerequisite of the Monte Carlo approach, which is integrated in the PBPK-based risk model. In conclusion, the modeling system described herein is capable of exploiting the information collected by the environmental sensors in order to estimate in real time the personal exposure and the resulting health risk for employees of gasoline filling stations

Εκτίμηση της Έκθεσης Ευπαθών Ομάδων Πληθυσμού σε Περιβαλλοντικούς Παράγοντες και Πρόβλεψη Πιθανών Επιπτώσεων στην Υγεία

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή είχε ως στόχο την εκτίμηση της έκθεσης ευπαθών ομάδων πληθυσμού σε περιβαλλοντικούς παράγοντες, εστιάζοντας στο εσωτερικό περιβάλλον των κατοικιών. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η έκθεση των βρεφών και των νηπίων (έως 3 ετών) στους κυριότερους ρύπους εσωτερικού χώρου, ενώ παράλληλα πραγματοποιήθηκε και εκτίμηση του κινδύνου της έκθεσης αυτής. Κίνητρο της παρούσας Διατριβής αποτέλεσε η έλλειψη περιβαλλοντικών δεδομένων στο εσωτερικό των κατοικιών και ιδιαίτερα εκείνων στα οποία διαμένουν παιδιά μικρής ηλικίας. Περιορισμένες είναι οι μελέτες με αντίστοιχο αντικείμενο που έχουν διεξαχθεί παγκοσμίως, ιδίως σε Ευρωπαϊκό επίπεδο και κυρίως στην περιοχή της νότιας Ευρώπης, ενώ η παρούσα μελέτη αποτελεί την πρώτη ερευνητική εργασία που έχει πραγματοποιηθεί στην Ελλάδα. Καθώς πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα στο εσωτερικό των σπιτιών (οικοδομικά υλικά, τύπος παραθύρων, τα υλικά θερμομόνωσης κ.α.) έχουν αλλάξει δραστικά τα τελευταία χρόνια, η ανάγκη για απόκτηση επικαιροποιημένων περιβαλλοντικών δεδομένων είναι επιβεβλημένη. Τόσο η πρωτοτυπία του αντικειμένου της παρούσας Διατριβής όσο και η μεθοδολογική προσέγγιση που ακολουθήθηκε για την επίτευξη αυτής, την καθιστούν καινοτόμα. Στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής, πραγματοποιήθηκαν δύο επιμέρους πειραματικές διαδικασίες: Η πρώτη πειραματική διαδικασία είχε ως αντικείμενο την πειραματική αξιολόγηση αισθητήρων νέας τεχνολογίας για την εξαγωγή εξατομικευμένων προτύπων δραστηριότητας και τοποθεσίας, αλλά και την αξιολόγηση και αξιοποίηση των συλλεχθέντων δεδομένων για τη δημιουργία ενός μοντέλου προσδιορισμού της τοποθεσίας. Τα αποτελέσματα οδήγησαν στην δημιουργία μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας που επιτρέπει την εισαγωγή δεδομένων προερχόμενων από εμπορικά διαθέσιμους αισθητήρες σε προηγμένα μαθηματικά μοντέλα με στόχο την αξιολόγηση της ατομικής έκθεσης με υψηλή ακρίβεια. Tο πείραμα αυτό αποτέλεσε μία πιλοτική εργασία που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή της δεύτερης πειραματικής διαδικασίας, καθώς αξιολογήθηκε η χρήση των αισθητήρων σε πραγματικές συνθήκες και επιλέχθηκαν οι καταλληλότεροι ώστε να χρησιμοποιηθούν στο δεύτερο πείραμα. Η δεύτερη πειραματική εργασία επικεντρώθηκε σε μια εκτεταμένη έρευνα στην ευρύτερη περιοχή του λεκανοπεδίου της Αττικής, με στόχο τη διερεύνηση των συγκεντρώσεων των κυριότερων ρύπων εσωτερικού χώρου και άλλων περιβαλλοντικών παραγόντων που επικρατούν στις κατοικίες διαμονής παιδιών μικρής ηλικίας έως 3 ετών. Οι δειγματοληψίες που πραγματοποιήθηκαν περιλάμβαναν τόσο τεχνικές μέτρησης σε πραγματικό χρόνο για την ποσοτικοποίηση της έκθεσης, όσο και δεδομένα που συλλέχθηκαν μέσω ερωτηματολογίων, προκειμένου να εκτιμηθούν οι πιθανές πηγές ρύπανσης εσωτερικά των σπιτιών. Συνολικά εξετάστηκαν οι ακόλουθοι περιβαλλοντικοί παράμετροι στο εσωτερικό περιβάλλον: 1. Τρία κλάσματα αιωρούμενων σωματιδίων με αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη των 10 μm (PM10), μικρότερη των 2.5 μm (PM2.5) και μικρότερη του 1 μm (PM1). 2. Πτητικές οργανικές ενώσεις (TVOCs), μονοξείδιο του άνθρακα (CO), διοξείδιο του αζώτου (NO2), όζον (O3), διοξείδιο του άνθρακα (CO2). 3. Θερμοκρασία (T), υγρασία (RH) και θόρυβος. 4. Μύκητες. 5. Πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (PAHs) και βαρέα μέταλλα στην οικιακή σκόνη. Οι παράγοντες αυτοί επιλέχθηκαν τόσο γιατί αποτελούν τους κυριότερους ρύπους εσωτερικών χώρων όσο και γιατί έχουν συνδεθεί με δυσμενείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία, ιδιαίτερα σε ευπαθείς ομάδες πληθυσμού, όπως αυτή των μικρών παιδιών. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι σε ορισμένες κατοικίες η ποιότητα του αέρα είναι ανησυχητική και χρήζει βελτίωσης. Τα διάφορα χαρακτηριστικά της κατοικίας (τοποθεσία, εγγύτητα σε πολυσύχναστο δρόμο, όροφος, παλαιότητα, υλικά κατασκευής, πραγματοποίηση ανακαίνισης), οι δραστηριότητες και οι συνήθειες των κατοίκων (κάπνισμα, μαγείρεμα, εργασίες καθαριότητας, καύση βιομάζας, χρήση κλιματιστικού, περπάτημα στο σπίτι φορώντας παπούτσια), αλλά και η κοινωνικοοικονομική κατάστασή τους βρέθηκαν να επηρεάζουν σημαντικά τόσο την ποιότητα του αέρα στο εσωτερικό των κατοικιών όσο και τη συγκέντρωση τοξικών και καρκινογόνων ουσιών στην οικιακή σκόνη. Mε εξαίρεση μία κατοικία, στην οποία ανιχνευτήκαν υψηλές συγκεντρώσεις καρκινογόνων PAHs, διαπιστώθηκε ότι ο κίνδυνος καρκινογένεσης από την έκθεση στα B2 PAHs είναι μικρότερος της τιμής κατωφλίου. Όσον αφορά στον κίνδυνο καρκινογένεσης από την έκθεση στα βαρέα μέταλλα που ανιχνεύτηκαν στην οικιακή σκόνη, η σειρά επικινδυνότητας των μετάλλων διαμορφώθηκε ως εξής: Cr > Ni > As > Cd, ενώ η έκθεση των παιδιών και των γονιών τους σε αυτά δεν προέκυψε ιδιαίτερα επικίνδυνη. Πρόσφατα η επιστημονική κοινότητα έχει επισημάνει την αναγκαιότητα διεξαγωγής μελετών μεγάλης κλίμακας. Το γεγονός αυτό, είχε ως αποτέλεσμα την ολοένα αυξανόμενη χρήση αισθητήρων χαμηλού κόστους στις μελέτες έκθεσης λόγω της μεγάλης χωρικής και χρονικής ανάλυσης που μπορούν να προσφέρουν, επιτρέποντας έτσι την πραγματοποίηση ταυτόχρονων μετρήσεων πεδίου μεγάλης κλίμακας. Παρόλα αυτά, καθώς η επίδοση αυτών των αισθητήρων δεν είναι πάντα ικανοποιητική ένας από τους στόχους της παρούσας διατριβής ήταν και η βαθμονόμηση του μετρητή σωματιδίων χαμηλού κόστους Dylos, ώστε να επιτευχθεί η ακριβής μετατροπή των συγκεντρώσεων αριθμού σωματιδίων που λαμβάνονταν από αυτόν, σε συγκέντρωση μάζας PM2.5. Στη συνέχεια, τα δεδομένα που αφορούσαν στην έκθεση των εθελοντών στα αιωρούμενα σωματίδια, εισήχθησαν σε αριθμητικά μοντέλα προκειμένου να υπολογιστούν οι δόσεις στο αναπνευστικό σύστημα των παιδιών και των μητέρων τους, αλλά και να εκτιμηθεί η χρόνια επιβάρυνση των ίδιων, οφειλόμενη στις σωματιδιακές συγκεντρώσεις. Συγκεκριμένα, αρχικά εφαρμόστηκε ένα αριθμητικό μοντέλο για τον υπολογισμό του αριθμού των σωματιδίων που εναποτέθηκαν στις διάφορες περιοχές του αναπνευστικού συστήματος (εκτός θώρακα, τραχειοβρογχική και κυψελιδική περιοχή) ανά αναπνοή, λαμβάνοντας υπόψη τόσο τα χαρακτηριστικά των σωματιδίων, όσο και τις παραμέτρους που σχετίζονται με την ανατομία του πνεύμονα και τη φυσιολογία της αναπνοής. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν ότι η συνολική ωριαία δόση των παιδιών βρέθηκε συστηματικά μία τάξη μεγέθους μικρότερη αυτής των μητέρων, ενώ η δόση ανά επιφάνεια πνεύμονα που εισήλθε στις κυψελίδες των παιδιών, ήταν μεγαλύτερη σε σύγκριση με αυτή των μητέρων τους. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε ένα δεύτερο μοντέλο στο οποίο χρησιμοποιήθηκε ως είσοδος η μέση ημερήσια δόση στην κυψελιδική περιοχή της αναπνευστικής οδού, ώστε να εκτιμηθεί το ποσοστό των σωματιδίων που καθαρίστηκαν, εκείνων που παρέμειναν στην κυψελιδική περιοχή, αλλά και αυτών που μεταφέρθηκαν στο μεσέγχυμα και τους μεσοπνευμονικούς λεμφαδένες μετά την πάροδο ενός έτους. