Om partiklar du får på köpet när du andas

Om partiklar du får på köpet när du andas
Luften är fri! Om partiklar du får på köpet när du andas Christina Isaxon Aerosolgruppen på avdelningen för Ergonomi och Aerosolteknologi på Lunds Universitet Ergonomi och Aerosolteknologi, Lunds Universitet

Aerosol = partiklar i fast eller flytande form i suspension i en gas
Detta brukar vara det det första man tänker på när begreppet aerosoler nämns. Det här är ett utmärkt exempel på en aerosol, en spray, vilket per definition är en aerosol som består av vätskedroppar I suspension I en gas. Just de här aerosolpartiklarna skapas genom mekanisk sönderdelning av en vätska. Den vetenskapliga definitionen på en aerosol är dock bredare än sönderdelade vätskedroppar. Faktum är att hela luften är en aerosol. Jag ska börja med att visa lite typexempel.

Moln. Här är partiklarna I princip I flytande form, även om varje molndroppe har en liten fast partiklel I sig, som har tjänat som kondensationskärna. Hade dessa partiklar inte funnits från början, alltså om luften hade varit helt ren, hade vi inte haft några moln alls. För att vattenånga ska börja falla ut I droppforn av sig själv, utan att ha en “kärna” att kondensera på, krävs faktiskt över 400 % RH. Denna förutsättning har vi aldrig I atmosfären. Är, till skillnad från andra aerosoler, en aerosol med klart definierade “rumsliga gränser”

Smoke Fume På svenska kallar vi den här typen av aerosol för rök, men på engelska görs en distinktion mellan fume och smoke. Fume är en aerosol som skapats genom att ånga eller gas från förbränningsprocesser har kondenserat till fasta partiklar. Smoke är egentligen en underklass till fume, här har partiklarna skapats genom ofullständig förbränning av fossila bränslen

Damm Damm är en aerosol där partiklarna har skapats genom sönderdelning av material. Partiklarna är ofta större och oregelbundna I formen

Mist Mist: En aerosol där partiklarna är I vätskeform, och skapade genom kondensation. Om koncentratrionen av partiklar blir så hög att visibiliteten påverkas kallas aerosolen dimma. En spacialvariant av dimma är smog, som kan uppkomma under speciella omständigheter när fuktighet I luften interagerar med förbränningsprodukter under inverkan av UV-ljus och kväveoxider. Ordet smog kommer just av en sammanslagning av smoke och fog. Smog Dimma

Mögelsporer Pollen Hudflagor Virus Bakterier
Bioaerosoler är en speciell grupp luftburna partiklar som antingen består av levande organismer eller sådant som har emitterats från levande organismer. Mögelsporer Pollen virus Bakterier Hudflagor Storleksspannet är stort på bioaerosoler. Virus Bakterier

I kväll tänkte jag försöka hinna med:
Hur stora är partiklarna? Var kommer de från? Hur många finns det? Vad händer med partiklarna (och oss) när vi andas in dem? STORLEKEN SPELAR ROLL! Det finns alltså en enorm massa aerosoler, med väldigt olika egenskaper. Aerosolteknologi är ett brett, tvärvetenskapligt forskningsämne som omfattar saker från kvantkemi, via fysik och mätteknik till epidemiologi och klimatmodeller. Vissa begränsningar måste alltså göras för ett föredrag som detta, och I kväll tänkte jag att vi koncentrerar oss på följande punkter Och även om det här säkert inte gäller I livets alla situationer så kommer jag förhoppningsvis att lyckas övertyga er om att I min värld, alltså I aerosolvärleden, så spelar storleken I högsta grad roll.

Det här med storlekar… 1 nm 100 µm =luft
Partiklar i suspension i en gas Vi djupdyker genast I det här med storlekar Kom ihåg att jag definierade en aerosol som partiklar I suspension I en gas? Här har vi nyckelorden som bestämmer hur stora våra luftburna partiklar kan vara: Partiklar och suspension Partiklar innebär att vi inte räknar med små, ostabila kluster av molekyler, och för att en partikel ska vara stabil krävs att den är en, eller ett par nanometer I diameter I suspension, det innebär att partiklarna, I alla fall under rimligt lång tid ska förbli luftburna. Vi är ju vana vid att gravitationen gör att allt faller mot jordytan, men I den mikroskopiska världen är detta en sanning med modfikation. En två-nanometerspartikel blir I princip inte alls påverkad av gravitationen. Om vi går uppåt några storleksordningar och tittar på en tusen-nanometerspartikel (alltså en mikrometer), så tar det ca 8 timmar för den att på grund av gravitationen falla en meter. En 100 mikrometerspartikel falle samma sträcka, alltså en meter, på endast tre sekunder. Här börjar vi närma oss gränsen för vad som kan anses gälla som luftburet, och vi brukar sätta den övre storleksgränsen för en aerosolpartikel vid 100 mikrometer. Det här är ungefär ett hårstrås tjocklek, och dessutom gränsen man brukar sätta för hur små saker vi kan se utan mikroskop. Gasen då? Ja, det är så gott som alltid luft vi pratar om här. Och när vi pratar om aerosoler är det själva partiklarna som bjuder på de forskningsmässiga utmaningarna, inte de omgivande luftmolekylerna, vars sammansättning vi ju känner. Därför är aerosol I praktiken ekvivalent med luftburna partiklar. 1 nm 100 µm

1 nm – 100 µm 0, m 0,0001 m Mellan 1 nm och 100 um är det fem tiopotenser, vilket är ett hysteriskt stort storleksspann

