Kaupunki-ilman erikokoisten hiukkasten kemiallisen koostumuksen määrittäminen ja lähteiden tarkastelu

Recent epidemiological studies have shown a consistent association of the mass concentration of urban air thoracic (PM10) and fine (PM2.5) particles with mortality and morbidity among cardiorespiratory patients. However, the chemical characteristics of different particulate size ranges and the biological mechanisms responsible for these adverse health effects are not well known. The principal aims of this thesis were to validate a high volume cascade impactor (HVCI) for the collection of particulate matter for physicochemical and toxicological studies, and to make an in-depth chemical and source characterisation of samples collected during different pollution situations. The particulate samples were collected with the HVCI, virtual impactors and a Berner low pressure impactor in six European cities: Helsinki, Duisburg, Prague, Amsterdam, Barcelona and Athens. The samples were analysed for particle mass, common ions, total and water-soluble elements as well as elemental and organic carbon. Laboratory calibration and field comparisons indicated that the HVCI can provide a unique large capacity, high efficiency sampling of size-segregated aerosol particles. The cutoff sizes of the recommended HVCI configuration were 2.4, 0.9 and 0.2 μm. The HVCI mass concentrations were in a good agreement with the reference methods, but the chemical composition of especially the fine particulate samples showed some differences. This implies that the chemical characterization of the exposure variable in toxicological studies needs to be done from the same HVCI samples as used in cell and animal studies. The data from parallel, low volume reference samplers provide valuable additional information for chemical mass closure and source assessment. The major components of PM2.5 in the virtual impactor samples were carbonaceous compounds, secondary inorganic ions and sea salt, whereas those of coarse particles (PM2.5-10) were soil-derived compounds, carbonaceous compounds, sea salt and nitrate. The major and minor components together accounted for 77-106% and 77-96% of the gravimetrically-measured masses of fine and coarse particles, respectively. Relatively large differences between sampling campaigns were observed in the organic carbon content of the PM2.5 samples as well as the mineral composition of the PM2.5-10 samples. A source assessment based on chemical tracers suggested clear differences in the dominant sources (e.g. traffic, residential heating with solid fuels, metal industry plants, regional or long-range transport) between the sampling campaigns. In summary, the field campaigns exhibited different profiles with regard to particulate sources, size distribution and chemical composition, thus, providing a highly useful setup for toxicological studies on the size-segregated HVCI samples.Terveydelle haitallisten kaupunki-ilman hiukkasten kemiallisia ominaisuuksia ja vaikutusten biologisia mekanismeja ei tunneta kovin hyvin. Tämän väitöskirjan ensimmäisenä päätavoitteena oli suuritehoisen monivaiheimpaktorin (HVCI) toimivuuden varmentaminen ilmassa leijuvien hiukkasten keräyksessä fysikaalis-kemiallisia ja toksikologisia tutkimuksia varten. Toisena päätavoitteena oli tehdä syvällinen kemiallisen koostumuksen ja lähteiden tarkastelu erilaisten saastejaksojen aikana kerätyistä hiukkasnäytteistä. Kaupunki-ilman hiukkasnäytteet kerättiin HVCI:llä, virtuaali-impaktoreilla ja Berner-alipaineimpaktorilla. Keräyskampanjat toteutettiin kuudessa kaupungissa: Helsinki, Duisburg, Praha, Amsterdam, Barcelona ja Ateena. Hiukkasnäytteistä määritettiin kerätty massa, yleiset ionit, vesiliukoiset ja kokonaisalkuaineet sekä alkuainehiili ja orgaaninen hiili. Tässä työssä tehty laboratoriokalibrointi ja keräinten välinen vertailu kenttätutkimuksessa osoittivat, että HVCI:llä voidaan kerätä koon suhteen eroteltuja hiukkasnäytteitä tehokkaasti suuren ilmavirtauksen avulla. Keräyksissä käytetyn HVCI:n leikkausrajat olivat 2,4 µm, 0,9 µm ja 0,2 µm. HVCI:llä mitattujen hiukkasten massapitoisuudet vastasivat hyvin vertailukeräimillä saatuja tuloksia. Sen sijaan kemiallisissa määrityksissä esiintyi poikkeamia HVCI- ja vertailukeräinnäytteiden välillä, erityisesti pienhiukkasten kokoluokassa. Näin ollen altistumismuuttujaa koskevat kemialliset määritykset pitää tehdä samoista HVCI-näytteistä, joita käytetään toksikologisissa tutkimuksissa. Rinnakkaisten pientehokeräinten tulokset mahdollistavat kemiallisen massasulkeuman tekemisen ja lähdetarkastelun. Virtuaali-impaktorilla kerättyjen pienhiukkasten (PM2.5; halkaisija Dp < 2,5 μm) pääkomponenteiksi määritettiin hiiltä sisältävät yhdisteet, sekundääriset epäorgaaniset ionit ja merisuola, kun taas isoja hiukkasia (PM2.5-10; halkaisija 2,5 μm < Dp < 10 μm) sisältävien näytteiden pääkomponentit olivat maaperä, hiiltä sisältävät yhdisteet, merisuola ja nitraatti. Analysoidut kemialliset komponentit selittivät yhteensä 77-106% PM2.5-massasta ja 77-96% PM2.5-10-massasta. Keräyskampanjoiden välillä oli melko suuria eroja PM2.5-näytteiden orgaanisen hiilen osuudessa ja PM2.5-10-näytteiden maaperämineraalien osuudessa. Kemiallisiin merkkiaineisiin perustuvan lähdeanalyysin mukaan hiukkaslähteiden (mm. liikenne, kotitalouksien puu- ja kivihiililämmitys, metalliteollisuuslaitokset, hiukkasten alueellinen ja kaukokulkeuma) osuudet vaihtelivat huomattavasti keräyskampanjoiden välillä. Yhteenvetona voidaan todeta, että kenttäkampanjat poikkesivat toisistaan hiukkasten lähteiden, kokojakauman ja kemiallisen koostumuksen suhteen, mikä tarjoaa erittäin käyttökelpoisen asetelman HVCI-näytteiden toksikologisille tutkimuksille

