Luften r fri!

Luften r fri! Om partiklar du fr p kpet nr du andas

Christina IsaxonErgonomi och Aerosolteknologi, Lunds UniversitetAerosolgruppen p avdelningen fr Ergonomi och Aerosolteknologi p Lunds Universitet1

Aerosol = partiklar i fast eller flytande form i suspension i en gasDetta brukar vara det det frsta man tnker p nr begreppet aerosoler nmns. Det hr r ett utmrkt exempel p en aerosol, en spray, vilket per definition r en aerosol som bestr av vtskedroppar I suspension I en gas. Just de hr aerosolpartiklarna skapas genom mekanisk snderdelning av en vtska.Den vetenskapliga definitionen p en aerosol r dock bredare n snderdelade vtskedroppar.Faktum r att hela luften r en aerosol. Jag ska brja med att visa lite typexempel.2

Moln. Hr r partiklarna I princip I flytande form, ven om varje molndroppe har en liten fast partiklel I sig, som har tjnat som kondensationskrna. Hade dessa partiklar inte funnits frn brjan, allts om luften hade varit helt ren, hade vi inte haft ngra moln alls. Fr att vattennga ska brja falla ut I droppforn av sig sjlv, utan att ha en krna att kondensera p, krvs faktiskt ver 400 % RH. Denna frutsttning har vi aldrig I atmosfren. r, till skillnad frn andra aerosoler, en aerosol med klart definierade rumsliga grnser3

FumeSmokeP svenska kallar vi den hr typen av aerosol fr rk, men p engelska grs en distinktion mellan fume och smoke. Fume r en aerosol som skapats genom att nga eller gas frn frbrnningsprocesser har kondenserat till fasta partiklar. Smoke r egentligen en underklass till fume, hr har partiklarna skapats genom ofullstndig frbrnning av fossila brnslen4

DammDamm r en aerosol dr partiklarna har skapats genom snderdelning av material. Partiklarna r ofta strre och oregelbundna I formen5

MistDimmaSmog

Mist: En aerosol dr partiklarna r I vtskeform, och skapade genom kondensation. Om koncentratrionen av partiklar blir s hg att visibiliteten pverkas kallas aerosolen dimma.En spacialvariant av dimma r smog, som kan uppkomma under speciella omstndigheter nr fuktighet I luften interagerar med frbrnningsprodukter under inverkan av UV-ljus och kvveoxider. Ordet smog kommer just av en sammanslagning av smoke och fog.6

MgelsporerPollenVirusBakterierHudflagorBioaerosoler r en speciell grupp luftburna partiklar som antingen bestr av levande organismer eller sdant som har emitterats frn levande organismer. MgelsporerPollenvirusBakterierHudflagorStorleksspannet r stort p bioaerosoler.7I kvll tnkte jag frska hinna med:Hur stora r partiklarna?Var kommer de frn?Hur mnga finns det?Vad hnder med partiklarna (och oss) nr vi andas in dem?STORLEKEN SPELAR ROLL!Det finns allts en enorm massa aerosoler, med vldigt olika egenskaper. Aerosolteknologi r ett brett, tvrvetenskapligt forskningsmne som omfattar saker frn kvantkemi, via fysik och mtteknik till epidemiologi och klimatmodeller. Vissa begrnsningar mste allts gras fr ett fredrag som detta, och I kvll tnkte jag att vi koncentrerar oss p fljande punkter

Och ven om det hr skert inte gller I livets alla situationer s kommer jag frhoppningsvis att lyckas vertyga er om att I min vrld, allts I aerosolvrleden, s spelar storleken I hgsta grad roll.

8Det hr med storlekarPartiklar i suspension i en gas1 nm100 m=luftVi djupdyker genast I det hr med storlekarKom ihg att jag definierade en aerosol som partiklar I suspension I en gas? Hr har vi nyckelorden som bestmmer hur stora vra luftburna partiklar kan vara: Partiklar och suspensionPartiklar innebr att vi inte rknar med sm, ostabila kluster av molekyler, och fr att en partikel ska vara stabil krvs att den r en, eller ett par nanometer I diameterI suspension, det innebr att partiklarna, I alla fall under rimligt lng tid ska frbli luftburna. Vi r ju vana vid att gravitationen gr att allt faller mot jordytan, men I den mikroskopiska vrlden r detta en sanning med modfikation. En tv-nanometerspartikel blir I princip inte alls pverkad av gravitationen. Om vi gr uppt ngra storleksordningar och tittar p en tusen-nanometerspartikel (allts en mikrometer), s tar det ca 8 timmar fr den att p grund av gravitationen falla en meter. En 100 mikrometerspartikel falle samma strcka, allts en meter, p endast tre sekunder. Hr brjar vi nrma oss grnsen fr vad som kan anses glla som luftburet, och vi brukar stta den vre storleksgrnsen fr en aerosolpartikel vid 100 mikrometer. Det hr r ungefr ett hrstrs tjocklek, och dessutom grnsen man brukar stta fr hur sm saker vi kan se utan mikroskop.