Det här med diametrar… Pollen Havssalt Jord Dieselavgaser Svetsrök
Nu vill jag bara snabbt säga att det här med en diameter på en nanometer, eller för den delen en hundra mikrometer, är inte riktigt så triviellt som det låter. Det här är I grund och botten en mätteknisk utmaning. Hur man utformar sina instrument och hur man behandlar datan som kommer ut ifrån dem, skulle man kunna hålla ett helt föredrag I sig om och jag kommer att gå djupare in på olika typer av diametrar än så här – jag vill bara påpeka att det inte är enkelt Dieselavgaser Svetsrök Asbest

Antropogena partikelkällor
Var kommer partiklarna ifrån? Man kan säga att partiklarna I luft kommer från två olika huvudtyper av källor. Dels har vi de partiklar vi människor (oftast) ofrivilligt framställer själva Innomhus: Här tillbringar vi uppemot 85 % av vår tid. Här är några exempel på aktiviteter vi gör I hemmet, som kan resultera I luftburna partiklar

Skinnavflagning Desquamation Våra kläder:
Partikelkoncentration Partikelstorlek (µm) Zeoliter Vi själva är också partikelgeneratorer: Skinnavflagning Desquamation Detta har inte bara med aktiviteter, utan även med mer närgångna saker att göra, som våra kläder. Vår rena fina tvätt ger av sig rejäla mängder av mjukgöringsmedlet zeoliter (om vi nu inte aktivt valt ett av de få tvättmedel som är zeolitfria). En typ av små lerpartiklar. Med zeolit-tvättmedel ökar vi antalet partiklar, om vi tittar på de ungefär 1 um, I storleksordningen sjufalt jämfört med om vi använder zeolitfritt tvättmedel. Även vi själva avger partiklar. Detta vackra engelska ord förlorar lite av sin charm då man översätter det till svenska Att man har gjort dessa försök med försökspersonerna iklädda bara underkläder är för att kläderna I sig inte ska avge några extra partiklar. Hudflagorna I sig är så små (typiskt 40x40x2 um) att de inte hindras av tyget. 70-90% av dammet I våra hem utgörs av de här hudflagorna. Stillasittnde (i underkläder): 40 000 partiklar per minut. I rörelse (promenad, i underkläder): 400 000 partiklar per minut. I genomsnitt gör vi av med mg skinnflagor per timme. På 2-4 veckor har hela vårt yttre lager skinn blivit utbytt.

Och partikelkällor utsätts vi givetvis även för på jobbet, På industriarbetsplatser rejält. Här är tre exempel Polyuretantillverkning (skumgummi) Svetsning Slipning Och ibland är det slälva partikeltillverkandet som är industrin (ENPs – engineered nanoparticles).

Här har vi typiska antropogena källor I utomhusluften

Naturliga partikelkällor
Den andra typen av aerosolkällor är de naturliga källorna. Dessa har funnits sedan urminnes tider på jorden. Saltpartiklar från haven Vulkanutbrott Vegetation (VOC+O3) Sand som blåser från västra Sahara ut över Atlanten Sandpartiklarna kan ibland färdas väldigt långt I atmosfären…

Hur uppkommer partiklarna?
Primära aerosoler (direkta utsläpp) Sönderdelning av material (t ex vinderosion, slipning, krossning) Resuspension (t. ex uppvirvling av damm, textilier och hud, slitage däck-vägbana) Havsspray Skogsbränder, vulkanutbrott Biologisk aktivitet Förbränningsprocesser (organiska ämnen, sot och metaller) Sekundära aerosoler (partikelbildning i atmosfären) Ozon från utomhusluften som reagerar med organiska ångor Komplexa, ofta fotokemiska, reaktioner Man kan istället dela in partiklarna I två huvudtyper beroende på hur de har bildats, Primära aerosoler och sekundära aerosoler Sönderdelning av material: naturligt förekommande, men även från t ex industrin Resuspension “när partiklar som suttit fast släpper” Havsspray: Bildas bl a när gasbubblor stiger upp till ytan. Bubblans ytfilm bildar små droppar när den spricker, med samma sammansättning som havsvattnet (natrium, klor, sulfat, magnesium, kalcium, kalium). Dessa partiklar torkar I luften. Faktiskt emitterar världshaven till atmosfären ofattbara 5.9 miljarder ton saltpartiklar per år! Biologisk aktivitet: pollen, bakterier, virus Förbränningsprocesser (dessa ämnen förgasas under förbränningsprocessen men kondenserar snabbt när rökgasen avkyls) Sekundära aerosoler: Till exempel marknära ozon som reagerar med organiska ångor. Dessa ångor är typiskt sk terpener vilka emitteras I höga halter av barrskogar (pinen), men även från t ex rengöringsmedel och likannde produkter som doftar citron eller tallbarr Hur det går till när partiklar bildas I atmosfären är mycket komplicerat, ofta I form av komplexa fotokemiska reaktioner I flera steg. Jag tror man skulle kunna hålla en hel sådan här föreläsningsserie om sekundär partikelbildning. Om man inte är jätteduktig på atmosfärskemi så kan man se det som en svart låda. I den skramlar det runt “jobbiga” saker som kvantkemi och termodynamik. Om man t ex stoppar in UV-ljus och kväveoxider I lådan kommer det ut fotokemisk smog. UV Kvantkemi Smog Termodynamik NOX

