Pienpolton toksikologiset vaikutukset

Transkriptio

1 Pienpolton toksikologiset vaikutukset Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

2 Ilmansaasteiden haitallisuus Vuosittain arviolta 2-3 miljoonaa ihmistä kuolee ennenaikaisesti ilmansaasteiden vaikutuksesta maailmanlaajuisesti Nykyinen lainsäädäntö perustuu edelleen pääosin hiukkasten massapitoisuuteen ilmassa Hiukkasten aiheuttamat terveyshaitat ovat kuitenkin riippuvaisia monista tekijöistä Hiukkasten koko ja pinta-ala Päästölähde Kemiallinen koostumus Ilmakehän prosessit, vuodenaika ja ilmasto-olosuhteet Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

3 Ilmansaasteiden haitat ja niiden mekanismit Ilmansaasteisiin liittyy useita eri sairauksia Sydänsairauksien paheneminen Hengityssairauksien oireiden paheneminen Astma Keuhkoahtaumatauti Uudet sydän ja hengityssairaudet Keuhkosyöpä ja muut syövät Keskushermoston kautta tapahtuvat vaikutukset Mekanismeja sairauksien taustalla: - Tulehdus - Solutoksisuus - Genotoksisuus, perimävauriot - Hapettava stressi Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

4 Haitallisten hiukkasten lähteet Teollisuudessa, liikenteessä ja energiantuotannossa tapahtuva poltto on perinteisesti ollut merkittävin haitallisten ilmansaasteiden lähde Kun näiden lähteiden päästöjä on onnistuttu vähentämään, on kotitalouksissa tapahtuva pinpoltto noussut yhä merkittävämmäksi, monilla alueilla jopa merkittävimmäksi hiukkasten lähteeksi Biomassan pienpoltto on yksi hiukkasmaisten ilmansaasteiden päälähteistä Kehitysmaissa ruuanlaitto avotulella sisätiloissa aiheuttaa suurimman altistumisen Kehittyneissäkin maissa pienpoltto dominoi paikoitellen ilmansaasteiden lähteitä Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

5 Biomassan polton päästöt Päästöjen muodostumiseen vaikuttaa useat tekijät: Polttoaine (halot, pelletit, hake, polttoaineen kosteus ym.) Polttolaite ja polttotekniikka Panos vs. jatkuva palaminen Ilmanjako Käyttäjä Polttoaineen määrä ja laatu Asetukset Laitteiden puhdistaminen Päästökomponentteja: Hiukkaset Noki Epäorgaaniset tuhkakomponentit KCl, K 2 SO 4, Zn, muut metallit OC, PAH-yhdisteet Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

6 Miten ilmansaasteiden haitallisuutta tutkitaan? Epidemiologiset, eli väestötason tutkimukset Ilmansaasteilla on havaittu useita erilaisia haittavaikutuksia Biomassan pienpoltosta vähemmän tutkimusta, mutta näyttöä on monista terveyshaitoista Hankaluutena on erotella päästölähteet toisistaan monimutkaisessa ulkoilman seoksessa Toksikologia Toksikologisissa tutkimuksissa terveyshaittojen mekanismeja selvitetään solu- ja eläinkokeilla Voidaan keskittyä yhden päästölähteen vaikutuksiin Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

7 Toksikologiset tutkimukset Soluja altistetaan kerätyille hiukkasille tai suora-altistuksena Yleensä käytetään useita eri annoksia, jotta saadaan selville hiukkasten aiheuttama annosvaste Solumalleina käytetään yleensä hengitysteiden soluja (epiteeli tai puolustussoluja) Solumallit mittaavat yleensä lyhytkestoisia vaikutuksia Eläinkokeissa voidaan käyttää myös kerättyjä hiukkasia tai inhalaatioaltistusta Yleensä käytetään hiiriä tai rottia, myös pidempiaikaiset kokeet ovat mahdollisia Eläintutkimuksia tarvitaan, kun selvitetään vaikutuksia koko elimistössä. Siksi annos ja aikavastekokeet ovat tärkeitä Altistusten jälkeen mitataan useita erilaisia parametreja, jotta saadaan selville aiheutunut haittapotentiaali

8 Mitattavia parametreja Solutoksisuus Mittaa altisteen kykyä aiheuttaa soluvaurioita, kudostuhoa ja haittoja solukalvon tai soluelinten toimintaa Genotoksisuus Mittaa palautuvia ja palautumattomia muutoksia DNA:han Jopa sukupolven yli kestäviä vaikutuksia Tulehdus Mittaa tulehdusvälittäjäaineiden tuotantoa, eli immunologisten puolustusmekanismien toimintaa Liialliset tai liian vähäiset reaktiot ovat molemmat haitallisia Hapettava stressi Mittaa elimistön hapetusreaktioita ja on useiden muiden mekanismien taustalla Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

