Health risk assessment for students in an urban school environment due to particulate matter-bound harmful chemical substances in the air

[J. R. Obradović]

91 str.

Inženjerstvo zaštite životne sredine / Environmental engineering

Loš kvalitet vazduha u školama ne samo da negativno utiče na kognitivne sposobnosti učenika, već može imati i dugoročne štetne efekte na zdravlje. Uzimajući u obzir neophodnost očuvanja i praćenja kvaliteta vazduha zbog sve većeg broja antropogenih aktivnosti koje smanjuju kvalitet vazduha, cilj istraživanja ove doktorske disertacije bio je kvantifikacija zagađujućih supstanci u vazduhu, pre svega toksičnih elemenata i policikličnih aromatičnih ugljovodonika (PAH) prisutnih na finim česticama (PM2,5) u učionici i dvorištu škole u hladnom i toplom periodu godine, određivanje izvora zagađenja i procena rizika po zdravlje učenika kombinacijom metoda faktorizacije pozitivne matrice (PMF) i Monte Karlo simulacije (MCS) sa posebnim osvrtom na rizike povezane sa različitim izvorima zagađenja. Dobijeni rezultati su pokazali da su koncentracije PM2,5 bile u opsegu 5,33-47,5 μg/m³ u zatvorenom prostoru i 8,22-83,1 μg/m³ u spoljašnjoj sredini. Koncentracija elemenata prisutnih na PM2,5 u učionici je bila približno 1,5 puta manja u poređenju sa vrednostima iz spoljašnje sredine. Ca i Fe su bili najzastupljeniji elementi, dok su kod teških metala Zn, a zatim Cr, Pb, Cu, Mn i Ni imali najviše koncentracije. Takođe je pokazano da su koncentracije Cr i Ni bile veće od graničnih vrednosti. Prosečna koncentracija ukupnih PAH je bila veća u spoljašnjoj sredini nego u unutrašnjem prostoru. Acenaften, benzo[b]fluoranten i benzo[k]fluoranten bili su najzastupljeniji PAH u unutrašnjem prostoru i u spoljašnjoj sredini. Odnos unutrašnjih i spoljašnjih koncentracija PM2,5 i većine elemenata i PAH bio je ispod jedan, što ukazuje na veći doprinos spoljašnjih izvora. PMF analiza je pokazala složenu interakciju između prirodnih i antropogenih izvora elemenata. Identifikovano je šest primarnih izvora elemenata, pri čemu su saobraćaj i resuspendovana prašina bili dominantni izvori. Dijagnostički odnosi PAH i PMF su pokazali da su emisije iz vozila i sagorevanje fosilnih goriva i biomase bili glavni izvori PAH tokom grejne sezone, dok je saobraćaj bio primarni izvor PAH u negrejnom periodu. Procena zdravstvenog rizika usled izloženosti elementima prisutnim na PM2,5 putem inhalacije, pokazala je da su Ni, Cr i Mn najviše doprineli nekancerogenom riziku, dok su Cr i u manjoj meri As imali najveći kancerogeni potencijal. Ukupan nekancerogeni i kancerogeni rizik za elemente je bio u prihvatljivim granicama, pri čemu je emisija elemenata iz vozila imala najveći zdravstveni rizik. Procena kancerogenog rizika usled izloženosti učenika PAH putem inhalacije ukazala je na prihvatljiv nivo u unutrašnjem prostoru, pri čemu su benzo[a]piren i dibenz[a,h]anthracen imali najveći kancerogeni doprinos. Srednja vrednost rizika od karcinoma pluća tokom života je bila unutar prihvatljivog nivoa u učionici, ali su pojedine dnevne vrednosti prevazilazile granične vrednosti. Međutim, 2D MSC analiza je pokazala da je vrednost dugotrajnog rizika od raka pluća u unutrašnjem prostoru bila ispod granične vrednosti od 1,0×10-4. Takođe, pokazano je da su emisije PAH iz vozila i iz saobraćajne prašine i isparavanja naftnih derivata, najviše doprineli ukupnom kancerogenom riziku. Rezultati ove doktorske disertacije ukazuju da su na distribuciju elemenata i PAH prisutnih na PM2,5 u učionici dominantan uticaj imali izvori iz spoljašnje sredine. Uprkos potencijalnim zdravstvenim rizicima, rezultati ukazuju da je izloženost elementima i PAH prisutnim na PM2,5 bila u prihvatljivim granicama.

Poor air quality in schools not only has a negative impact on students' cognitive abilities, but can also have long-term negative effects on health. Recognizing the need to maintain and monitor air quality as the number of anthropogenic activities affecting air quality increases, the aim of this PhD thesis was to quantify of air pollution, especially toxic elements and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) bound to fine particulate matter (PM2,5) in classrooms and schoolyards during the heating and non-heating periods, the determination of the pollution source and the assessment of the health risk for students through a combination of positive matrix factorization (PMF) and Monte Carlo simulations (MCS) with particular attention to the assessment of source-specific risks. The results obtained showed that PM2,5 concentrations were in the range of 5.33-47.5 μg/m³ for indoor areas and 8.22-83.1 μg/m³ for outdoor areas. The concentration of elements bound to PM2,5 in the classroom was about 1.5 times lower compared to outdoor values. Ca and Fe were the most abundant elements, while among the heavy metals Zn, followed by Cr, Pb, Cu, Mn and Ni had the highest concentrations. In addition, the concentrations of Cr and Ni were above the limit values. The average concentration of total PAHs was higher outdoors than indoors indoor. The most frequently occurring PAHs were acenaphthene, benzo[b]fluoranthene and benzo[k]fluoranthene both indoors and outdoors. The ratio of PM2,5 and most elements and PAHs indoors to outdoor air was less than one, indicating a larger contribution from outdoor air sources. The PMF analysis showed a complex interaction between natural and anthropogenic sources of elements. Six primary sources of elements were identified, with traffic and airborne dust recognized as dominant sources. The analyzes of the diagnostic ratio and PMFs for PAHs showed that motor vehicle emissions and the combustion of fossil fuels and biomass are the main sources of PAHs during the heating season, while traffic is the main source of PAHs during the non-heating season. The health risk assessment of inhalation exposure to PM2,5-bound elements showed that Ni, Cr and Mn contributed most to the non-carcinogenic risk, while Cr and, to a lesser extent, As had the greatest carcinogenic potential. The overall non-carcinogenic and carcinogenic risk for elements was within acceptable limits, with elements originating from vehicles contributing the most to health risk. The assessment of carcinogenic risk from exposure of students to PM2,5-bound PAHs by inhalation showed an acceptable level indoors, while benzo[a]pyrene and dibenz[a,h]anthracene contributed the most. The average lifetime lung cancer risk was within the acceptable range in the classroom, but some daily levels exceeded the safety limit. However, the 2D MSC analysis showed that the lifetime indoor lung cancer risk was below the limit of 1.0×10-4. It also showed that PAH emissions from vehicles and traffic dust, as well as volatilization of petroleum products on roads contributed most to the overall carcinogenic risk. The results of this dissertation indicate that the distribution of PM2,5-bound elements and PAHs in the classroom was predominantly influenced by outdoor sources. Despite the potential health risks, the results show that exposure to elements and PAHs was within acceptable limits.

Fine suspendovane čestice, Elementi, Policiklični aromatični ugljovodonici, Faktorizacija pozitivne matrice, Zdravstveni rizik, Monte Karlo simulacija

Fine particulate matter, Elements, Polycyclic aromatic hydrocarbons, Positive matrix factorization, Health risk, Monte Carlo simulation

504.5(043.3)

Tekst