Aerosol exposure analysis using mechanistically based modules

Abstract

The objective of the current thesis was to study the exposure to PM10 in personal and population scale, through a combination of case studies, measurements, dosimetry models and other computer-based tools like Geographical Information Systems. In particular, the direct method of personal monitoring was chosen in order to estimate the daily personal dose. PM10 measurements were conducted in the city of Chania by residents and MSc students at the Technical University of Crete, with the use of a personal monitor and a diary of activities. The target was to examine the personal exposure and dose of the studied subjects in different microenvironments and to study the effect of different activities and indoor sources on human exposure. Additionally, an exposure and assessment model ExDoM2 was implemented and the received dose was estimated. Furthermore, in order to investigate the exposure from indoor sources, the cooking activity was selected as one of the major indoor sources and the measurements were conducted in the University of Birmingham. Experiments of four different styles of cooking (Chinese, African, Indian and West) were carried out and the effect of the different styles of cooking on the particle number size distributions was analysed. Moreover, the dose after one hour exposure while cooking in the different styles and in background concentrations was estimated. The personal exposure in Athens metro, as it is a microenvironment of public interest, was also investigated. With the target to study the exposure of both commuters and metro workers, two sampling campaigns were carried out both inside the trains and on several platforms. The time resolution used in the measurements was 1 sec and as a result it was feasible to study the effect of the train doors opening to the concentrations levels inside the train. The deposited dose of two types of metro workers and of the commuters was also estimated. Additionally, the deposition of heavy metals in the human body from the inhalation of particle-bound metals was investigated for citizens of 5 European cities. ExDoM and a pharmacokinetic PBPK model were used to determine the particle-bound metals dose in the human body. PBPK model is a key factor in understanding the deposition of metals in human body, to estimate the dose and the potential health effects. Finally, the exposure in population level was studied with the combination of available measurements from monitoring stations, census data and an interpolation method on a Geographical Information System. The proportion of population exposed in different PM10 concentrations in Attica was calculated for four years and the seasonal variation was also examined.

Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της έκθεσης σε σωματίδια PM10 σε ατομική και πληθυσμιακή κλίμακα, μέσα από έναν συνδυασμό μετρήσεων, δοσιμετρικών μοντέλων και άλλων υπολογιστικών εργαλείων όπως τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (GIS). Συγκεκριμένα, επιλέχθηκε η μέθοδος προσωπικής έκθεσης ώστε να υπολογιστεί η ημερήσια προσωπική δόση. Μετρήσεις PM10 πραγματοποιήθηκαν στην πόλη των Χανίων από κατοίκους και από μεταπτυχιακούς φοιτητές του Πολυτεχνείου Κρήτης, με τη χρήση ενός οργάνου μέτρησης προσωπικής έκθεσης κι ενός ημερολογίου καταγραφής δραστηριοτήτων. Ο σκοπός ήταν να διερευνηθεί η προσωπική έκθεση και η δόση των μελετούμενων υποκειμένων σε διαφορετικά μικροπεριβάλλοντα και να μελετηθεί η επίδραση των διαφορετικών δραστηριοτήτων και των εσωτερικών πηγών στην ανθρώπινη έκθεση. Επιπλέον, εφαρμόστηκε το μοντέλο έκθεσης και δόσης ExDoM2 και υπολογίστηκε η προσλαμβανόμενη δόση.Ακόμα, για τη διερεύνηση της έκθεσης σε εσωτερικές πηγές στο οικιακό περιβάλλον, επιλέχθηκε η δραστηριότητα της μαγειρικής, ως τη πιο σημαντική πηγή εσωτερικού χώρου και οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμινγκχαμ (University of Birmingham). Τέσσερις διαφορετικοί τύποι μαγειρικής από διαφορετικές κουζίνες μελετήθηκαν (Κινέζικη, Αφρικανική, Ινδική και Δυτική) και αναλύθηκε η επίδρασής τους στην κατανομή μεγέθους των σωματιδίων. Επίσης, εκτιμήθηκε η ατομική δόση μετά από μία ώρα έκθεσης στους διαφορετικούς τύπους μαγειρικής καθώς και σε συγκεντρώσεις υποβάθρου. Στη συνέχεια, ερευνήθηκε η προσωπική έκθεση στο μετρό της Αθήνας, ένα μικροπεριβάλλον δημόσιου ενδιαφέροντος. Με στόχο τη μελέτη της έκθεσης τόσο των επιβατών όσο και των εργαζομένων στο μετρό, πραγματοποιήθηκαν δύο καμπάνιες μετρήσεων, εντός των τρένων και σε πολλές αποβάθρες. Το χρονικό βήμα που χρησιμοποιήθηκε στις μετρήσεις ήταν 1 δευτερόλεπτο και έτσι κατέστη εφικτή η μελέτη της επίδρασης του ανοίγματος των θυρών του τρένου στα επίπεδα συγκέντρωσης στο εσωτερικό τους. Ακόμη, έγινε εκτίμηση της εναποτιθέμενης δόσης σε δύο τύπους εργαζόμενων του μετρό καθώς και σε επιβάτες. Επιπροσθέτως, ερευνήθηκε η εναπόθεση βαρέων μετάλλων στο ανθρώπινο σώμα από την εισπνοή μετάλλων για τους κατοίκους πέντε Ευρωπαϊκών πόλεων. Το μοντέλο ExDoM σε συνδυασμό με ένα φαρμακοκινητικό μοντέλο PBPK χρησιμοποιήθηκαν για να προσδιοριστεί η δόση των μετάλλων σε σωματίδια στο ανθρώπινο σώμα. Το μοντέλο PBPK είναι ένας παράγοντας-κλειδί στην κατανόηση της εναπόθεσης μετάλλων στον ανθρώπινο σώμα, στην εκτίμηση της δόσης και των πιθανών επιπτώσεων στην υγεία. Τέλος, μελετήθηκε η έκθεση σε πληθυσμιακό επίπεδο με τη βοήθεια συνδυασμού διαθέσιμων μετρήσεων από σταθμούς μέτρησης σωματιδίων, δεδομένα απογραφής και τη μέθοδο παρεμβολής σε ένα Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών. Η αναλογία του πληθυσμού της Αθήνας που εκτίθεται σε διαφορετικές συγκεντρώσεις PM10 υπολογίστηκε για τέσσερα χρόνια, καθώς επίσης εξετάστηκε και η εποχική της διακύμανση.