Inga moln utan partiklar!
Molndroppe Vattenupptag Primär- partiklar Koagulering Agglomerat Grova partiklar: Damm Havssalt Aska Ackumuleringsmoden Kondensation Kondensation Grovmoden Varma ångor Nukleerings- moden O3 Varma ångor Nu ska jag anknyta till det här med storlek igen. Vad som händer nu när vi har alla de här partikelkällorna… Logskalan på x-axeln! Godtycklig koncentrationsenhet på y-axeln. Finns det då en jämn halt av alla dessa partikeltyper I luften? Nej, de är faktiskt uppdelade I ett par moder som, just eftersom vi har logaritmerad x-axel, uppträder som tre normalfördelningar… Vi kan se att många av de sekundära aerosolerna hamnar I de små storleksfraktionerna, och många av de primära aerosolerna återfinns bland de större partiklarna VOC Varma ångor Storlek (µm)

PM2.5 PM10 Storlek (µm) Molndroppe Primär- partiklar Agglomerat
Grova partiklar: Damm Havssalt Aska Ackumuleringsmoden Grovmoden Nukleerings- moden PM10 När det pratas om hälsogränsvärden hör man ofta begrepp som PM10 och PM2.5. Man avser då alla partiklar I luften som är mindre än 10 um respektive mindre än 2.5 um. PM10 är vald för att det anses vara den fraktion som kan tränga förbi näsa och mun ner I andningsvägarna (kallas även, I yrkeshygienska sammanhang för respirabelt damm). Med PM2.5 har man tagit bort den delen av aerosolen som kommer från grovmoden. PM10 och PM2.5 brukar anges I enheter av masskoncentration, t ex ug partiklar per m3 luft. Det är tveksamt om masskoncentration är det lämpligaste valet av enhet I dessa sammanhang. Jag ska förklara. Här har vi altså en godtycklig koncentrationsenhet, men… Storlek (µm)

…om vi tar just denna hypotetiska aerosol och och ritar den som antalet partiklar per volymsenhet luft hade den sett ut så här, och om vi ritat samma aerosol fast mätt I massan partiklar hade den istället sett ut så här… Om det finns bara en eller ett par partikel av Globentyp I aerosolen krävs det en fruktansvärd massa partiklar av knappnålshuvudtyp för att tillföra något överhuvudtaget vad gäller massan.

Antalskoncentration och masskoncentration
Vikt: 70 % 22 % 8 % Antal: 1 % 9 % 90 % 1 partikel, diameter 60 µm (som ett hårstrå) 1 miljon partiklar diameter 600 nm 1 miljard partiklar diameter 60 nm Det är alltså så här: Om vi tar en partikel, 60 um, och delar den till partiklar som är 600 nm så… Dessa tre “högar” har alltså samma massa, men helt olika antal. Man kan se det som att om en aerosol består av de här tre huvudtyperna av “partiklar”så… Alltså, om vi tror att det är de större partiklarna som är farliga så är masskoncentaraion en bra enhet när man anger hälsogränsvärden, men om vi tror att det är de mindre partiklarna som är boven I dramat vore det mer motiverat att prata om antal partiklar istället för deras vikt. Kankse det rentutav är andra parametrar som är de viktigaste, t ex formen…

Hur mycket partiklar finns det?
Arktis: partiklar/cm3 0-1 µg/m3 På landet: partiklar/cm3 I stan: partiklar/cm3 5-100 µg/m3 µg/m3 Havet: partiklar/cm3 1-10 µg/m3 Generellt: där det inte finns någon mänsklig aktivitet har vi betydligt lägre partikelhalter Över haven är det givetvis mest saltpartiklarna som står för koncentrationerna. Vi kan också se att koncentrationen vad gäller antal partiklar är betydligt högre I urbana områden än I rurala, men att det inte är samma stora skillnad vad gäller masskoncentrationen. Eftersom vi nu vet hur antals- och masskoncentration förhåller sig till varandra kan vi ju säga att detta innebär att partiklarna är generellt mindre I staden än på landet (och detta stämmer eftersom de flesta antropogena källor ger partiklar I de mindre storlekarna) Jag ska påpeka att vi alltså gärna anger antalskoncentration I partiklar per cm3, men när det gäller masskoncentration pratar vi, för att inte riskera att vara alltför konsekventa, hellre om ug per m3 partiklar I varje liten kubikcentimeter, det känns ju skrämmande fullproppat, låt oss titta på hur ont om saligheten det egentligen är…

1 m3 “ren” luft vid jordytan väger ca 1 kg, alltså
partiklar/cm3 µg/m3 1 m3 “ren” luft vid jordytan väger ca 1 kg, alltså µg Låt oss anta att alla partiklar är 1 µm. Låt oss sedan förstora dem till 1 m 500 m Om vi tar partiklar per cm3, det är vad vi har i ganska ren luft, i alla fall där det finns människor… faktiskt består partikeldelen av en aerosol, vad gäller massa, av mindre än %. 10 km

Vad påverkas partiklarna av?
Storleken spelar roll! Sedimentation 1 µm : 1 meter på 8 timmar 100 µm : 1 meter på 3 sekunder Nu kan man ju fråga sig vad som händer med de här partiklarna. Ligger de bara där och flyter runt I luften I all evighet? Med tanke på att partiklar, som sagt, skapas hela tiden, både av oss och av naturen, vore det ju en ganska dyster prognos Sedimantation har att göra med hur partiklarna påverkas av tyngdkraften Intuitivt att större, tyngre partiklar påverkas mer av tyngdkraften än mindre. Kommer ni I håg att jag sa innan att en 100 µm partikel…