Field evaluation of a new particle concentrator- electrostatic precipitator system for measuring chemical and toxicological properties of particulate matter

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>A newly designed electrostatic precipitator (ESP) in tandem with Versatile Aerosol Concentration Enrichment System (VACES) was developed by the University of Southern California to collect ambient aerosols on substrates appropriate for chemical and toxicological analysis. The laboratory evaluation of this sampler is described in a previous paper. The main objective of this study was to evaluate the performance of the new VACES-ESP system in the field by comparing the chemical characteristics of the PM collected in the ESP to those of reference samplers operating in parallel.</p> <p>Results</p> <p>The field campaign was carried out in the period from August, 2007 to March, 2008 in a typical urban environment near downtown Los Angeles. Each sampling set was restricted to 2–3 hours to minimize possible sampling artifacts in the ESP. The results showed that particle penetration increases and ozone concentration decreases with increasing sampling flow rate, with highest particle penetration observed between 100 nm and 300 nm. A reference filter sampler was deployed in parallel to the ESP to collect concentration-enriched aerosols, and a MOUDI sampler was used to collect ambient aerosols. Chemical analysis results showed very good agreement between the ESP and MOUDI samplers in the concentrations of trace elements and inorganic ions. The overall organic compound content of PM collected by the ESP, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), hopanes, steranes, and alkanes, was in good agreement with that of the reference sampler, with an average ESP -to -reference concentration ratio of 1.07 (± 0.38). While majority of organic compound ratios were close to 1, some of the semi-volatile organic species had slightly deviated ratios from 1, indicating the possibility of some sampling artifacts in the ESP due to reactions of PM with ozone and radicals generated from corona discharge, although positive and negative sampling artifacts in the reference filter sampler cannot be ruled out.</p> <p>Conclusion</p> <p>The very good overall agreement between ESP and reference samplers makes it an attractive alternative to filters and biosamplers for chemical and toxicological evaluation of PM properties, including the possibility of conducting direct in vitro cell exposures. Moreover, the concentration enrichment of ambient aerosols by the VACES allows for short-term exposure studies, which preserve cell viability and enable studies to PM generated from specific sources and-or formation mechanisms in the atmosphere.</p

Intercomparison study on commonly used methods to determine microplastics in wastewater and sludge samples

The harmonized procedures in terms of the sampling, sample treatment and identification of microplastics in different environmental samples are missing, which poses challenges to researchers to compare the results or to adopt ‘the most effective’ monitoring approach. Furthermore, in the related literature, the used procedures are rarely tested with spiked microplastics to predetermine their recovery rates. Without this knowledge, results should only be discussed as rough estimations of the real environmental concentrations of microplastics. In this study, six different methods previously used in microplastic studies of different media were tested with municipal wastewater and digested sludge samples, spiked with seven different types of plastic particles and fibres. Recovery rates, time consumption, advantages and disadvantages were assessed and most suitable treatment procedures (i.e. high recovery rates in short amount of time) were chosen for both wastewater and sludge. Suitability of staining with Rose Bengal was examined together with most efficient methods, but it did not improve the recovery of microplastics. In addition, the possible impacts of the treatments for identification with micro-Raman and FTIR microscope were assessed. Filtration with size fractioning was found to be the best method for both wastewater and sludge samples, with recovery rates of spiked microplastics around 91.4% and 92.9%, respectively

Synteettisten nanomateriaalien ympäristövaikutukset: Kokeellisen tutkimuksen nykytila