9 Biomassan polton toksikologiset vaikutukset Pienpolton hiukkasten aiheuttamat haittavaikutukset riippuvat päästöhiukkasten koostumuksesta Orgaaniset yhdisteet Nokiagglomeraatit Tuhkahiukkaset (metallit) Usein on havaittu, että näiden muuttuva suhde vaikuttaa eri toksisuuden mekanismeihin Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

10 Käyttötavan vaikutus panospoltossa 5 "Good" combustion "Poor" combustion 25 MIP-2 Mass emission (GC) dm/dlogdp (g/kg) DLPI Distributions Good n=6, Poor n=3 ± standard deviation PM2.5/PM (G), 0.98 (P) PM1/PM (G), 0.97 (P) PM0.26/PM (G), 0.27 (P) Mass emission (PC) dm/dlogdp (g/kg) ng/ml Particle size (µm) Liikaa polttoainetta, rajoitettu ilma Normaali määrä, normaali ilma PM PM 0.2 Enemmän ja suurempia hiukkasia, sekä suuremmat toksikologiset vasteet huonolla poltolla Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

11 Polttoaineen vaikutus toksisuuteen Muiden tekijöiden ohella, käytettävällä puulajilla on vaikutusta päästöhiukkasten toksisuuteen Suomessa käytetään paljon koivua, mutta esim. Keski-Euroopassa pyökkiä ja kuusta Esimerkissä pyökin polton hiukkasilla on suurin vaikutus solutoksisuuteen ja kuusen polton hiukkasilla pienin Energiakasvien polton päästöt poikkeavat puunpolton päästöistä Erilainen palaminen ja erilainen kemia Kasurinen et al. Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

12 Polttotekniikan vaikutus Panospolton päästöt voivat olla suuria riippuen käytettävistä laitteista Päästöjen määrää ja laatua voidaan muuttaa parantamalla polttotekniikkaa Enemmän orgaanisia ja hiiliyhdisteitä Jatkuvassa palamisprosessissa yleensä pienemmät päästöt Yleensä enemmän tuhkakomponentteja Seuraavissa esimerkeissä polttotekniikaltaan erilaisten laitteiden vertailua Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

13 Polttotekniikka ja päästöjen toksisuus - Tutkimme 7 erilaisen polttolaitteen päästöjen kemiallisia ja toksikologisia ominaisuuksia - Mitä täydellisempää palaminen oli, sitä enemmän päästöissä oli tuhkakomponentteja, kun taas epätäydellisemmässä palamisessa syntyi nokea ja orgaanisia yhdisteitä - Myös hiukkasten massapitoisuus oli suurempi, mitä epätäydellisempää palaminen oli (Jalava et al. 2012, Happo et al. 2012, Uski et al. 2012)

14 Tuloksia solukokeista (Jalava et al. 2012; Atmospheric Environment 50:24-35) Makrofageilla tehdyssä tutkimuksessa vanhaa teknologiaa edustavat laitteet aiheuttivat huomattavasti haitallisemman päästön kun tarkasteltiin DNA vaurioita Genotoxicity Apoptosis OTM New Stoves Old New Old Log wood boilers Wood chip boiler New Tiled stove 150 µg/ml 300 µg/ml Pellet boiler % of the cells New Stoves Old New Old Log wood boilers Wood chip boiler New Tiled stove Pellet boiler Dose 150 g/ml

15 Tuloksia solukokeista Myös solutoksisuus ja tulehdusvälittäjäainetuotanto oli suurempaa huonomman palamisen hiukkasilla Viability (MTT-test) Inflammation (MIP-2) Viability % New Old New Old New Dose 150 g/ml MIP-2 pg/ml New Old New Old New Dose 150 g/ml Stoves Log wood boilers Wood chip boiler Tiled stove Pellet boiler 0 Stoves Log wood boilers Wood chip boiler Tiled stove Pellet boiler

16 Tuloksia eläinkokeesta (Uski et al. 2013; Inhalation Toxicology 24: ) Kuitenkin samoilla hiukkasilla modernin tekniikan päästöt aiheuttivat suurimman tulehdusvaikutuksen hiiren keuhkoissa - Syynä tähän voi olla estynyt immuunipuolustus huonomman palamisen hiukkasilla tai lyhyt altistuksen kestoaika (akuutti vaste), vaikutukset muissa elimissä? IL-6 pg/ml g g g g g G G f G f f G Control Log OT Log NT Stove OT Stove NT Tiled Woodchip Pellet 4 h 18 h G G a bc * F E D C B A * e d a b c *