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν ότι η διαδικασία καθαρισμού των σωματιδίων πραγματοποιείται γρηγορότερα στα παιδιά (ιδιαίτερα όσο μειώνεται η ηλικία τους) σε σχέση με τις μητέρες τους. Συνολικά, τα αποτελέσματα της παρούσας Διατριβής υποδεικνύουν ότι προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα του αέρα εντός των κατοικιών όπου διαμένουν βρέφη και μικρά παιδιά, είναι εξαιρετικά σημαντικό να αποφεύγεται το κάπνισμα στο εσωτερικό τους και να διασφαλίζεται ο επαρκής αερισμός τους. Επίσης, οι εργασίες ανακαίνισης πριν την έλευση ενός βρέφους ή κατά τη διάρκεια της πρώιμης βρεφικής ηλικίας θα πρέπει να αποφεύγονται. Όσον αφορά στις οικιακές δραστηριότητες, οι διεργασίες καθαριότητας είναι προτιμότερο να εκτελούνται όταν το παιδί απουσιάζει από το σπίτι, ενώ αυτό θα πρέπει να απομακρύνεται από τον χώρο της κουζίνας κατά τη διάρκεια του μαγειρέματος. Εάν τα παραπάνω μέτρα προστασίας αρχίσουν να εφαρμόζονται, τα βρέφη και τα μικρά παιδιά θα εκτίθενται σε μικρότερες συγκεντρώσεις ρύπων στο εσωτερικό των σπιτιών τους. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας είναι ιδιαίτερα χρήσιμα όχι μόνο γιατί μπορούν να παρέχουν απαραίτητη πληροφορία για μελλοντικές μελέτες που αφορούν στην αξιολόγηση της έκθεσης των παιδιών μικρής ηλικίας σε περιβαλλοντικούς κινδύνους στο εσωτερικό των σπιτιών τους, αλλά γιατί μπορούν και να συμβάλουν στο σχεδιασμό ενός πιο υγιεινού περιβάλλοντος διαβίωσης των βρεφών και των νηπίων.The objective of the present PhD Thesis is the exposure assessment of vulnerable subpopulations to environmental stressors, focusing on the residential environment. In particular, the exposure of young children (up to 3 years of age) to the main indoor pollutants was examined, while in parallel an assessment of the potential risk of this exposure was also carried out. The reason that led to the selection of the subject of this thesis was the lack of environmental data regarding the residential environments, especially those where infants and toddlers live. To the best of our knowledge, there have been limited published studies globally, especially in European level that have examined indoor air pollutants and comfort parameters in residences where young children live, while the present study constitutes the first investigation conducted in Greece. Since many factors that affect indoor pollutant levels (construction materials, the quality of windows and doors, the insulation techniques etc.) have changed drastically over the last few years, there is an urgent need for new data reporting. Both the originality of the subject of the present Thesis and the whole methodological approach that was followed, make it innovative. In the frame of the present investigation, two experimental studies were carried out: The first study concentrated on the experimental assessment of low-cost personal sensors for the collection of individualized data/profiles, as well as the assessment of the collected data, for deriving a location predictive model. The results indicated that the methodology that was followed provides a comprehensive framework on utilizing commercially available sensors data with advanced modeling techniques for accurate individualized exposure assessment. The first experiment was used as a pilot study, in order for the second experimental procedure to be carried out, since the application of sensors in real conditions was evaluated. The second study focused on a comprehensive investigation of environmental stressor concentration levels in dwellings with young children below 3 years of age in Athens, the capital and the largest city of Greece. The investigation was carried out using real time monitoring techniques to quantify exposure. In parallel, several data were obtained by questionnaires, in order for the potential indoor pollution sources to be assessed. Regarding the indoor air quality (IAQ), the investigation covered the following parameters: 1. Three size fractions of PM: particles with an aerodynamic diameter of less than 10 μm (PM10), less than 2.5 μm (PM2.5) and less than 1 μm (PM1). 