Miljøprojekt, 981 – Eksponering for ultrafine partikler fra trafikken i København

Eksponering for ultrafine partikler fra trafikken i København

1 Indledning

Indtil nu er der kun afrapporteret få befolkningsundersøgelser, hvor effekten af udsættelse for ultrafine partikler beskrives. Som det ofte er tilfældet i befolkningsundersøgelser er det også i forbindelse med udsættelse for trafik-genererede ultrafine partikler vanskeligt præcist at kvantificere omfanget af udsættelsen. Estimater for udsættelsen kan baseres på målinger af koncentrationen af luftforurening i gade-niveau eller såkaldte by-baggrundsmålinger målt i taghøjde. For at kunne estimere personers udsættelse ud fra denne type målinger kræves kendskab til forureningens fordeling med hensyn til tid og sted samt til personernes færden i det forurenede miljø. Ved vurdering af effekten af udsættelse for ultrafine partikler vil det også være nødvendigt at kende bidraget fra indendørs kilder.

I forbrændingsmotorer dannes primært partikler med diametre i intervallet 0.01μm til 0.1μm, og denne partikelfraktion betegnes ultrafine partikler. Dannelsen sker både under selve forbrændingen, samt i udstødningsgassen. Den resulterende emission bliver et resultat af mængden af trafik og af motorteknologien, altså af typen og alderen af transportmidlerne samt af det anvendte brændstof. Partiklerne består hovedsagligt af kulstof og har en porøs overflade hvilket medfører at de har et stort overfladeareal, som andre kemiske forbindelser kan binde sig til. De ultrafine partikler kan således være bærere af PAH-forbindelser (polyaromatiske hydrocarboner), som ligeledes dannes ved ufuldstændig forbrænding, samt af forskellige metaller9,10.

Ultrafine partikler deponeres i de yderste forgreninger af lungerne (alveolerne) med en effektivitet af størrelsesorden 50%, som dog afhænger af partikeldiameter samt personens åndingsmønster. Da deponeringen sker ved hjælp af Brownsk diffusion, så øges sandsynligheden for deponering med faldende partikeldiameter. Deponeringssandsynligheden vil også være proportional med partiklernes opholdstid i alveolerne, derfor har åndingsmønstret indflydelse på deponeringen2. Dette får betydning under cykling i trafikken og vil blive diskuteret i detaljer senere.

De deponerede ultrafine partikler kan aktivere og skade makrofagerne (celler der kan optage/bekæmpe partikler og mirkroorganismer) i lungerne og kan forårsage betændelsesreaktioner. Partiklerne kan endda trænge ind i blodbanen, hvor de kan påvirke blodets viskositet samt hjertekredsløbet, og hermed øge risikoen for hjertekarsygdomme1. Desuden kan ultrafine partikler medføre dannelse af aktive iltmolekyler i lungevævet, hvilket kan medføre oksidative skader, såkaldt oksidativt stress, der efterfølgende resulterer i DNA-skader. De oksidative DNA-skader er både mutagene og kræftfremkaldende og kan opfattes som biomarkører for oksidativt stress12. Oksidative DNA-skader kan groft set inddeles i tre grupper, Den ene er kendetegnet ved oxidationer på nukleotid-baserne i DNA-molekylet, hvilket ikke forårsager nævneværdige forandringer af nukleotidets molekylemasse. Den anden type omfatter større forandringer, som medfører en øget molekylemasse af nukleotidet, og dermed almindeligvis forandrer den spirale struktur af DNA- strengene (fx exocycliske DNA-skader). En tredje type skader er direkte brud på DNA-strengene.

Der findes en række målemetoder til at undersøge niveauet af oksidative DNA-skader i celler eller væv. En af de mest følsomme typer af metoder involverer enzymatisk genkendelse af et spektrum af oxidative DNA-skader. Der findes flere forskellige metoder, der bygger på dette princip, hvor en variant kaldet enkelt celle gel elektroforese (eller cometmetode) har været anvendt i dette studie. I princippet måler cometmetoden DNA-strengbrud. Man kan behandle cellerne med forskellige enzymer, der vil fjerne oxidative DNA-skader og forårsager streng brud. Et enzym, formamidopyrimidin glykosykase (FPG), genkender oxiderede puriner (bl.a. 8-oxodG og en række skader, hvor purin ringen er brudt). Mængden af FPG sensitive skader fås ved differencen mellem prøver, der behandlet med og uden enzym.

Der er endnu kun få befolkningsundersøgelser, hvor effekten af ultrafine partikler på store befolkningsgrupper er beskrevet. Ibald-Mulli har påvist øget hyppighed af lungesygdomme og dødelighed som følge af udsættelse for ultrafine partikler, sammenlignet med udsættelse for PM2.5 og PM10 (disse partikelfraktioner defineres senere)6. Et kvantitativt estimat for dag-til-dag ændringer i partikel-niveauer er givet af Wichmann et al., der fandt en øget total dødelighed på 4.6% ved en stigning i eksponeringen fra en antal-koncentration på 8·103 ultrafine partikler pr ml til en antal-koncentration på 20.7·103 partikler per ml13.

