Particles size and composition in Mediterranean countries: geographical variability and short-term health effects

Transcript

1 Particles size and composition in Mediterranean countries: geographical variability and short-term health effects Layman s Report The MED-PARTICLES project LIFE10 ENV/IT/327 1

2 Why MED-PARTICLES? European air policy is under scrutiny, and the European Union (EU) is revising the Thematic Strategy on Air Pollution designed to make progress towards the long-term EU objective to achieve levels of air quality that do not result in unacceptable impacts on, and risks to, human health and the environment. ( ec.europa.eu/environment/air/review_air_policy.htm). As part of this process, several specific issues are of concern: 1) the extent of health effects of airborne particulate matter (PM) concentrations in Europe; 2) the geographical distribution and related health effects of Saharan dust episodes and forest wildfires; 3) the relative toxicity of different PM components and sources, and their distribution across the Mediterranean area. These issues are especially relevant in Southern Europe, an area characterized by specific peculiarities, such as highly urbanized areas with intense traffic congestion, elevated sea traffic due to touristic and shipping activities over the Mediterranean sea, enhanced formation of secondary pollutants owing to intense solar radiation, high frequency of wildfires and Saharan dust advection episodes, especially during summer and spring. The project MED-PARTICLES: Particles size and composition in Mediterranean countries: geographical variability and short-term health effects aimed at addressing all these aspects demonstrating the feasibility of an integrated health assessment. Well-experienced epidemiological institutions in Italy, Spain, Greece and France were partners of the project, together with high expertise in the field of atmospheric chemistry, measurements and modelling. Perché MED-PARTICLES? Le politiche europee sulla qualità dell aria sono in fase di revisione, e la Commissione europea sta preparando una strategia tematica sull inquinamento atmosferico, con l obiettivo esplicito di raggiungere livelli di qualità dell aria che non risultino in impatti inaccettabili o in rischi per la salute umana e l ambiente ( environment/air/review_air_policy.htm). Di conseguenza, alcuni temi sono di specifico interesse: 1) gli effetti sanitari del particolato atmosferico in Europa; 2) la distribuzione geografica, e i conseguenti effetti sanitari, degli episodi di sabbie sahariane ed incendi boschivi; 3) la tossicità delle differenti componenti e fonti del particolato, e la loro distribuzione geografica nel Mediterraneo. Tali temi sono di particolare rilievo nel Sud Europa, un area caratterizzata da alcune specificità tra cui: la presenza di aree urbanizzate con forte congestione da traffico, intenso traffico marittimo per attività turistiche e commerciali nel Mediterraneo, elevata formazione di inquinanti secondari a causa dell irraggiamento solare, alta frequenza di episodi di avvezione sahariana e di incendi boschivi in estate e primavera. Il progetto MED-PARTICLES: Particles size and composition in Mediterranean countries: geographical variability and short-term health effects ha affrontato questi aspetti dimostrando la fattibilità di un approccio integrato di valutazione sanitaria. La partnership del progetto è costituita da istituti epidemiologici altamente specializzati in Italia, Spagna, Grecia e Francia, assieme ad esperti nei campi della chimica dell atmosfera, della modellistica ambientale, e delle misurazioni sperimentali. Details of the project: Programme Life + Environment policy and governance Duration of the project: 01/09/2011 to 31/08/2013 Total budget of the project: 1,836,016 European commission contribution: 901,579 Contribution beneficiaries: 934,437 2

