University of Puun Eastern ominaisuudet Finland vaikuttavat päästöjen terveysvaikutuksiin Ympäristö- ja biotieteiden laitos Prof. Maija-Riitta Hirvonen, Head of the department UEF-Metsäteho seminaari 22.6.2016 Yliopistokatu 2, Joensuu
Aerosols, Climate change and Health Top-level international research area at UEF Department of Environmental and Biological Sciences Department of Applied Physics Prof. Maija-Riitta Hirvonen, Inhalation Toxicology Prof. Jorma Jokiniemi, Fine particle and Aerosol technology Prof. Kari Lehtinen, Head of research area Prof. Annele Virtanen, Aerosol Physics Department of Law Prof. Kati Kulovesi, Climate law Monitieteinen yhteistyö Yhteinen infrastruktuuri Vahvat kansalliset ja kansainväliset yhteistyöverkostot Esityksen nimi / Tekijä 21.11.2016 2
Fine Particle and Aerosol Technology Laboratory Prof. Jorma Jokiniemi Combustion aerosols Olli Sippula, Ph.D, M.Sc. (eng). Jarkko Tissari, Doc., Ph.D. Heikki Lamberg, PhD. Jani Leskinen, PhD Kari Kuuspalo, M.Sc. Miika Kortelainen, M.Sc. Anni Hartikainen, MSc Nanoparticles Anna Lähde,Doc., Ph.D. Mika Ihalainen, PhD Mirella Miettinen, PhD Jarno Ruusunen, PhD Tommi Karhunen, M.Phys. Hanna Koponen, M.Sc. Inhalation Toxicology Laboratory Laboratory Prof.Maija-Riitta Hirvonen Combustion aerosols Pasi Jalava FT,dos Mikko Happo FT Oskari Uski, FT Stefanie Kasurinen, M.Sc. Teemu Rönkkö, M.Sc. Tuukka Ihantola, M.Sc. Environmental microbes Marjut Roponen FaT, dos Kati Huttunen FT, dos Heidi Kääriö M.Sc. Jenni Tikkonen M.Sc. Maria-Viola Martikainen, M.Sc. Pasi Yli-Pirilä, MSc Karin Koivisto, M.Sc
Puun/biomassan poltton kotitalouksissa on arvioitu nousevan Euroopassa tärkeimmäksi ilman pienhiukkaslähteeksi vuoteen 2020 mennessä Figure 1. Contribution to primary PM 2.5 emissions in the EU-15. Year 2000 (left) and estimation for 2020 (right). UEF/Viestintä 21.11.2016 4
Ulkoilman pienhiukkaset tärkein kuolleisuutta ja sairauksia aiheuttava ympäristöaltiste WHO:n arvio elinajan lyhenemisestä Euroopassa on n. 9 kk, mutta esim. Kiinassa jopa 5.5 vuotta Kohonneet ilmansaastepitoisuudet lisäävät muutamassa päivässä kuolleisuutta, sairaalaanottoja ja päivystyskäyntejä 80 % Sydän- ja verisuonisairaudet: iskeeminen sydänsairaus, sydämen toiminnan vajaus, rytmihäiriöt, aivohalvaus 14 % Hengityselisairaudet: astma, keuhkoahtaumatauti (COPD), keuhkoputkentulehdus 6 % Keuhkosyöpä
Uusimmat arviot terveyshaitoista Arvioidut ennen aikaiset kuolemat/vuosi, jotka johtuvat altitumisesta pienhiukkasille Globaali keskiarvo: 2 300 000 * * Eurooppa: >455 000 (EU s 27 member states). * Itä-Aasia: 1 049 000 *The European Topic Centre on Air and Climate Change (ETC/ACC) for the European Environment Agency (EEA), **Silva et al 2013)
ILMARI Monitieteinen aerosolitutkimusyksikkö UEF:ssa Emissions to health effects - in the laboratory Exposure of m ice to emission Toxicological analyses Physical and chemical analyses of particles and gases Emissions combustion from sources Dilution of emissions Transformation of emissions Air -liquid exposure of cells Jokiniemi Jokiniemi Lehtinen Hirvonen Hirvonen Analysis of the whole chain from emission sources via dilution and transformation their physical and chemical characterization to health related toxicological responses in cell lines and animals All the facilities are located in the same experimental hall at the UEF Kuopio campus. 21.11.2016
ILMARI Rinnakkaiset altistukset soluille ja koe-eläimille Cell exposure in ALI system Whole body animal exposure Toksikologiset analyysit esim. Tulehdusvasteet, solutoksisuus ja oksidatiivinen stressi: keskeisiä mekanismeja sydän-ja hengityselinsairauksien synnyssä Genotoksisuus: liittyy syövän syntyyn
Pellettipolttoaine vaikuttaa pienhiukkaspäästöjen määrään sekä niiden kemiallisiin ja toksikologisiin vasteisiin Inflammatory responses Genotoxicity Kasurinen 21.11.2016 et al 2016 9