Storleken spelar roll! Sedimentation Impaktion Impaktion spelar stor roll där vi har ett luftflöde som ofta ändrar riktning t ex i lungan. Samma mekanism som gör att du får insekter på bilens vindruta. Hur stora partiklar som impakterar beror på luftflödets hastighet, men spelar mest roll för större partiklar. Tröga partiklar hänger inte med I svängarna, helt enkelt

Storleken spelar roll! Sedimentation Impaktion Interception Ett, till impaktion besläktat fenomen, kalas interception. Om partikeln, oavsett dess tröghet färdas längs en flödeslinje som går tillräckligt nära ytan kommer partikeln att fastna. Detta är speciellt uttalat då partikeln är oregelbunden och har utskjutande delar.

Storleken spelar roll! Sedimentation Impaktion Interception Diffusion < 100 nm De allra minsta partiklarna, de mindre än 100 nm, upplever inte luften som ett kontinuum, som vi gör. De här partiklarna är I samma storleksordning som luftmolekylerna och deras rörelse genom luften är påverkad av eviga kollisioner med dessa molekyler. Detta ger dessa riktigt små partiklar en slumpmässig rörelse och så fort de är tillräckligt nära en yta (marken, ett bord eller insidan av lungan) fastnar de på denna på grund av van der waalskrafter. Fenomenet kallas diffusion.

Storleken spelar roll! Sedimentation Impaktion Interception Diffusion Så som Interception är lite besläktad med impaktion, är termoforesis lite besläktad med diffusion. Det handlar om att partiklar gärna drar sig till kalla ytor. Om vi har ett område med varmare luft, och bredvid ett område med kallare luft, så kommer partiklarna I det varmare området, där luftmolekylerna har högre rörelseenergi, att bombarderas mer och till slut hamna I området där det är kallare, där de får mer “lugn och ro”. Det sker alltså en nettotransport av partiklar från varmare till kallare områden och partiklar deponeras alltså I högre grad på kalla än varma ytor. Detta ser man ofta på byggnader. Termoforesis påverkar mindre partiklar mer än större, eftersom de mindre ju känner av luftmolekylerna på ett helt annat sätt än de större. Termoforesis har inte så stor betydelse då det gäller vad som händer med partiklarna vi andas in, men det är ju kul att veta varför byggnader aldrig verkar bli smutsiga I ett jämnt lager. Termoforesis

Storleken spelar roll! Sedimentation Impaktion Interception Diffusion Koagulering handlar om att när två partiklar kolliderar med varandra I luften på grund av deras slumpmässiga rörelse, så kommer de att fastna ihop och bilda en större partikel. Detta sker givetvis I högre grad då vi har stor mängd små partiklar I luften (eftersom dessa har hög diffusivitet) tillsammans med större partiklar som de små lätt kan stöta på då de irarr genom luften. Koagulering ändrar inte masskoncentrationen, men det gör att antalskoncentrationen minskar Termoforesis Koagulering

Storlek (µm) Molndroppe Primär- partiklar Agglomerat Grova partiklar:
Damm Havssalt Aska Ackumuleringsmoden Koagulering Grovmoden Nukleerings-moden Våtdeposition Då känner vi nu till lite om aerosoldynamik, och kan börja fundera på vad detta innebär för våra partiklar I atmosfären. De minsta partiklarna påverkas alltså mycket av diffusion, och de största av sedimentation. Men vad påverkar de mittemellan, de som är ungefär mellan 100 och 500 nm? Tja, inte mycket, faktiskt. Det är därför moden I mitten kallas ackumuleringsmoden. Försvinner framför allt med nederbörden. Rainout och washout Hur länge partiklarna finns I atmosfären beror alltså även det på storleken. De allra största försvinner på några sekunder, de allra minsta diffunderar fort, men somliga av de som hamnat I ackumuleringsmoden kan vara kvar I atmosfären I flera år Sedimentation Diffusion Storlek (µm)

Är partiklarna farliga för oss?
Mage/ Hud / Lungor 1 m2 2 m2 100 m2 Volym luft / andetag: 0,5 l 100 miljarder inandade partiklar per dag! Andningsfrekvens: 12 ggr/ min Inandad volym: 10 m3 / dag Nu kan vi nog tillräckligt mycket för att på ett vettigt sätt kunna närma oss kärnfrågan… Partiklarna kan hamna I vår kropp på I huvudsak tre olika sätt: (De tre upptagningsvägarna och ungefärlig yta på dessa) -> Lungorna är den I särklass viktigaste upptagningsvägen. Dessutom: Vi kan välja vad vi äter, vi kan skydda huden…men vi kan inte välja att inte andas … Ren luft: 1000, smutsig industri >1 miljon, men om vi placerar oss någonstans däremellan och tittar på den där koncentrationen av partiklar/cm3 igen… (räknar men ett tal I sekunden, dygnet runt utan avbrott tar det 31,7 år att räkna till en miljard…) Så frågan är relevant! Antag partiklar/cm3…

Lungdeposition Övre luftvägarna Bronkiala regionen Alveoläraregionen
Vad händer nu med de där 100 miljarder partiklarna vi andas in varje dag? Vårt andningssystem brukar delas in I tre delar… I alveolära regionen sker gasutbytet. Väggarna är tunna av just denna anledning. Varje människa har ungefär 700 miljoner alveoler och det är just alveolerna som står för lungans stora yta.