3 What are the objectives? estimate the short-term effects of fine and coarse particles on daily mortality and emergency cardiorespiratory hospitalizations in 12 European cities; evaluate the geographical differences in PM size and composition; describe the frequency of Saharan dust days and forest fires days; evaluate effect modification of Saharan dust and forest fires on the health effects of particles; explore the role of PM components and sources on the short-term health effects; educate young scientists in epidemiological and statistical analyses; disseminate the scientific information available to different stakeholders. Quali sono gli obiettivi? stimare gli effetti acuti delle particelle fini e grossolane sulla mortalità e sui ricoveri giornalieri per cause naturali e cardiorespiratorie in 12 città del Sud Europa; valutare le differenze geografiche nelle frazioni e nelle componenti del particolato; descrivere la frequenza dei giorni di avvezione sahariana o di incendi boschivi; valutare la modificazione d effetto dei giorni di avvezione sahariana o di incendi boschivi sulla relazione tra particolato ed esiti sanitari; esplorare il ruolo delle componenti e delle fonti del particolato sugli effetti sanitari; formare giovani ricercatori nelle discipline dell epidemiologia e dell analisi statistica; diffondere le evidenze scientifiche disponibili ai differenti stakeholders. Which challenges? Fine and coarse particles concentrations available only since few years in Southern Europe Difficulties in collecting health data in a standardized form Estimation of Saharan dust advections and contribution to the PM concentrations not available for the entire Mediterranean area. Identification of forest fires events not available for the entire Mediterranean area Relative scanty data on PM composition Complex statistical techniques to deal with the data analyses Quali sfide? Misurazioni di concentrazioni di particolato fine e grossolano disponibili solo da pochi anni in Europa Difficoltà nel raccogliere dati sanitari in un format standardizzato Stima degli eventi di avvezione sahariana e contributo alle concentrazioni di particolato non disponibili per l intera area mediterranea. Identificazione degli eventi di incendi boschivi non disponibile per l intera area mediterranea Pochi dati sulle componenti del particolato Tecniche statistiche avanzate per l analisi dei dati 3

4 What is particulate matter (PM) Particle matter is the term for a mixture of solid particles and liquid droplets found in the air. Some particles, such as dust, dirt, soot, or smoke, are large or dark enough to be seen with the naked eye. Others are so small they can only be detected using an electron microscope (Source: EPA). The picture shows PM in relation to the size of common objects, together with its main components and sources. PM 2.5 Combustion particles, organic compounds, metals, etc. <2.5 µm (microns) in diameter PM 10 Dust, pollen, mold, etc. <10 µm (microns) in diameter HUMAN HAIR µm (microns) in diameter Illustrazione: Daria Rosi Che cosa è il particolato? Il particolato è una miscela di particelle solide e liquide nell aria. Alcune, come la polvere e il fumo, sono grandi o scure abbastanza per essere visibili a occhio nudo. Altre sono così piccole da essere visibili solo al microscopio (Fonte: EPA). La figura mostra il particolato in relazione alle dimensioni di oggetti comuni, assieme alle sue principali componenti e fonti. Fine beach sand 90 µm (microns) in diameter The MED-PARTICLES database / I dati di MED-PARTICLES The picture shows the variety and amount of data collected within the MED-PARTICLES project. La figura mostra la grande quantitià e varietà di dati raccolti nell ambito del progetto MED-PARTICLES. Air pollutants concentrations: PM, PM , PM 2.5 Health data: mortality by cause (natural, CVD, respiratory hospitalizations by diagnosis Saharan dust data: events (0/1), Saharan PM, antropogenic PM Meteorological parameters: temperature, humidity, barometric pressure, wind speed/direction 14 CITIES Athens, Thessaloniki, Rome, Milan, Turin, Bologna, Modena, Parma, Reggio-Emilia, Palermo, Barcelona, Madrid, Huelva, Marseille Study periods (3-7 years) 4