Gasen d? Ja, det r s gott som alltid luft vi pratar om hr. Och nr vi pratar om aerosoler r det sjlva partiklarna som bjuder p de forskningsmssiga utmaningarna, inte de omgivande luftmolekylerna, vars sammansttning vi ju knner. Drfr r aerosol I praktiken ekvivalent med luftburna partiklar.9

1 nm 100 m

0,000000001 m

0,0001 m

Mellan 1 nm och 100 um r det fem tiopotenser, vilket r ett hysteriskt stort storleksspann10

Det hr med diametrarPollenHavssaltJordDieselavgaserSvetsrkAsbestNu vill jag bara snabbt sga att det hr med en diameter p en nanometer, eller fr den delen en hundra mikrometer, r inte riktigt s triviellt som det lter. Det hr r I grund och botten en mtteknisk utmaning. Hur man utformar sina instrument och hur man behandlar datan som kommer ut ifrn dem, skulle man kunna hlla ett helt fredrag I sig om och jag kommer att g djupare in p olika typer av diametrar n s hr jag vill bara ppeka att det inte r enkelt11Antropogena partikelkllor

Var kommer partiklarna ifrn? Man kan sga att partiklarna I luft kommer frn tv olika huvudtyper av kllor.Dels har vi de partiklar vi mnniskor (oftast) ofrivilligt framstller sjlvaInnomhus: Hr tillbringar vi uppemot 85 % av vr tid. Hr r ngra exempel p aktiviteter vi gr I hemmet, som kan resultera I luftburna partiklar12Vra klder:

Vi sjlva r ocks partikelgeneratorer:DesquamationStillasittnde (i underklder): 40000 partiklar per minut. I rrelse (promenad, i underklder): 400000 partiklar per minut.

I genomsnitt gr vi av med 30-90 mg skinnflagor per timme. P 2-4 veckor har hela vrt yttre lager skinn blivit utbytt.

ZeoliterSkinnavflagningPartikelstorlek (m)PartikelkoncentrationDetta har inte bara med aktiviteter, utan ven med mer nrgngna saker att gra, som vra klder. Vr rena fina tvtt ger av sig rejla mngder av mjukgringsmedlet zeoliter (om vi nu inte aktivt valt ett av de f tvttmedel som r zeolitfria). En typ av sm lerpartiklar. Med zeolit-tvttmedel kar vi antalet partiklar, om vi tittar p de ungefr 1 um, I storleksordningen sjufalt jmfrt med om vi anvnder zeolitfritt tvttmedel.ven vi sjlva avger partiklar. Detta vackra engelska ord frlorar lite av sin charm d man verstter det till svenska

Att man har gjort dessa frsk med frskspersonerna ikldda bara underklder r fr att klderna I sig inte ska avge ngra extra partiklar. Hudflagorna I sig r s sm (typiskt 40x40x2 um) att de inte hindras av tyget.

70-90% av dammet I vra hem utgrs av de hr hudflagorna.13Antropogena partikelkllor

Och partikelkllor utstts vi givetvis ven fr p jobbet, P industriarbetsplatser rejlt. Hr r tre exempelPolyuretantillverkning (skumgummi)SvetsningSlipningOch ibland r det sllva partikeltillverkandet som r industrin (ENPs engineered nanoparticles). 14Antropogena partikelkllor

Hr har vi typiska antropogena kllor I utomhusluften15Naturliga partikelkllor

Den andra typen av aerosolkllor r de naturliga kllorna. Dessa har funnits sedan urminnes tider p jorden.Saltpartiklar frn havenVulkanutbrottVegetation (VOC+O3)Sand som blser frn vstra Sahara ut ver AtlantenSandpartiklarna kan ibland frdas vldigt lngt I atmosfren16Hur uppkommer partiklarna?Snderdelning av material (t ex vinderosion, slipning, krossning)Resuspension (t. ex uppvirvling av damm, textilier och hud, slitage dck-vgbana)HavsspraySkogsbrnder, vulkanutbrottBiologisk aktivitetFrbrnningsprocesser (organiska mnen, sot och metaller)

Primra aerosoler (direkta utslpp)Ozon frn utomhusluften som reagerar med organiska ngorKomplexa, ofta fotokemiska, reaktioner

Sekundra aerosoler (partikelbildning i atmosfren)TermodynamikKvantkemiUVNOXSmogMan kan istllet dela in partiklarna I tv huvudtyper beroende p hur de har bildats, Primra aerosoler och sekundra aerosolerSnderdelning av material: naturligt frekommande, men ven frn t ex industrinResuspension nr partiklar som suttit fast slpperHavsspray: Bildas bl a nr gasbubblor stiger upp till ytan. Bubblans ytfilm bildar sm droppar nr den spricker, med samma sammansttning som havsvattnet (natrium, klor, sulfat, magnesium, kalcium, kalium). Dessa partiklar torkar I luften. Faktiskt emitterar vrldshaven till atmosfren ofattbara 5.9 miljarder ton saltpartiklar per r!Biologisk aktivitet: pollen, bakterier, virusFrbrnningsprocesser (dessa mnen frgasas under frbrnningsprocessen men kondenserar snabbt nr rkgasen avkyls)

Sekundra aerosoler: Till exempel marknra ozon som reagerar med organiska ngor. Dessa ngor r typiskt sk terpener vilka emitteras I hga halter av barrskogar (pinen), men ven frn t ex rengringsmedel och likannde produkter som doftar citron eller tallbarrHur det gr till nr partiklar bildas I atmosfren r mycket komplicerat, ofta I form av komplexa fotokemiska reaktioner I flera steg. Jag tror man skulle kunna hlla en hel sdan hr frelsningsserie om sekundr partikelbildning. Om man inte r jtteduktig p atmosfrskemi s kan man se det som en svart lda. I den skramlar det runt jobbiga saker som kvantkemi och termodynamik. Om man t ex stoppar in UV-ljus och kvveoxider I ldan kommer det ut fotokemisk smog.17