Nanomateriaaleja käytetään nykyään monissa kuluttajatuotteissa ja teollisuuden sovelluksissa. Teollisen tuotannon ja käytön voimakkaaseen kasvuun liittyy uhka nanomateriaalien tahattomasta vapautumisesta ympäristöön. Sen vuoksi on tehty jo paljon tutkimusta, jossa pyritään arvioimaan nanomateriaalien turvallisuutta ihmisten terveyden ja ympäristön kannalta. Tämä raportti on katsaus synteettisten nanomateriaalien ympäristötutkimukseen, ja se pohjautuu viimeaikaiseen tieteelliseen kirjallisuuteen. Lähteinä on käytetty 2000-luvulla ja pääasiassa viimeisen viiden vuoden aikana ilmestyneitä alkuperäisiä artikkeleita ja katsauksia. Selvityksessä käsitellään nanomateriaalien ympäristötutkimukseen liittyviä teemoja, kuten aineiden vapautumista ympäristöön, mittaustekniikoita, mittaamiseen ja analysoimiseen liittyviä haasteita, nanomateriaalien ympäristökohtaloa ja biologisia vaikutuksia. Tarkastelun kohteeksi valittiin ominaisuuksiltaan kuusi erilaista nanomateriaalia tai nanomateriaaliryhmää (sinkkioksidi, titaanidioksidi, hopea, hiilipohjaiset aineet, nanoselluloosa ja kvanttipisteet). Katsauksen lopussa on joitakin huomioita tärkeimmistä tietoaukoista. Tässä raportissa keskitytään käsittelemään nanomateriaaleja vesiympäristössä, aerosolihiukkaset jätettiin kokonaan huomiotta, ja maaperäasioita on käsitelty vain rajoitetusti

Toksisuustestauksen soveltuvuus suomalaisten yhdyskuntajätevesien tarkkailuun ja haitallisten aineiden riskinarviointiin

Yhdyskuntajätevedenpuhdistamolle tuleva jätevesi on laadultaan vaihtelevaa ja harvoin pelkästään kotitalouksien jätevettä. Viemäreihin päätyy lukuisia kemiallisia yhdisteitä, joiden kemiallisia ja biologisia ominaisuuksia ei tunneta. Tässä raportissa käsitellään jätevesien haitallisuuden arviointia biologisia menetelmiä käyttäen, esitellään käytettävissä olevia menetelmiä sekä luodaan katsaus näiden menetelmien käyttöön eri maissa. Raportin lopussa ehdotetaan eräitä jatkotoimenpiteitä, joilla voitaisiin edistää jätevesien haittavaikutusten arviointia ja pyrkiä ennalta ehkäisemään ympäristön pilaantumista. Myrkyllisyystestien ja muiden biologisten menetelmien käyttöä suositellaan tarkkailumenetelmäksi kemiallisten analyysien ohella, puhdistusprosessien toimivuuden seurannan ja kehittämisen apuna, puhdistamoon tulevien vesien laadun tarkkailussa ja tuntemattomien haitta-aineiden jäljittämisessä. Raportissa pyritään tuomaan esiin biologisten menetelmien edut ja mahdollisuudet, kehittämistarpeet sekä rajoitukset, joita niihin liittyy

Factors Affecting the Control of Chronic Rhinosinusitis With Nasal Polyps : A Comparison in Patients With or Without NERD

Objectives: The aim was to compare the control of chronic rhinosinusitis with nasal polyps (CRSwNP) after endoscopic sinus surgery (ESS), in patients with/without nonsteroidal anti-inflammatory drug exacerbated respiratory disease (NERD). Study Desing: A retrospective hospital-based sample of CRSwNP patients with/without NERD with follow-up. Setting: Tertiary rhinology centers. Methods: Electronic patient record data from 116 CRSwNP patients (46 with NERD and 70 without NERD) undergoing ESS during 2001-17 were studied. Mean follow-up time was 9.9 years (range 1.1-15.3). Endpoints reflecting uncontrolled CRSwNP were revision ESS, and need for rescue/advanced therapy (e.g. antibiotics, oral corticosteroids and/or biological therapy) during follow-up. NERD was variable of interest and gender, age, asthma, allergic rhinitis (AR), smoking, Lund-Mackay (LM) score of sinus computed tomography scans previous ESS and baseline total ethmoidectomy were used as covariates. Results: Twenty-one (49.7%) NERD patients and 18 (25.7%) non-NERD patients underwent revision ESS within a mean +/- SD of 4.3 +/- 2.8 and 3.7 +/- 2.6 years, respectively (p = .013, by Logrank test). In Cox ' s regression models, NERD, female gender, young age, asthma, AR, previous ESS, and lack of total ethmoidectomy were associated with revision-ESS. In adjusted model, only the total ethmoidectomy predicted revision-free survival. In adjusted logistic regression model, there was an insignificant trend that NERD and LM score were associated with the need for rescue/advanced therapy in the follow-up. Conclusions: Patients with NERD had higher risk of uncontrolled CRSwNP than patient group without NERD, as measured by revision ESS and/or need for rescue/advanced therapy in the follow-up. In addition, baseline total ethmoidectomy was associated with revision-free survival.Peer reviewe