Vi har här en liten, hypotetisk aerosol, bestående av tre olika partikelstorlekar. För att hinna se vad som händer låter vi personen andas in en storlek I taget. De största har så svårt att hinna med då luftströmmen ändar riktning så de fastnar medlest impaktion redan innan de passerat struphuvudet. Partiklarna som är lite mindre kan komma vidare ner I tracheo-bronkiala regionen. Hastigheten på luften är hög här, luftens uppehållstid är bara mellan 3 och 30 millisekunder. Vid dessa höga hastigheter har partiklarna svårt att hänga med I luftströmmen, speciellt de större, och de deponeras på grund av impaktion, interception och (I de horisontella delarna) av sedimentation. Denna del av andningssystemet kallas även “de cilierade luftvägarna” eftersom dess yta är täckt av ciliehår (flimmerhår) som genom att samordna sina rörelser transporterar upp partiklar till svalget där vi sedan omedvetet sväljer dem. Denna transport tar I storleksordningen timmar om partikeln deponerats högt upp och månader om den deponerats långt ner. När luften kommer ner I alveolerna sjunker hastigheten markant, vilket ger de riktigt små partiklarna ordentligt med tid på sig att diffundera och fastna på alveolens väggar. I alveolen finns en tunn vätskehinna som kallas lungsurfaktant. Denna vätskehinna kan hjälpa till att transportera partiklarna tillbaka upp till de cilierade delarna av luftvägarna, men vanligar är att partiklar som deponerats här nere blir omhändertagna av (“uppslukade” av) makrofager (en typ av celler liknande vita blodkroppar). Makrofagerna innehåller flera olika typer av enzymer, för att kunna bryta ner partiklarna. De transporterar sedan bort sig själv och partikelresterna till lymfkörtlarna. Så långt är ju allt väl, vi har alltså väl utvecklade försvarsmekanismer I lungan. Trots det kan partiklar orsaka, I vissa fall väldigt stora, problem. Jag ska prata om varför snart. Först ska vi ta reda på om alla de här 100 miljarder partiklarna fastnar I lungan… Foto: Lennart Nilsson

Deposition i övre luftvägarna
Deponerad fraktion X: Partikeldiameter – obs logskala som sig bör Y: Deponerad fraktion I de övre luftvägarna fastnar uppemot 90 % av de inandade partiklarna av de allra största storlekarna. En påtagligt stor del av de allra minsta fastnar faktiskt också här. Det är de verkligt små, som har enormt hög diffusivitet och inte hinner ner I luftrören innan de irrat iväg och fastnat någonstans. 1 10 0.1 0.01 0.001 Partikeldiameter, µm

Deposition i bronkiala regionen
Deponerad fraktion I bronkiala delarna ser det ut så här. 1 10 0.1 0.01 0.001 Partikeldiameter, µm

Deposition i alveolära regionen
Deponerad fraktion Och nere I lungblåsorna är det, som väntat, flest små partiklar som fastnar. Hälften av alla de runt 10 nanometer stannar kvar. 1 10 0.1 0.01 0.001 Partikeldiameter, µm

Totaldeposition Diffusion Impaktion, sedimentation Deponerad fraktion
Totalt sett deponeras alltså stor del av de minsta och stor del av de största. Detta beror, som vi nu vet, på … och…. Dock kan vi se att av partiklarna mellan 100 och 500 nm andas vi ut de flesta igen. Det är ungefär den storleksordningen som ackumuleringsmodens partiklar I atmosfären tillhör. Och anledningen är faktiskt densamma – partiklarna är lite för stora för att påverkas av diffusion och lite för små för att påverkas av sedimentation. Det finns helt enkelt ingen direkt mekanism som tvingar dem att försvinna ur atmosfären, eller som tvingar dem att deponeras I lungan. 1 10 0.1 0.01 0.001 Partikeldiameter, µm

ICRP 𝐼𝐹=1−0.5 1− 𝑑 𝑝 ^2.8 𝐷𝐹 𝐻𝐴 =𝐼𝐹 𝑒 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 𝑒 0.924−1.885𝑙𝑛 𝑑 𝑝 𝐷𝐹 𝑇𝐵 = 𝑑 𝑝 𝑒 −0.234 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 +3.4 ^ 𝑒 −0.819 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 −1.61 ^2 𝐷𝐹 𝐴𝐿 = 𝑑 𝑝 𝑒 −0.416 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 ^ 𝑒 −0.482 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 −1.362 ^2 Hur har man kommit fram till de här graferna då? Jo, givetvis genom datormodellering. Modellen vi sett just nu är den mest spridda, den kallas ICRP-modellen (International Commission on Radiological Protection) och ser ut så här…. 𝐷𝐹=𝐼𝐹 𝑒 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 𝑒 0.508−2.58𝑙𝑛 𝑑 𝑝

ICRP 𝐼𝐹=1−0.5 1− 𝑑 𝑝 ^2.8 𝐷𝐹 𝐻𝐴 =𝐼𝐹 𝑒 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 𝑒 0.924−1.885𝑙𝑛 𝑑 𝑝 𝐷𝐹 𝑇𝐵 = 𝑑 𝑝 𝑒 −0.234 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 +3.4 ^ 𝑒 −0.819 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 −1.61 ^2 𝐷𝐹 𝐴𝐿 = 𝑑 𝑝 𝑒 −0.416 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 ^ 𝑒 −0.482 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 −1.362 ^2 Dp är partikeldiameter, och är den enda variabeln I modellen. Så var partiklarna hamnar I lungan och hur mycket av dem som fastnar där bestäms (I alla fall enligt ICRP) endast av storleken 𝐷𝐹=𝐼𝐹 𝑒 𝑙𝑛 𝑑 𝑝 𝑒 0.508−2.58𝑙𝑛 𝑑 𝑝