Varma ngorVarma ngorVarma ngorVOCKondensationKondensationKoaguleringVattenupptagGrova partiklar:DammHavssaltAskaO3Primr- partiklarAgglomeratMolndroppe

Nukleerings- moden

Ackumuleringsmoden

GrovmodenInga moln utan partiklar!Storlek (m)Nu ska jag anknyta till det hr med storlek igen. Vad som hnder nu nr vi har alla de hr partikelkllorna

Logskalan p x-axeln! Godtycklig koncentrationsenhet p y-axeln. Finns det d en jmn halt av alla dessa partikeltyper I luften? Nej, de r faktiskt uppdelade I ett par moder som, just eftersom vi har logaritmerad x-axel, upptrder som tre normalfrdelningar

Vi kan se att mnga av de sekundra aerosolerna hamnar I de sm storleksfraktionerna, och mnga av de primra aerosolerna terfinns bland de strre partiklarna18

MolndroppePrimr- partiklar

Ackumuleringsmoden

GrovmodenNukleerings- modenAgglomeratGrova partiklar:DammHavssaltAskaPM2.5PM10

Storlek (m)Nr det pratas om hlsogrnsvrden hr man ofta begrepp som PM10 och PM2.5. Man avser d alla partiklar I luften som r mindre n 10 um respektive mindre n 2.5 um. PM10 r vald fr att det anses vara den fraktion som kan trnga frbi nsa och mun ner I andningsvgarna (kallas ven, I yrkeshygienska sammanhang fr respirabelt damm). Med PM2.5 har man tagit bort den delen av aerosolen som kommer frn grovmoden. PM10 och PM2.5 brukar anges I enheter av masskoncentration, t ex ug partiklar per m3 luft. Det r tveksamt om masskoncentration r det lmpligaste valet av enhet I dessa sammanhang. Jag ska frklara. Hr har vi alts en godtycklig koncentrationsenhet, men19

om vi tar just denna hypotetiska aerosol och och ritar den som antalet partiklar per volymsenhet luft hade den sett ut s hr, och om vi ritat samma aerosol fast mtt I massan partiklar hade den istllet sett ut s hr Om det finns bara en eller ett par partikel av Globentyp I aerosolen krvs det en fruktansvrd massa partiklar av knappnlshuvudtyp fr att tillfra ngot verhuvudtaget vad gller massan.

20

Antalskoncentration och masskoncentration

1 partikel, diameter 60 m (som ett hrstr)1 miljon partiklardiameter 600 nm1 miljard partiklardiameter 60 nmVikt:70 %22 %8 %Antal:1 %9 %

90 %Det r allts s hr: Om vi tar en partikel, 60 um, och delar den till partiklar som r 600 nm s Dessa tre hgar har allts samma massa, men helt olika antal.

Man kan se det som att om en aerosol bestr av de hr tre huvudtyperna av partiklarsAllts, om vi tror att det r de strre partiklarna som r farliga s r masskoncentaraion en bra enhet nr man anger hlsogrnsvrden, men om vi tror att det r de mindre partiklarna som r boven I dramat vore det mer motiverat att prata om antal partiklar istllet fr deras vikt.

Kankse det rentutav r andra parametrar som r de viktigaste, t ex formen21

Arktis: 10-100 partiklar/cm3P landet: 500-5000 partiklar/cm3I stan: 1000-100 000 partiklar/cm3

Havet: 100-1000 partiklar/cm3

0-1 g/m35-100 g/m3

10-100 g/m3

1-10 g/m3

Hur mycket partiklar finns det?Generellt: dr det inte finns ngon mnsklig aktivitet har vi betydligt lgre partikelhalterver haven r det givetvis mest saltpartiklarna som str fr koncentrationerna. Vi kan ocks se att koncentrationen vad gller antal partiklar r betydligt hgre I urbana omrden n I rurala, men att det inte r samma stora skillnad vad gller masskoncentrationen. Eftersom vi nu vet hur antals- och masskoncentration frhller sig till varandra kan vi ju sga att detta innebr att partiklarna r generellt mindre I staden n p landet (och detta stmmer eftersom de flesta antropogena kllor ger partiklar I de mindre storlekarna)Jag ska ppeka att vi allts grna anger antalskoncentration I partiklar per cm3, men nr det gller masskoncentration pratar vi, fr att inte riskera att vara alltfr konsekventa, hellre om ug per m3

1000-100000 partiklar I varje liten kubikcentimeter, det knns ju skrmmande fullproppat, lt oss titta p hur ont om saligheten det egentligen r2210 000 partiklar/cm3

Lt oss anta att alla partiklar r 1 m.

Lt oss sedan frstora dem till 1 m10 km500 m10-100 g/m31 m3 ren luft vid jordytan vger ca 1 kg, allts 1000000000 g

Om vi tar 10 000 partiklar per cm3, det r vad vi har i ganska ren luft, i alla fall dr det finns mnniskor

faktiskt bestr partikeldelen av en aerosol, vad gller massa, av mindre n 0.0001%.23Vad pverkas partiklarna av?Storleken spelar roll!