17 Hiukkasten koostumuksen vaikutus PAH yhdisteet, muut orgaaniset ja nokihiukkaset aiheuttivat suurimmat vaikutukset solumallissa Etenkin vaikutukset DNA:han ja solutoksisuuteen olivat suuret Tulehduksessa pienemmät vaikutukset Metallit olivat yhteydessä hiiren keuhkovasteeseen Samaa massaa kohden vaikutukset olivat suurempia modernin tekniikan päästöillä Syynä tähän voi olla PAHien estämä immuunipuolustus, aikapiste tai se, että huonomman palamisen päästöt vaikuttavat muissa elimissä Vanhemman teknologian laitteista syntyi suuremmat päästöt ja niissä oli enemmän toksiseksi tiedettyjä yhdisteitä Saattaa olla, että pitkän aikavälin vaikutukset dominoivat pienpolton päästöjen toksisuutta Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

18 Uudet toksikologiset tutkimusmenetelmät Kerätyillä hiukkasilla tehtävissä tutkimuksissa on puutteita Kaasumaiset päästöt eivät ole mukana Hiukkaset muuttuvat keräys- ja käsittelyprosessissa Ilmakehämuutunnan vaikutusta päästöihin on vaikeaa tutkia Vastauksena tähän on kehitetty uusia solualtistusmenetelmiä Solut altistetaan suoraan ilman ja nesteen rajapinnassa laimennetulle päästölle Voidaan tutkia ilmakehämuutunnan vaikutusta Samanaikaisesti voidaan käyttää eläinten inhalaatioaltistusta Uudet menetelmät voivat osittain muuttaa aikaisempia johtopäätöksiä pienpolton hiukkasten toksikologisista ominaisuuksista Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

19 UEF:ssa kehitetty altistuslaitteisto Laimennettu polttonäyte johdetaan suoraan soluille Laite käyttää termoforeesia hiukkasten saamiseksi solujen pinnalle Laite toimii erityisen hyvin poltto- ja nanohiukkasille Kaasujen vaikutus saadaan tutkittua samalla altistuksella 37 C Aerosol source 57 C Liquid culture medium Cells Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava Exposure Aerosol Membrane

20 Puun polton toksikologiset ominaisuudet uudella menetelmällä Päästöjen genotoksisuus oli suurinta sytytysvaiheessa kylmällä tulisijalla Genotoksisuus väheni lämpimällä tulisijalla huomattavasti Samaa vaikutusta ei nähty kevyellä metallisella tulisijalla. Lämpötilaolosuhteet pysyivät tasaisempina C incubator Clean air Comet Masonry heater Light Stove Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava MMS 37 C incubator Clean air Masonry heater Light Stove MMS

21 Kaasujen ja hiukkasten vaikutus toksisuuteen Riippuen mitattavasta paremetrista, päästöjen kaasumaisilla ja hiukkasmaisilla yhdisteillä oli erilaisia vaikutuksia Genotoksisuus oli hieman suurempaa kokonaispäästöllä Tässä esimerkissä kaasumaiset yhdisteet aiheuttivat suuremman tulehdusvaikutuksen soluissa pg/ml OTM C incubator Incubator control Thermophoresis control Thermophoresis control IL-8 Genotoxicity PM + Gas PM + Gas Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava Gas Gas

22 Erilaisten päästöjen vaikutukset uudella menetelmällä Uudella menetelmällä on nähty merkittäviä eroja erilaisten polttotilanteiden ja päästölähteiden välillä Malli vastaa aikaisempaa paremmin todellista altistumista DAPI Vitality Incubator Air Spruce Spruce filtered Spruce aged Spruce aged filtered Pellet Ignition Pellet Steady state Pine Pine filtered Diesel H 2 O 2 Cell metabolic activity Spruce Spruce filtered Spruce aged Spruce aged filtered Pellet Ignition Pellet Steady state Pine Pine filtered Diesel H 2 O 2 Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

23 Yhteenveto Huonossa poltossa vapautuu suuria määriä PAH- ja muita orgaanisia yhdisteitä Nämä yhdisteet aiheuttavat DNA-vaurioita ja muita pitkän aikavälin vaikutuksia Täydellisemmässä palamisessa syntyy metalleja sisältäviä tuhkakomponentteja Nämä yhdisteet näyttävät aiheuttavan tulehdusta ja solutoksisuutta etenkin eläinmalleissa Hyvänkään palamisen päästöt eivät ole täysin haitattomia Kuitenkin pieni päästö näistä laitteista tekee päästöstä vähemmän haitallisen Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

24 Yhteenveto Biomassan polton päästöjen haitallisuutta on tutkittu jo paljon, mutta tiedossa on edelleen aukkoja Erilaisia polttolaitteita on paljon ja lähes kaikkien päästöt ja niiden haitallisuus poikkeavat toisistaan Biomassan poltossa syntyvät päästöt saattavat aiheuttaa vaikutuksia pidemmällä aikavälillä ja pienpolton päästöjä ei voi pitää haitattomampina kuin muita päästöjä Uusilla tutkimusmenetelmillä saadaan parempaa tietoa päästöjen haitallisuudesta, simuloiden oikeaa altistumistilannetta Ilmanlaatu, ilmasto ja terveys seminaari Pasi Jalava

25 Kiitos! uef.fi/intola