2. Total volatile organic compounds (TVOCs), carbon monoxide (CO), nitrogen dioxide (NO2), ozone (O3) and carbon dioxide (CO2). 3. Temperature (T), relative humidity (RH) and noise. 4. Fungal fragments. 5. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and heavy metals in residential dust. These environmental factors were chosen on the basis that they constitute the main indoor pollutants and have been linked with several adverse health impacts, especially in vulnerable subpopulations such as young children. The results indicated that in several residences the IAQ is concerning and needs to be improved. The different household’s characteristics (location, proximity to a busy road, floor, age of construction, building materials, recent renovations etc.), different activities and habits of the occupants (smoking, cooking, cleaning activities, biomass burning, air conditioning, walking through the house wearing shoes etc.) and their socioeconomic status all were found to be factors that affect significantly both the IAQ and the concentration of toxic and carcinogenic substances in settled dust. With the exception of one home where high concentrations of carcinogenic PAHs were detected, the risk of carcinogenicity from exposure to B2 PAHs was found to be lower than the threshold value. As far as the risk of carcinogenicity from exposure to heavy metals that were found in residential dust is concerned, the scale of risk was as follows: Cr> Ni> As> Cd, while the exposure of children and their parents to them did not appear to be notably hazardous. Recently, the scientific community highlighted the need for conducting large-scale studies. This in turn, has resulted in the increasing use of low-cost sensors in exposure studies due to their large spatial and temporal analysis, allowing simultaneous large-scale field measurements. However, since the performance of these sensors is not always adequate, one of the objectives of the current Thesis was to calibrate the Dylos low-cost particle counter in order to convert the particle number concentrations obtained from it, into PM2.5 mass concentration. Subsequently, data on the exposure of occupants to PM were used as input to a numerical model to estimate particle doses in the different regions of the respiratory tract of the children and their mothers, while a second model was used to calculate particle build-up in the alveolar region, the interstitium and the hilar lymph nodes of the residents over a 1-year exposure period. The results indicated that the total hourly dose of children was systematically lower with respect to their mothers, while the dose per lung surface that reached the children's alveoli was greater than that of their mothers. The results of the second model indicated that the cleaning process of the particles is faster for children (especially with the decreasing of their age) compared to their mothers. To improve the IAQ inside the residences where infants and young children live, it is of paramount importance that indoor smoking is avoided, the ventilation of the house improved, renovation activities during the early infancy avoided and the child is suggested to be kept away from the house during extensive cleaning activities. If all the above suggestions are followed, infants and young children will be less subjected to high pollutant concentration levels inside their residences. In conclusion, the findings from the present study do not only provide a reference for future studies, but also indicate the processes that contribute the most to high indoor pollutant concentration levels and can also be utilized for the design of healthier living environments for young children and infants