Chemical and source characterisation of size-segregated urban air particulate matter

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.