Sedimentation100 m : 1 meter p 3 sekunder1 m : 1 meter p 8 timmarNu kan man ju frga sig vad som hnder med de hr partiklarna. Ligger de bara dr och flyter runt I luften I all evighet? Med tanke p att partiklar, som sagt, skapas hela tiden, bde av oss och av naturen, vore det ju en ganska dyster prognos

Sedimantation har att gra med hur partiklarna pverkas av tyngdkraften

Intuitivt att strre, tyngre partiklar pverkas mer av tyngdkraften n mindre. Kommer ni I hg att jag sa innan att en 100 m partikel24Vad pverkas partiklarna av?Storleken spelar roll!

SedimentationImpaktionImpaktion spelar stor roll dr vi har ett luftflde som ofta ndrar riktning t ex i lungan. Samma mekanism som gr att du fr insekter p bilens vindruta.Hur stora partiklar som impakterar beror p luftfldets hastighet, men spelar mest roll fr strre partiklar. Trga partiklar hnger inte med I svngarna, helt enkelt25Vad pverkas partiklarna av?Storleken spelar roll!

SedimentationImpaktionInterceptionEtt, till impaktion beslktat fenomen, kalas interception. Om partikeln, oavsett dess trghet frdas lngs en fldeslinje som gr tillrckligt nra ytan kommer partikeln att fastna. Detta r speciellt uttalat d partikeln r oregelbunden och har utskjutande delar.26Vad pverkas partiklarna av?Storleken spelar roll!

Diffusion< 100 nmSedimentationImpaktionInterceptionDe allra minsta partiklarna, de mindre n 100 nm, upplever inte luften som ett kontinuum, som vi gr. De hr partiklarna r I samma storleksordning som luftmolekylerna och deras rrelse genom luften r pverkad av eviga kollisioner med dessa molekyler. Detta ger dessa riktigt sm partiklar en slumpmssig rrelse och s fort de r tillrckligt nra en yta (marken, ett bord eller insidan av lungan) fastnar de p denna p grund av van der waalskrafter. Fenomenet kallas diffusion.27Vad pverkas partiklarna av?Storleken spelar roll!

SedimentationImpaktionInterceptionTermoforesis

DiffusionS som Interception r lite beslktad med impaktion, r termoforesis lite beslktad med diffusion. Det handlar om att partiklar grna drar sig till kalla ytor. Om vi har ett omrde med varmare luft, och bredvid ett omrde med kallare luft, s kommer partiklarna I det varmare omrdet, dr luftmolekylerna har hgre rrelseenergi, att bombarderas mer och till slut hamna I omrdet dr det r kallare, dr de fr mer lugn och ro. Det sker allts en nettotransport av partiklar frn varmare till kallare omrden och partiklar deponeras allts I hgre grad p kalla n varma ytor. Detta ser man ofta p byggnader. Termoforesis pverkar mindre partiklar mer n strre, eftersom de mindre ju knner av luftmolekylerna p ett helt annat stt n de strre.Termoforesis har inte s stor betydelse d det gller vad som hnder med partiklarna vi andas in, men det r ju kul att veta varfr byggnader aldrig verkar bli smutsiga I ett jmnt lager.28Vad pverkas partiklarna av?Storleken spelar roll!

Koagulering

SedimentationImpaktionInterceptionTermoforesisDiffusionKoagulering handlar om att nr tv partiklar kolliderar med varandra I luften p grund av deras slumpmssiga rrelse, s kommer de att fastna ihop och bilda en strre partikel. Detta sker givetvis I hgre grad d vi har stor mngd sm partiklar I luften (eftersom dessa har hg diffusivitet) tillsammans med strre partiklar som de sm ltt kan stta p d de irarr genom luften.Koagulering ndrar inte masskoncentrationen, men det gr att antalskoncentrationen minskar29

MolndroppePrimr- partiklar

Ackumuleringsmoden

GrovmodenNukleerings-modenAgglomeratGrova partiklar:DammHavssaltAska

DiffusionSedimentationVtdepositionKoaguleringStorlek (m)D knner vi nu till lite om aerosoldynamik, och kan brja fundera p vad detta innebr fr vra partiklar I atmosfren.

De minsta partiklarna pverkas allts mycket av diffusion, och de strsta av sedimentation. Men vad pverkar de mittemellan, de som r ungefr mellan 100 och 500 nm? Tja, inte mycket, faktiskt. Det r drfr moden I mitten kallas ackumuleringsmoden. Frsvinner framfr allt med nederbrden. Rainout och washout

Hur lnge partiklarna finns I atmosfren beror allts ven det p storleken. De allra strsta frsvinner p ngra sekunder, de allra minsta diffunderar fort, men somliga av de som hamnat I ackumuleringsmoden kan vara kvar I atmosfren I flera r30r partiklarna farliga fr oss?Mage/ Hud / Lungor

100 m22 m21 m2Volym luft / andetag:0,5 lAndningsfrekvens:12 ggr/ minInandad volym:10 m3 / dagAntag 10 000 partiklar/cm3100 miljarder inandade partiklar per dag!Nu kan vi nog tillrckligt mycket fr att p ett vettigt stt kunna nrma oss krnfrganPartiklarna kan hamna I vr kropp p I huvudsak tre olika stt:(De tre upptagningsvgarna och ungefrlig yta p dessa) -> Lungorna r den I srklass viktigaste upptagningsvgen.Dessutom: Vi kan vlja vad vi ter, vi kan skydda hudenmen vi kan inte vlja att inte andasRen luft: 1000, smutsig industri >1 miljon, men om vi placerar oss ngonstans dremellan och tittar p den dr koncentrationen av 10 000 partiklar/cm3 igen

(rknar men ett tal I sekunden, dygnet runt utan avbrott tar det 31,7 r att rkna till en miljard)

S frgan r relevant!31

Lungdeposition

vre luftvgarnaBronkiala regionenAlveolraregionenVad hnder nu med de dr 100 miljarder partiklarna vi andas in varje dag?Vrt andningssystem brukar delas in I tre delar

I alveolra regionen sker gasutbytet. Vggarna r tunna av just denna anledning. Varje mnniska har ungefr 700 miljoner alveoler och det r just alveolerna som str fr lungans stora yta.32

Foto: Lennart NilssonVi har hr en liten, hypotetisk aerosol, bestende av tre olika partikelstorlekar. Fr att hinna se vad som hnder lter vi personen andas in en storlek I taget.