RESPI 3-way valve (Löndahl et al 2006)
Givetvis vill man ju titta på det här empiriskt också. Det gör vi I Lund med ett aldeles unikt instrument som döpts till RESPI. Även om mätteknologin är mycket avancerad är principen enkel. Här uppe tas aerosolen in. Det kan vara t ex utomhusluften eller en I laboratoriet genererad aerosol. Den hamnar I en tank vars syfte är att utjämna koncentartionsfluktuationer. Man andas in och när man andas ut ändras en ventil som gör att den utandade luften hamnar I en annan tank. Koncentartionen mäts omväxlande från båda dessa tankar, och man kan genom att jämföra hur koncentrationen var uppdelad på olika partikelstorlekar I anandningsluften och I utandningsluften sluta sig till hur många partiklar I varje storleksintervall som blev kvar I lungan och inte kom ut med utandningsluften.

Dos: 13.2 µg/h 16.6 µg/h Så här kan ett resultat se ut. Märk att vi här tittar på partiklar upp till 800 nm, alltså att vi bara ser vänstra delen av den U-formade kurva vi tittade på ui ICRP-modellen. I detta experiment var aerosolen dieselavgaser vid tomgångskörning och personerna som andades var dels en grupp friska personer och dels en grupp med KOL. Som vi kan se deponeras en lägre andel partiklar hos kolpatienterna, vilket inte är så konstigt eftersom man andas mycket ytligare andetag om man har KOL. Dock andas man också mycket fler andetag I minuten, så den tortala deponerade dosen blir 25 % högre för Kol-patienterna.

Vad gör de deponerade partiklarna med vår hälsa?
Från Bernadino Ramazzini, i De Morbis Artificum Diatriba (Diseases of Workers) 1713: "Stenhuggare, skulptörer, stenbrytare och andra, liknande, yrkesutövare är ofta besvärade av hosta, och några av dem drar på sig astmatiska åkommor.” ………….”när kropparna av sådana arbetare dissekerats, har man upptäckt att de är fulla av små stenar.” Ramazzini: “yrkesmedicinen fader” Förmodligen den första beskrivningen av sjukdomen silikos (stenlunga), som man får om man under lång tid andas in stendamm. Detta är dock inte den enda hälsoeffekt man har kunnat knyta till aerosoler

Vad vet vi om hälsoeffekter av inandade partiklar?
Andningsvägarna Irritation, hosta Astma Kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL) Infektioner Systemiska effekter Cancer Kardiovaskulära problem Hjärtinfarkt Stroke Reproduktion Dödsfall hos nyfödda p g a infektion i andningsvägarna Reducerad födelsevikt(?) Påverkan av lungutvecklingen hos barn … Silikos är inte den enda hälsoeffekt man kunnat binda till luftburna partiklar, här är några exempel.

Vad beror farligheten på?
Vi vet tillräckligt mycket för att vara säkra på att det inte finns något enkelt svar Tja, säg det… 1. Koncentrationen Masskoncentration (µg/m3) - traditionellt sett PM10 Antalskoncentration (#/cm3) – ger rättvisa åt de minsta partiklarna Ytareakoncentration (µm2/cm3) 1 miljon partiklar 600 nm WHO 1 miljard partiklar 60 nm EU 1 partikel, 60 µm Masskoncentrationen: Six-cities-studien (förklara). Men det verkar inte finnas något överdrivet tydligt samband mellan PM10 och relativa risken att avlida av exponeringen. När man korrelerar risken med partiklar mindre än 2.5 um (räknar bort grovmodens bidrag) blir sambandet tydligare. Än en gång: storleken spelar roll Nu har det kommit gränsvärden även för PM2.5 Antalskoncentration - många partiklar som är små nog att komma djupt ner I lungorna innebär en större arbetsbörda för makrofagerna. Var och en makrofag kan inte ta hand om många (kanske bara en) partikel I taget. De som inte blir omhändertagna ligger kvar länge nog för att kunna initiera en inflammation (även om partiklarna I sig består av ett material som inte I sig är farligt) Ytareakoncentration – eftersom det här är vad lungan “ser” Ytareakoncentrationen, kan man säga är en sorts kombination av antalskoncentration och partikelform Partikel a har 5 ggr större ytarea än partikel b.

2. Fysiska egenskaper Form Storlek 30 nm partikel 5 % av atomerna sitter på ytan 3 nm partikel 50 % av atomerna sitter på ytan Form: Påverkar hur en partikel kommer att uppföra sig I lungan. En asbestfiber kommer att justera sig med luftströmmen och följa med mycket längre ner I lungan än vad den “borde”. Det, samt att asbest är så persistent, gör att det är så farligt, och av samma anledning är vi oroliga över kolnanorör ifall de blir luftburna Vad händer när inte makrofagerna klarar av partiklarna? Makrofagen dör och frisätter sina nedbrytande enzymer, vilket vi tror är en källa till oxidativ stress, som I sig skapar inflammation vilket I slutändan kan leda till cancer. Partikeln kan också translokeras, alltså förflytta sig ut ur alveolen till den omgivande lungsäcken (som I fallet med asbest där fibern skapar den typiska cancerformen mesoteliom) eller till blodet och sedan deponeras I andra organ. För att detta ska kunna ske måste partikeln vara tillräckligt liten. Man har nyligen visat hos råttor att riktigt små guldpartiklar, som fastnar redan I näshålan pga sin höga diffusionshastighet, kan transporteras via luktnerven och passera blod-hjärnbarriären. Storleken: Skarpare kurvatur innebär högre reaktivitet, samt att lungan ser ytan Translokering Biol. Inst. LU