Det landsdækkende luftkvalitetsmåleprogram (LMP), som udføres i et samarbejde mellem Miljøstyrelsen, Danmarks Miljøundersøgelser, Miljøkontrollen i København, Århus kommune, Fyns Amt og Aalborg Kommune omfatter kontinuerte målinger af en række forskellige luftforurenede stoffer. Det skal bemærkes, at måling af ultrafine partikler ikke er en formel del af LMP. Der er dog rutinemæssigt gennemført målinger af ultrafine partikler i København på stationære målestationer finansieret gennem forskningsprojekter og med bidrag fra Københavns Kommune. I København foretages der målinger, dels i gadeniveau og dels som såkaldt by-baggrund, der måles på tag ca. 20 meter over gadeniveau. De epidemiologiske undersøgelser, der er omtalt ovenfor, er baseret på denne type måleprogrammer, og der er endnu ikke rapporteret undersøgelser, hvor effekter er relateret til den personlige eksponering for ultrafine partikler. Ved eksponering forstås i denne sammenhæng koncentrationen i personens åndingszone.

De ultrafine partikler er generelt ustabile og omdannes til større partikler ved adsorption og agglomerering. Personeksponering er afhængig af emissionen, som igen afhænger af kvantitet og kvalitet af trafikken, koncentrationen er afhængig af metrologiske forhold og byens fysiske udformning. Eksponering afhænger desuden af hvor, hvornår og hvor længe personerne opholder sig i de forurenede områder. Personeksponeringen for ultrafine partikler ændres altså i både tid og rum. Disse forhold medfører, at måling eller estimering af den personlige eksponering er vigtig i eksponeringsvurderingen og i kvantificering af akutte effekter.

Foruden koncentrationen af partikler er partiklernes diameterfordeling er vigtig parameter i vurderingen af en eventuel sundhedsskadelig effekt, fordi små inhalerede partikler deponeres i de yderste luftveje, hvor fjernelsen sker langsomt over måneder. Dels for at tage højde for dette forhold, og dels for at kunne differentiere mellem større og mindre partikler, der stammer fra forskellige kilder, er der defineret partikelfraktioner, som indeholder henholdsvis små partikler og større partikler. PM2.5 (particulate matter, diameter < 2.5μm) og PM10 (particulate matter, diameter < 10μm) er eksempler på partikelfraktioner, som kun indeholder partikler med diametre mindre end henholdsvis 2.5μm og 10μm. Partikelfraktionerne kan opsamles på et filter efter en aerodynamisk separation ved den givne partikeldiameter, som typisk kan foretages i en impaktor. I litteraturen anvendes PM0.1 som betegnelse for fraktionen af ultrafine partikler. Det skal dog understreges, at begrebet ultrafine partikler ikke er defineret som en partikelfraktion med en veldefineret prøvetagningsmetode og en øvre partikeldiameter, men snarere er en betegnelse for partikler dannet hovedsagligt ved kondensation af meget varme gasser, som det er tilfældet ved forbrænding.

Eksponeringsscenarier med store gradienter i både tid og rum er velkendte inden for forskning i teknisk arbejdshygiejne, specielt i forhold til eksponeringsvurdering af partikulær forurening på industrielle arbejdspladser. I disse studier anvendes målemetoder, hvor der er muligt at måle luftforureningen i personens åndingszone ved hjælp af batteri-drevet personbåret udstyr. Det skal her bemærkes, at der almindeligvis er tale om koncentrationsniveauer, som er betydeligt højere end i det eksterne miljø, hvilket betyder, at kravene til detektionsgrænser er væsentligt lavere.

Den beskrevne fremgangsmåde fra arbejdsmiljøstudier er anvendt for det eksterne miljø i nærværende undersøgelse. Anvendelsen af denne fremgangsmåde er muliggjort, fordi der nu findes kommercielt udstyr (kondensations partikeltæller), der kan anvendes til personbårne målinger. Dette er udnyttet i 2 eksponeringsscenarier, dels under cykling i tæt trafikerede områder og dels under bilkørsel på forskellige vejtyper.

Med adgang til metoder for måling af personlig eksponering for ultrafine partikler kan der således etableres et sæt af data til sammenligning med eller kalibrering af modeller til beregning af den personlige eksponering. DMU har udviklet en model for personeksponering, som ud fra rutedata, der beskriver en persons tids- og aktivitetsmønster, kan beregne den personlige eksponering for en række luftforureninger, her under ultrafine partikler. Modelsystemet betegnes AIRGIS og anvender gadeluftkvalitetsmodellen OSPM (Operational Street Pollution Model), by-baggrundsdata, trafikdata, GIS data om veje og bygninger samt GIS (Geografisk Informationssystem) til beregning af personlig eksponering. I dette projekt er rutedata for forsøgspersonerne beskrevet vha. GPS (Global Positioning System) udstyr til positionering af forsøgspersonerne i tid og rum7. Dette arbejde har været en del af nærværende projekt og afrapporteres særskilt.