De strsta har s svrt att hinna med d luftstrmmen ndar riktning s de fastnar medlest impaktion redan innan de passerat struphuvudet.

Partiklarna som r lite mindre kan komma vidare ner I tracheo-bronkiala regionen. Hastigheten p luften r hg hr, luftens uppehllstid r bara mellan 3 och 30 millisekunder. Vid dessa hga hastigheter har partiklarna svrt att hnga med I luftstrmmen, speciellt de strre, och de deponeras p grund av impaktion, interception och (I de horisontella delarna) av sedimentation. Denna del av andningssystemet kallas ven de cilierade luftvgarna eftersom dess yta r tckt av ciliehr (flimmerhr) som genom att samordna sina rrelser transporterar upp partiklar till svalget dr vi sedan omedvetet svljer dem. Denna transport tar I storleksordningen timmar om partikeln deponerats hgt upp och mnader om den deponerats lngt ner.

Nr luften kommer ner I alveolerna sjunker hastigheten markant, vilket ger de riktigt sm partiklarna ordentligt med tid p sig att diffundera och fastna p alveolens vggar. I alveolen finns en tunn vtskehinna som kallas lungsurfaktant. Denna vtskehinna kan hjlpa till att transportera partiklarna tillbaka upp till de cilierade delarna av luftvgarna, men vanligar r att partiklar som deponerats hr nere blir omhndertagna av (uppslukade av) makrofager (en typ av celler liknande vita blodkroppar). Makrofagerna innehller flera olika typer av enzymer, fr att kunna bryta ner partiklarna. De transporterar sedan bort sig sjlv och partikelresterna till lymfkrtlarna.

S lngt r ju allt vl, vi har allts vl utvecklade frsvarsmekanismer I lungan. Trots det kan partiklar orsaka, I vissa fall vldigt stora, problem. Jag ska prata om varfr snart. Frst ska vi ta reda p om alla de hr 100 miljarder partiklarna fastnar I lungan33

Deposition i vre luftvgarna1100.10.010.001Partikeldiameter, mDeponerad fraktionX: Partikeldiameter obs logskala som sig brY: Deponerad fraktionI de vre luftvgarna fastnar uppemot 90 % av de inandade partiklarna av de allra strsta storlekarna. En ptagligt stor del av de allra minsta fastnar faktiskt ocks hr. Det r de verkligt sm, som har enormt hg diffusivitet och inte hinner ner I luftrren innan de irrat ivg och fastnat ngonstans.34

Deposition i bronkiala regionen1100.10.010.001Partikeldiameter, mDeponerad fraktionI bronkiala delarna ser det ut s hr. 35

Deposition i alveolra regionen1100.10.010.001Partikeldiameter, mDeponerad fraktionOch nere I lungblsorna r det, som vntat, flest sm partiklar som fastnar. Hlften av alla de runt 10 nanometer stannar kvar. 36Totaldeposition

DiffusionImpaktion, sedimentation1100.10.010.001Partikeldiameter, mDeponerad fraktionTotalt sett deponeras allts stor del av de minsta och stor del av de strsta. Detta beror, som vi nu vet, p och. Dock kan vi se att av partiklarna mellan 100 och 500 nm andas vi ut de flesta igen. Det r ungefr den storleksordningen som ackumuleringsmodens partiklar I atmosfren tillhr. Och anledningen r faktiskt densamma partiklarna r lite fr stora fr att pverkas av diffusion och lite fr sm fr att pverkas av sedimentation. Det finns helt enkelt ingen direkt mekanism som tvingar dem att frsvinna ur atmosfren, eller som tvingar dem att deponeras I lungan.37ICRPHur har man kommit fram till de hr graferna d? Jo, givetvis genom datormodellering. Modellen vi sett just nu r den mest spridda, den kallas ICRP-modellen (International Commission on Radiological Protection) och ser ut s hr.