3. Kemiska egenskaper Sammansättning (ändras ofta med tiden) Hygroskopicitet Löslighet Inhalering 99,5 % RH Proteinkorona Salt Radioaktivitet Vad partikeln består av spelar givetvis roll. Det man tror att en partikel bestårav är inte alltid vad lungan “ser” och partikelns sammansättning kan ändras med tiden Exempel: avgaspartikel. Kärna av sot med en hinna av organiska ämnen (t ex från motorns smörjolja). På den har några metallpartiklar koagulerat. Eftersom det organiska höljet kan vara ganska hydrofilt kommer partikeln inom loppet av några timmar fått ytterligare en hinna av salter (t ex ammoniumsulfat och ammoniumnitrat). Ytspänningen har dessutom gjort att den ändrat form. Löslighet – fyra olika scenarier man kan tänka sig då en partikel hamnar I lungvätskan Hygroskopicitet Proteinkorona – Så fort en partikel kommer I kontakt med en biologisk vätska (som lungsurfaktant) finns det forskning som tyder på att partikeln snabbt kommer att täckas av en “hinna” av biomolekyler. Denna hinna kan I så fall bidra till att cellerna I alveolväggarna släpper igenom partikeln ut till blodbanan eftersom cellen uppfattar partikeln som någonting “kroppseget”. Radioaktivitet

Totaldeposition Diffusion Impaktion, sedimentation Deponerad fraktion
Virus Bakterier Damm Stearinljus (exl. sot) Dimma Metallrök Deponerad fraktion Smog Tobaksrök Sot Dieselavgaser Om vi jämför deponeringskurvan med storleksspannen på ett par olika aerosoler, varav några bevisligen inte är hälsosamma, framgår det att det nog inte enbart är storleken som spelar roll vad gäller farligheten. Gas-molekyler Havssalt 1 10 0.1 0.01 0.001 Partikeldiameter, µm

Deponerad fraktion 1 10 0.1 0.01 0.001 Partikeldiameter, µm Tobaksrök
Till exempel: Tobaksrök:Hamnar I minimat. Andas ut de flesta cigarettpartiklarna. Skulle det bara komma an på storleken vore rökning ganska ofarligt. 1 10 0.1 0.01 0.001 Partikeldiameter, µm

Jämfört med icke-rökare, löper rökare:
15 gånger högre risk att utveckla lungcancer 11 gånger högre risk att utveckla kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL) dubbelt så hög risk att drabbas av akut hjärtinfarkt ..men det vet vi ju att det inte är

Benzen 2-naphthylamin 4-aminobifenyl Nickel Polonium-210 Kolmonoxid
Kända carcinogener Benzen 2-naphthylamin 4-aminobifenyl Nickel Polonium-210 Nikotin (pesticid) Butan (tändvätska) Aceton (råttgift, nagellack) Vätecyanid (används vid avrättningar) Stearinsyra (ljusvax) Radon (radioaktiv gas) Ammoniak (toalettrengöringsmedel) Metanol (raketbränsle) Tjära (vägbeläggning) Toxiska substanser Kolmonoxid Kväveoxider Ammonium Vätecyanid Kadmium (batterier) Metan (sumpgas) Kolmonoxid (avgaser) Hexamin (grilltändare) Toluen (industriellt lösningsmedel) I fallet med tobaksrök är den kemiska sammansättningen en stor bov I dramat

1 600 000 extra dödsfall/år 800 000 extra dödsfall/år
Antal extra dödsfall I världen pga… 2/3 av extra dödsfallen pga inomhus- ooch utomhuskällor sker I Asien WHO uppskattar att exponering för fina partiklar (PM2.5) i utomhusluften leder till cirka förlorade levnadsår årligen i Europa!

Statistisk förkortad livstid (månader) på grund av antropogent PM 2.5
Från 2003

Hur studerar man partiklars farlighet?
Epidemiologi Toxikologi Djurförsök Humanstudier In-vitrostudier Epi: Följer stora grupper av människor över tid. Prospektiva eller retrospektiva. Nästan alltid gjort på utomhusluften (visar snarare att partiklar är farliga istället för varför). Ger oss statistiska samband mellan exponering och effekt Om man ska söka svar på frågan varför partiklarna är farliga, hur exponeringen påverkar kroppen, alltså ett orsak-verkan-samband, får man vända sig till toxikologin Djurförsök: Man kan använda höga doser för att forcera fram en effekt men resultaten är ofta svåra att “översätta” till människor (olika andningsmönster, olika metabolism etc) Humanstudier. Exponering av människor under kontrollerade former. Mer realistiskt men etiska begränsningar – man får inte göra folk sjuka In-vitro: Exponerar cellodlingar för partiklar. Svårt med realistisk exponering och deponering

