Abstract

Combustion generated ultrafine particles have been found to be responsible for adverse effects on human health. New emission reduction technologies and fuels will change the composition of particle emissions. It is important to confirm that the new reduction technologies are designed to minimise the adverse health effects. In this doctoral thesis the potential health effects caused by traffic and industrially generated particles were studied using epidemiological, experimental and in silico studies. The effects of short-term changes in PM2.5 on the respiratory health of symptomatic children living near a steel works were studied to investigate whether specific sources of PM2.5 have the possible health effects. The PM2.5 emission sources were identified: long-range transport, a steel works, soil and street dust and a mechanical engineering works. Significant associations were not found between respiratory symptoms and PM2.5 or the sources markers. The deposition of traffic-related particles into the human respiratory system was computed using the lung deposition model. Particle size distribution was measured from diesel- and compressed natural gas (CNG)-fuelled busses and an off-road diesel engine under different combustion situations. The majority of the measured traffic-related particle numbers reach the alveolar region of the lungs. There were differences in the deposition of particles when different catalysts, engines or fuels were used. CNG or a diesel particulate filter (DPF) significantly reduced lung exposure to particles. Also physical activity, age and gender affected the deposition of particles. The diesel particles comprised compounds (carcinogenic PAHs, transition metals), which may have the ability to generate reactive oxygen. This study provides new knowledge how of the emission abatement technologies and fuels affects particle number and their composition, as well health hazards. Cleaner technology (CNG, DPF), emits significantly fewer particles in numbers, especially large particles, but they emit high amounts of small-size particles, which penetrate most easily to the deepest parts of the lungs. In addition, particles from engines with DPF include the largest variety of transition metals and other hazardous compounds compared to combustion systems having different emission after-treatment units.

Tiivistelmä

Palamisprosesseista peräisin olevien ultrapienten hiukkasten on todettu olevan haitallisia ihmisen terveydelle. Uudet pako- ja savukaasujen puhdistusteknologiat ja polttoaineet vaikuttavat hiukkaspäästöihin ja niiden koostumukseen. Uusien menetelmien käytön tulee vähentää hiukkasten mahdollisia terveyshaittoja. Tässä väitöskirjassa tutkittiin liikenteestä ja teollisuudesta peräisin olevien hiukkasten mahdollisia terveyshaittoja käyttäen epidemiologista, kokeellista ja in silico- menetelmiä. Työssä tutkittiin PM2.5-hiukkasten lyhytaikaisvaihtelun yhteyttä terästehtaan läheisyydessä asuvien hengitystieoireisten lasten terveyteen ja päästölähteiden yhteyttä mahdollisiin terveysvaikutuksiin. Merkittäviä PM2.5-päästölähteitä olivat kaukokulkeuma, terästehdas, maaperä ja tiepöly sekä konepaja. Tutkimuksessa ei havaittu lasten hengitystieoireiden ja PM2.5:n tai päästölähteiden merkkiaineiden välillä merkittävää yhteyttä. Liikenneperäisten hiukkasten kulkeutumista ihmisen hengitysteihin tutkittiin keuhkodepositiomallilla. Diesel- ja maakaasukäyttöisten (CNG) bussien ja dieselkäyttöisen työkoneen hiukkaskokojakaumat mitattiin eri palamisolosuhteissa. Suurin osa mitatuista hiukkaslukumääristä kulkeutui keuhkojen alveolaaritasolle. Erilaisten katalysaattorien, moottoreiden tai polttoaineiden käytön seurauksena hiukkasten lukumääräpitoisuudet vaihtelivat ja siten hiukkasten kulkeutumisessa hengitysteihin oli eroja. CNG:n tai hiukkassuodattimen (DPF) käyttö vähensi merkittävästi hiukkaslukumääriä ja keuhkojen altistumista hiukkasille. Myös liikunta, ikä ja sukupuoli vaikuttivat hengitysteihin kulkeutuvien hiukkasten määriin. Dieselhiukkaset sisälsivät yhdisteitä (karsinogeeniset PAH:t, siirtymämetallit), jotka tuottavat hengitysteissä reaktiivisia happiradikaaleja. Tämä tutkimus antaa uutta tietoa päästövähennysmenetelmien ja polttoaineiden vaikutuksista hiukkasten lukumäärään ja koostumukseen sekä hiukkasten terveyshaitoihin. Puhtaamman teknologian käyttö (CNG, DPF) vähentää huomattavasti pakokaasun hiukkasten lukumäärää, etenkin suurten hiukkasten, mutta tuottaa silti suuria määriä pieniä hiukkasia, jotka kulkeutuvat helpommin keuhkojen syvimpiin osiin. Lisäksi moottoreiden hiukkaspäästöt käytettäessä hiukkassuodatinta, sisälsivät enemmän erilaisia siirtymämetalleja ja muita haitallisia aineita verrattuna polttoon, jossa käytettiin muita päästöjen jälkikäsittelymenetelmiä.