38ICRPDp r partikeldiameter, och r den enda variabeln I modellen. S var partiklarna hamnar I lungan och hur mycket av dem som fastnar dr bestms (I alla fall enligt ICRP) endast av storleken39RESPI

3-way valve(Lndahl et al 2006)Givetvis vill man ju titta p det hr empiriskt ocks. Det gr vi I Lund med ett aldeles unikt instrument som dpts till RESPI. ven om mtteknologin r mycket avancerad r principen enkel. Hr uppe tas aerosolen in. Det kan vara t ex utomhusluften eller en I laboratoriet genererad aerosol. Den hamnar I en tank vars syfte r att utjmna koncentartionsfluktuationer. Man andas in och nr man andas ut ndras en ventil som gr att den utandade luften hamnar I en annan tank. Koncentartionen mts omvxlande frn bda dessa tankar, och man kan genom att jmfra hur koncentrationen var uppdelad p olika partikelstorlekar I anandningsluften och I utandningsluften sluta sig till hur mnga partiklar I varje storleksintervall som blev kvar I lungan och inte kom ut med utandningsluften. 40

13.2 g/h16.6 g/hDos:S hr kan ett resultat se ut. Mrk att vi hr tittar p partiklar upp till 800 nm, allts att vi bara ser vnstra delen av den U-formade kurva vi tittade p ui ICRP-modellen. I detta experiment var aerosolen dieselavgaser vid tomgngskrning och personerna som andades var dels en grupp friska personer och dels en grupp med KOL.Som vi kan se deponeras en lgre andel partiklar hos kolpatienterna, vilket inte r s konstigt eftersom man andas mycket ytligare andetag om man har KOL. Dock andas man ocks mycket fler andetag I minuten, s den tortala deponerade dosen blir 25 % hgre fr Kol-patienterna.41Vad gr de deponerade partiklarna med vr hlsa?Frn Bernadino Ramazzini, i De Morbis Artificum Diatriba (Diseases of Workers) 1713:"Stenhuggare, skulptrer, stenbrytare och andra, liknande, yrkesutvare r ofta besvrade av hosta, och ngra av dem drar p sig astmatiska kommor. .nr kropparna av sdana arbetare dissekerats, har man upptckt att de r fulla av sm stenar.

Ramazzini: yrkesmedicinen faderFrmodligen den frsta beskrivningen av sjukdomen silikos (stenlunga), som man fr om man under lng tid andas in stendamm. Detta r dock inte den enda hlsoeffekt man har kunnat knyta till aerosoler42Vad vet vi om hlsoeffekter av inandade partiklar?AndningsvgarnaIrritation, hostaAstmaKronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL)Infektioner

Systemiska effekter Cancer Kardiovaskulra problem HjrtinfarktStroke

ReproduktionDdsfall hos nyfdda p g a infektion i andningsvgarna Reducerad fdelsevikt(?) Pverkan av lungutvecklingen hos barn

Silikos r inte den enda hlsoeffekt man kunnat binda till luftburna partiklar, hr r ngra exempel.43Vad beror farligheten p?Tja, sg detVi vet tillrckligt mycket fr att vara skra p att det inte finns ngot enkelt svar

1. KoncentrationenMasskoncentration (g/m3) - traditionellt sett PM10

WHOEUAntalskoncentration (#/cm3) ger rttvisa t de minsta partiklarna

1 partikel, 60 m1 miljon partiklar600 nm1 miljard partiklar60 nmYtareakoncentration (m2/cm3)

Masskoncentrationen: Six-cities-studien (frklara). Men det verkar inte finnas ngot verdrivet tydligt samband mellan PM10 och relativa risken att avlida av exponeringen. Nr man korrelerar risken med partiklar mindre n 2.5 um (rknar bort grovmodens bidrag) blir sambandet tydligare. n en gng: storleken spelar roll

Nu har det kommit grnsvrden ven fr PM2.5

Antalskoncentration - mnga partiklar som r sm nog att komma djupt ner I lungorna innebr en strre arbetsbrda fr makrofagerna. Var och en makrofag kan inte ta hand om mnga (kanske bara en) partikel I taget. De som inte blir omhndertagna ligger kvar lnge nog fr att kunna initiera en inflammation (ven om partiklarna I sig bestr av ett material som inte I sig r farligt)Ytareakoncentration eftersom det hr r vad lungan ser Ytareakoncentrationen, kan man sga r en sorts kombination av antalskoncentration och partikelform Partikel a har 5 ggr strre ytarea n partikel b. 44Vad beror farligheten p?2. Fysiska egenskaperForm

Storlek30 nm partikel5 % av atomerna sitter p ytan3 nm partikel50 % av atomerna sitter p ytan

TranslokeringBiol. Inst. LUForm: Pverkar hur en partikel kommer att uppfra sig I lungan. En asbestfiber kommer att justera sig med luftstrmmen och flja med mycket lngre ner I lungan n vad den borde. Det, samt att asbest r s persistent, gr att det r s farligt, och av samma anledning r vi oroliga ver kolnanorr ifall de blir luftburna

Vad hnder nr inte makrofagerna klarar av partiklarna? Makrofagen dr och fristter sina nedbrytande enzymer, vilket vi tror r en klla till oxidativ stress, som I sig skapar inflammation vilket I slutndan kan leda till cancer. Partikeln kan ocks translokeras, allts frflytta sig ut ur alveolen till den omgivande lungscken (som I fallet med asbest dr fibern skapar den typiska cancerformen mesoteliom) eller till blodet och sedan deponeras I andra organ. Fr att detta ska kunna ske mste partikeln vara tillrckligt liten. Man har nyligen visat hos rttor att riktigt sm guldpartiklar, som fastnar redan I nshlan pga sin hga diffusionshastighet, kan transporteras via luktnerven och passera blod-hjrnbarriren.