Humanexponering Utvärdera hälsoeffekter av partiklar genom att undersöka direkt mätbara fysiologiska parametrar, t ex biologiska markörer och hjärtfrekvensvariabilitet 22 m3 I rostfritt stål, med ett mycket avancerat konditioneringssystem som gör att vi kan kontrollera partikelhalt, temperatur, luftomsättningar, RH. Till denna kopplar vi ett genereringssystem där vi producerar partiklarna av intresse och levererar dessa till kammaren I precis den koncentration vi vill. Vi kopplar också in karakteriseringsinstrument så vi I realtid vet allt som är värt att veta om luften inne I kammaren. Här sitter då tre personer och blir exponerade Syftet med dessa försök är att utvärdera hälsoeffekter. Vi kan givetvis inte exponera våra personer så att de blir sjuka, så vi utsätter dem för realistiska halter av normalt förekommande partiklar och tittar sedan på t ex biologiska markörer och hjärtfrekvensvariabilitet. Syfter med biologiska markörer är att försöak få ett indirekt mått på att kroppen reagerat av exponeringen, och I vilken grad. Vi tittar t ex på cytokiner (vilka är ett slags signalproteiner som uppregleras vid t ex inflammationer). Att titta på biologiska markörer istället för att studera organet I sig är ungefär samma idé som att kontrollera onykterhet genom utandningsprov eller doping genom urinprov. Vi tittar också på hjärtfrekvensvariabiliteten, alltså hur regelbundna hjärtslagen är. Variabiliteten är ett mått på det autonoma nervsystemets förmåga att anpassa sig till ändringar I miljön, och generellt sett är det bra och hälsosamt att ha en hög variabilitet. En variabilitet som sjunker under tiden man blir exponerad kan vara ett tecken på att det kardiovaskulära systemet inte mår bra

Studiedesign Friska försökspersoner, tre i taget, ca tre timmar
Exponering (realistiska halter) samt ren luft Dubbel-blint protokoll Läkarundersökning Medicinsk- och yrkeshistoria Blodprov, urinprov Utandningskondensat, näslavage Spirometri och akustisk rhinometri Lungdeposition med RESPI Ögon- och luftvägssymptom PEF-mätningar EKG

Partikelkällor Stearinpartiklar
Partiklar från rengöringsmedel (VOC + O3) Svetspartiklar Diesel (+ trafikbuller) Senare i år: Stekos Zeoliter

Stearinljus Ugn Städning
Stearinljus valdes därför att de ger en markant höjning av antalskoncentrationen inomhus. Partiklar från rengöringsmedel är intressanta för att de har en helt annan kemisk sammansättning och är lösliga I högre utsträckning än sotpartiklar.

ALI – Air Liquid Interface
Vi har också precis gett oss in I in-vitrovärlden, med det här helt nya systemet. Nytt och mer verklighetstroget sätt att deponera på cellkulturer. Traditionellt sett deponerar man partiklar på cellodlingar genom att sänka ner odlingarna i en vätska med partiklar i, och låter partiklarna deponera medelst sedimentation. Så går inte deponeringen I lungan till I verkligheten. Med det här systemet hoppas vi kunna få för verkligheten mer relevanta resultat eftersom vi exponerar cellerna direkt från luftfasen, och det tunna vätskelagret som finns ovanpå cellerna är den lungsurfaktant som cellerna själva producerat. Celltoxiskt, mutagent…

Aerosolgruppen Luftburna partiklar och deras effekt på hälsa och miljö. Nära samarbete med : Yrkes- och Miljömedicin, Kärnfysik, Fasta Tillståndets fysik, Förbränningsfysik, Naturgeografen, Biokemi… Aerosolmätteknik Emissioner från biomassförbränning Emissioner från vägtrafik och järnväg Industriella arbetsmiljöer Industriella tillämpningar Inomhusluftens partiklar Luftburna partiklars påverkan på människans hälsa Bioaerosoler och smittspridning Personligt skydd Renrumsteknologi Nanosafety Klimatmodellering Nu har jag visat ett par av de saker vi sysslar med I aerosolgruppen. Men det är som sagt ett mycket brett forskningsämne, och vi samarbetar med flera institutioner både I Lund och på andra universitet Vi forskar bl a om…

I grova drag var det viktigaste…
Partiklar i luften finns i alla miljöer, och har alltid funnits. Mänskliga aktiviteter ökar partikelhalten, och tillför (ibland) nya sorters partiklar med nya egenskaper, t ex nanoindustrin. Faktumet att vi påverkar mängden partiklar i luften, innebär också att vi har möjlighet att se till att vår luft blir renare. Flera olika anledningar till att vissa av partiklarna kan vara farliga, men kroppen har utvecklat många försvarsmekanismer. Mycket forskning pågår för att förstå partiklarnas farlighet. Ju mer vi lär oss, desto mer vet vi var, och när, det är viktigt att sätta in åtgärder. Masskoncentration - antalskoncentration Klimatet då? Markku Rummukainen HA 23/4, LD 24/4, VX 25/4 Lätt att mäta masskoncentration: samla in på filter. Att ta fram ett instrument som kan identifiera och räkna knappnålshuvuden samtidigt som globenarenor är däremot en enorm utmaning…

Om partiklar du får på köpet när du andas

Liknande presentationer

En presentation över ämnet: "Om partiklar du får på köpet när du andas"— Presentationens avskrift:

Liknande presentationer

Om projektet

Kontakta oss

Logga in

Logga in via sociala nätverk:

Om partiklar du får på köpet när du andas

Liknande presentationer

En presentation över ämnet: "Om partiklar du får på köpet när du andas"— Presentationens avskrift:

Liknande presentationer

Om projektet

Kontakta oss