Aerosol Science and Technology 2016 ISSN: 0278-6826 (Print) 1521-7388 (Online) http://www.tandfonline.com/loi/uas Toxicological characterization of particulate emissions from straw, Miscanthus, and poplar pellet combustion in residential boilers t2 Stefanie Kasurinen, Pasi I. Jalava, Oskari Uski, Mikko S. Happo, Thomas Brunner, Jorma Mäki- Paakkanen, Jorma Jokiniemi, Ingwald Obernberger & Maija-Riitta Hirvonen Havupuu- ja olkipelletien polttossa syntyi vähiten PM1 hiukkaspäästöjä. Elefanttiheinä ja haapapelletien poltton pienhiukkaspäästöt olivat noin kolme kertaa suuremmat Päästöhiukkasten korkea orgaanisen hiilen (OC) ja Cl pitoisuus korreloi kaikkien mitattujen toksikologisten vasteiden kanssa Lyijyn määrä päästöhiukkasnäytteissä korreloi tulehdusvasteden ja syntyneiden DNA vaurioiden kanssa Korkeat epäorgaanisen hiilen (EC), sinkin, magnesiumin ja kalsiumin pitoisuudet hiukkasissa liittyivät lisääntyneeseen solutoksisuuteen 0 Esityksen nimi / Tekijä 21.11.2016 10 Esityksen nimi / Tekijä 21.11.2016 10
Polttotekniikka vaikuttaa päästöjen toksikologisiin vasteisiin OTM 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 New tech Stoves Genotoxicity /Comet assay Old tech New tech Old tech Log wood boilers Wood chip boiler New tech Tiled stove Blank 150 µg/ml 50 µg/ml 150 µg/ml 300 µg/ml Pellet boiler Jalava et al Atmospheric Environment 2012.01.009 2012 Apr. 50: 24-3
Puun ja biomassan poltossa syntyvien hiukkaspäästöjen toksisuuteen vaikuttaa Polttoteknologia ja sen käyttö Polttoaine Pienhiukkasten kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet noki, metallit (Zn), PAH yhdisteet, OC/EC Muutunta ilmakehässä
Bioenergian käytön lisääminen tulevina vuosikymmeninä pitää tehdä lisäämättä pienhiukkaspäästöjen aiheuttamia terveyshaittoja!
Kiitos! uef.fi
Chemical analyses of emissions 15
Esityksen nimi / Tekijä 21.11.2016 16
Poltettava puulaji vaikuttaa päästöjen toksisiin tulehdusvasteisiin ihmisen keukosolumallissa TGF (pg/ml) 400 300 200 100 Birch Beech Spruce Pellet Co-culture Bronchial epithelial cells + Macrophages BEAS-2B + diff. THP-1 0 Blank LPS 25 75 150 200 25 75 150 200 25 75 150 200 25 75 150 200 Dose (µg/ml) Kasurinen et al. 2016 manuscript in preparation Esityksen nimi / Tekijä 21.11.2016 17
Miksi pienhiukkaset ovat vaarallisia? Tunkeutuvat syvälle hengitysteihin Halkaisijaltaan alle 0.1um, suuri reaktiivinen pinta-ala Transitiometallit ja niiden hapetusasteet Reaktiiviset orgaaniset yhdisteet esim. epätäydellissä palamisessa Hiukkasten ikä (tuoreet vaallisempia) Huono vesiliukoisuus 1 0.7 µm Trache a3-5 µm 2-3 µm Terveysvaikutukset Ilmaston muutos 1-2 µm Erilaisten terveyshaittoihin johtavien mekanismien aktivoitunen elimistössä 0.4 0.7 µm
Esityksen nimi / Tekijä 21.11.2016 19
Uudet haasteet Impact on the health of populations Terveysvaikutukset Radiative Ilman forcing causing Ilmaston laatu climate change muutos Dual role of fine particles Bioenergia nähdään keinona hillitä ilmastonmuutosta ja lisätä energiaomavaraisuutta mutta, altistuminen pienhiukkasille ja niiden terveys haitat voivat lisääntyä merkittävästi
Puunpienpolton vaikutus päästöihin, ilmanlaatuun ja terveyteen Onko polttotavalla ja polttolaitteiden teknisillä ominaisuuksilla vaikutusta syntyvien pienhiukkasten toksikologisiin vasteisiin? Ilman laatu Terveysvaikutukset Ilmaston muutos
"Normaali" poltto Panoskoko: 2.4 kg Klapikoko: 480 g Asettelu: tiivis Korvausilma: riittävä PM päästöt: 100 mg/mj Kitupoltto" Panoskoko: 3.5 kg Klapikoko: 230 g Asettelu: harva Korvausilma: rajoitettu PM päästöt: 600 mg/mj Ilman laatu Terveysvaikutukset Ilmaston muutos Tissari et al. 2008
Dual role of combustion emissions Impact on the health of populations Radiative forcing causing climate change Sustainable bioenergy production Challenges: The increase in use of biomass based energy should be done without increasing fine particle emissions and their current extensive annual health impacts and radiative forcing