Storleken: Skarpare kurvatur innebr hgre reaktivitet, samt att lungan ser ytan45Vad beror farligheten p?3. Kemiska egenskaperSammansttning (ndras ofta med tiden)

HygroskopicitetSaltInhalering99,5 % RHLslighetProteinkorona

RadioaktivitetVad partikeln bestr av spelar givetvis roll. Det man tror att en partikel bestrav r inte alltid vad lungan ser och partikelns sammansttning kan ndras med tidenExempel: avgaspartikel. Krna av sot med en hinna av organiska mnen (t ex frn motorns smrjolja). P den har ngra metallpartiklar koagulerat. Eftersom det organiska hljet kan vara ganska hydrofilt kommer partikeln inom loppet av ngra timmar ftt ytterligare en hinna av salter (t ex ammoniumsulfat och ammoniumnitrat). Ytspnningen har dessutom gjort att den ndrat form.Lslighet fyra olika scenarier man kan tnka sig d en partikel hamnar I lungvtskanHygroskopicitetProteinkorona S fort en partikel kommer I kontakt med en biologisk vtska (som lungsurfaktant) finns det forskning som tyder p att partikeln snabbt kommer att tckas av en hinna av biomolekyler. Denna hinna kan I s fall bidra till att cellerna I alveolvggarna slpper igenom partikeln ut till blodbanan eftersom cellen uppfattar partikeln som ngonting kroppseget.Radioaktivitet

46Totaldeposition

DiffusionImpaktion, sedimentation1100.10.010.001Gas-molekylerHavssaltSotTobaksrkSmogMetallrkDimmaDieselavgaser DammStearinljus (exl. sot)VirusBakterierPartikeldiameter, mDeponerad fraktionOm vi jmfr deponeringskurvan med storleksspannen p ett par olika aerosoler, varav ngra bevisligen inte r hlsosamma, framgr det att det nog inte enbart r storleken som spelar roll vad gller farligheten.47

1100.10.010.001TobaksrkPartikeldiameter, mDeponerad fraktionTill exempel: Tobaksrk:Hamnar I minimat. Andas ut de flesta cigarettpartiklarna. Skulle det bara komma an p storleken vore rkning ganska ofarligt. 48Jmfrt med icke-rkare, lper rkare:

15 gnger hgre risk att utveckla lungcancer11 gnger hgre risk att utveckla kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL)dubbelt s hg risk att drabbas av akut hjrtinfarkt

..men det vet vi ju att det inte r49

Knda carcinogenerBenzen2-naphthylamin4-aminobifenylNickelPolonium-210

Toxiska substanserKolmonoxidKvveoxiderAmmoniumVtecyanid

Nikotin (pesticid)Butan (tndvtska)Aceton (rttgift, nagellack)Vtecyanid (anvnds vid avrttningar)Stearinsyra (ljusvax)Radon (radioaktiv gas)Ammoniak (toalettrengringsmedel)Metanol (raketbrnsle)Tjra (vgbelggning)Kadmium (batterier)Metan (sumpgas)Kolmonoxid (avgaser)Hexamin (grilltndare)Toluen (industriellt lsningsmedel)I fallet med tobaksrk r den kemiska sammansttningen en stor bov I dramat50

1 600 000 extra ddsfall/r800 000 extra ddsfall/r5 000 000 extra ddsfall/rAntal extra ddsfall I vrlden pga2/3 av extra ddsfallen pga inomhus- ooch utomhuskllor sker I Asien

WHO uppskattar att exponering fr fina partiklar (PM2.5) i utomhusluften leder till cirka 725 000 frlorade levnadsr rligen i Europa!51

Statistisk frkortad livstid (mnader) p grund av antropogent PM 2.5Frn 200352Hur studerar man partiklars farlighet?Epidemiologi

ToxikologiDjurfrskHumanstudierIn-vitrostudier

Epi: Fljer stora grupper av mnniskor ver tid. Prospektiva eller retrospektiva. Nstan alltid gjort p utomhusluften (visar snarare att partiklar r farliga istllet fr varfr). Ger oss statistiska samband mellan exponering och effektOm man ska ska svar p frgan varfr partiklarna r farliga, hur exponeringen pverkar kroppen, allts ett orsak-verkan-samband, fr man vnda sig till toxikologinDjurfrsk: Man kan anvnda hga doser fr att forcera fram en effekt men resultaten r ofta svra att verstta till mnniskor (olika andningsmnster, olika metabolism etc)Humanstudier. Exponering av mnniskor under kontrollerade former. Mer realistiskt men etiska begrnsningar man fr inte gra folk sjukaIn-vitro: Exponerar cellodlingar fr partiklar. Svrt med realistisk exponering och deponering

53Humanexponering

Utvrdera hlsoeffekter av partiklar genom att underska direkt mtbara fysiologiska parametrar, t ex biologiska markrer och hjrtfrekvensvariabilitet

22 m3 I rostfritt stl, med ett mycket avancerat konditioneringssystem som gr att vi kan kontrollera partikelhalt, temperatur, luftomsttningar, RH. Till denna kopplar vi ett genereringssystem dr vi producerar partiklarna av intresse och levererar dessa till kammaren I precis den koncentration vi vill. Vi kopplar ocks in karakteriseringsinstrument s vi I realtid vet allt som r vrt att veta om luften inne I kammaren.

Hr sitter d tre personer och blir exponerade

Syftet med dessa frsk r att utvrdera hlsoeffekter. Vi kan givetvis inte exponera vra personer s att de blir sjuka, s vi utstter dem fr realistiska halter av normalt frekommande partiklar och tittar sedan p t ex biologiska markrer och hjrtfrekvensvariabilitet. Syfter med biologiska markrer r att frsak f ett indirekt mtt p att kroppen reagerat av exponeringen, och I vilken grad. Vi tittar t ex p cytokiner (vilka r ett slags signalproteiner som uppregleras vid t ex inflammationer). Att titta p biologiska markrer istllet fr att studera organet I sig r ungefr samma id som att kontrollera onykterhet genom utandningsprov eller doping genom urinprov.Vi tittar ocks p hjrtfrekvensvariabiliteten, allts hur regelbundna hjrtslagen r. Variabiliteten r ett mtt p det autonoma nervsystemets frmga att anpassa sig till ndringar I miljn, och generellt sett r det bra och hlsosamt att ha en hg variabilitet. En variabilitet som sjunker under tiden man blir exponerad kan vara ett tecken p att det kardiovaskulra systemet inte mr bra

54Friska frskspersoner, tre i taget, ca tre timmarExponering (realistiska halter) samt ren luftDubbel-blint protokoll

StudiedesignLkarunderskningMedicinsk- och yrkeshistoriaBlodprov, urinprovUtandningskondensat, nslavageSpirometri och akustisk rhinometriLungdeposition med RESPIgon- och luftvgssymptomPEF-mtningarEKG

55Stearinpartiklar

Partiklar frn rengringsmedel (VOC + O3)

Svetspartiklar

Diesel (+ trafikbuller)

Senare i r: Stekos ZeoliterPartikelkllor

56

StdningUgnStearinljusStearinljus valdes drfr att de ger en markant hjning av antalskoncentrationen inomhus.Partiklar frn rengringsmedel r intressanta fr att de har en helt annan kemisk sammansttning och r lsliga I hgre utstrckning n sotpartiklar.57ALI Air Liquid Interface

Vi har ocks precis gett oss in I in-vitrovrlden, med det hr helt nya systemet.

Nytt och mer verklighetstroget stt att deponera p cellkulturer. Traditionellt sett deponerar man partiklar p cellodlingar genom att snka ner odlingarna i en vtska med partiklar i, och lter partiklarna deponera medelst sedimentation. S gr inte deponeringen I lungan till I verkligheten. Med det hr systemet hoppas vi kunna f fr verkligheten mer relevanta resultat eftersom vi exponerar cellerna direkt frn luftfasen, och det tunna vtskelagret som finns ovanp cellerna r den lungsurfaktant som cellerna sjlva producerat.

Celltoxiskt, mutagent58AerosolgruppenLuftburna partiklar och deras effekt p hlsa och milj.

Nra samarbete med : Yrkes- och Miljmedicin, Krnfysik, Fasta Tillstndets fysik, Frbrnningsfysik, Naturgeografen, Biokemi

Aerosolmtteknik Emissioner frn biomassfrbrnning Emissioner frn vgtrafik och jrnvg Industriella arbetsmiljer Industriella tillmpningar Inomhusluftens partiklar Luftburna partiklars pverkan p mnniskans hlsa Bioaerosoler och smittspridning Personligt skydd Renrumsteknologi Nanosafety KlimatmodelleringNu har jag visat ett par av de saker vi sysslar med I aerosolgruppen.Men det r som sagt ett mycket brett forskningsmne, och vi samarbetar med flera institutioner bde I Lund och p andra universitet

Vi forskar bl a om59I grova drag var det viktigastePartiklar i luften finns i alla miljer, och har alltid funnits.Mnskliga aktiviteter kar partikelhalten, och tillfr (ibland) nya sorters partiklar med nya egenskaper, t ex nanoindustrin.Faktumet att vi pverkar mngden partiklar i luften, innebr ocks att vi har mjlighet att se till att vr luft blir renare.Flera olika anledningar till att vissa av partiklarna kan vara farliga, men kroppen har utvecklat mnga frsvarsmekanismer. Mycket forskning pgr fr att frst partiklarnas farlighet. Ju mer vi lr oss, desto mer vet vi var, och nr, det r viktigt att stta in tgrder.Masskoncentration - antalskoncentrationKlimatet d?Markku RummukainenHA 23/4, LD 24/4, VX 25/4

Ltt att mta masskoncentration: samla in p filter. Att ta fram ett instrument som kan identifiera och rkna knappnlshuvuden samtidigt som globenarenor r dremot en enorm utmaning60Diagr13.63192833330.61332116674.99723166670.9119828.207841.370640166711.818431.978626666717.47696666672.799943333323.55686666673.434598333328.80476666674.42124532.65536666675.119933.18333333336.01054532.15936666676.23987530.506056.15987530.23946.314541666728.28741666676.07454527.167456.021211666724.77283333336.015878333322.75688333335.498558333319.236954.607908333316.51701666673.8345913.2157352.997273333310.6611252.6186158.25583666671.96262833336.84786166671.5946355.51455666671.53063683334.5332451.22664233333.6105950.91198083333.36526666670.85865033332.7839450.61865433332.50661666670.5866552.38395166670.64532033332.27728833330.58132166671.95729333330.47465716671.53063433330.26666151671.1519770.2826611.07731183330.2079960.70931916670.12266428330.70398583330.13333071670.44799116670.10666441670.48532366670.11199763330.3786590.106664450.4053250.10666450.3519930.07466510.28799451670.0693320.22399550.069331950.21866223330.05866543330.149330350.03733260.10133120.026666150.058665350.01599970.04799906670.01599968330.026666150.00533323330.02133293330.02133291670.00533323330.0053332333

zeolitenon zeoliteAerodynamic particle diameter (m)Number concentration, number/cm (dN/dlog dp)