5 Fractions of particulate matter MED-PARTICLES found adverse effects of particles on mortality, especially for cardiovascular and respiratory causes. Fine particles, originating mainly from traffic, had stronger impact on health compared with larger ones. Effects for both size fractions were stronger in the warm period than in the cold period of the year. Fine particles affected mainly the elderly and strong effects were also detected in relation to cardiorespiratory hospitalizations. For hospitalizations, the associations were similar between fine and coarse particles. The effect on respiratory admissions was also more pronounced for the warm than for the cold period. All the effects were present at low PM concentrations, below the current daily limit values. Le frazioni del particolato MED-PARTICLES ha stimato gli effetti acuti del particolato sulla mortalità, soprattutto per cause cardiovascolari e respiratorie. Le particelle fini, generate principalmente dal traffico veicolare, hanno evidenziato un maggior impatto sulla salute rispetto alle particelle grossolane. Gli effetti di entrambe le frazioni del PM sono risultati maggiori in estate che in inverno, e più accentuati per la popolazione anziana. E stata trovata una chiara associazione del PM anche con i ricoveri cardiovascolari, con effetti simili delle due frazioni. Tutti gli effetti erano presenti anche a basse concentrazioni di particolato, al di sotto degli attuali limiti di legge. The picture shows the average daily concentrations of fine and coarse PM in the Mediterranean cities (left), and the shape of the association between PM and cardiovascular hospital admissions (right). La figura riporta le concentrazioni medie di polveri fini e grossolane nelle città del Mediterraneo (sinistra), e la forma della associazione con i ricoveri cardiovascolari (destra). Athens Barcelona Bologna PM 2.5 PM PM 10 % increase (95% CI) PM Emilia-Romagna Madrid Marseille Milan Rome Thessaloniki Turin Concentrations (µg/m 3 ) % increase (95% CI) % increase (95% CI) PM PM Concentrations (µg/m 3 ) 5

6 Saharan dust MED-PARTICLES detected the highest frequency of Saharan dust advection episodes in South-Central Mediterranean (Sicily), with the highest PM concentrations attributable to Saharan dust in South-East (Cyprus), due to more massive events in that area. The seasonal patterns of dust advections were different across regions, with summer peaks in Spain and Italy, and spring peaks in Greece and Cyprus. The annual contribution of Saharan dust to the annual PM 10 average was variable, from 1 to 8 micrograms per cubic meter. In the epidemiological analysis, desert PM displayed strong effects on both mortality and cardiorespiratory admissions, with associations of the same magnitude as those estimated for the anthropogenic sources of particles. Le sabbie sahariane MED-PARTICLES ha identificato la massima frequenza di eventi di avvezione sahariana nel Mediterraneo centro-meridionale (Sicilia), con le massime concentrazioni di PM 10 nell area sud-est (Cipro), dovute a eventi più intensi in quella zona. La stagionalità degli eventi sahariani ha mostrato andamenti differenti per area, con picchi estivi in Spagna e Italia, e picchi primaverili in Grecia e Cipro. Il contributo medio annuo delle sabbie sahariane sulle concentrazioni di PM 10 è variabile, tra 1 e 8 microgrammi al metro cubo. Nelle analisi epidemiologiche, il PM di origine desertiche ha evidenziato chiari effetti sulla mortalità e sui ricoveri cardiorespiratori, con associazioni simili a quelle stimate per le fonti antropogeniche di PM. The picture displays the annual frequency (% of days, top) and the annual average contribution to PM 10 concentrations (μg/m 3, bottom) of desert dust episodes in the Mediterranean area. La figura riporta la frequenza annuale (% di giorni, in alto) ed il contributo medio annuo sulle concentrazioni di PM 10 (μg/m 3, in basso) degli episodi di avvezione sahariana nel Mediterraneo. African dust frequency (% over annual days) African dust in PM 10 (µg/m 3 )

7 Forest fires MED-PARTICLES identified several days as affected by forest fires, with the most affected cities being Thessaloniki (6%), Athens (4%) and Rome (3%). Most fire days occurred in summer in all cities. During forest fires days, there was a marked increase in cardiovascular mortality, up to 8%, while no increment was observed in respiratory mortality. There was a clear short-term effect of PM 10 on cardiovascular mortality during fire days in the European Mediterranean cities. Gli incendi boschivi MED-PARTICLES ha identificato diversi giorni di incendi boschivi. Le città più affette sono risultate Salonicco (6%), Atene (4%) e Roma (3%). La maggior parte degli eventi si è verificata in estate con un chiaro picco invernale. Durante i giorni di incendi boschivi si è riscontrato un chiaro incremento della mortalità cardiovascolare, fino all 8%, mentre non è stato trovato alcun aumento della mortalità respiratoria. Si è inoltre stimato un forte effetto acuto del PM 10 sulla mortalità cardiovascolare nei giorni di incendi per le città del Mediterraneo. The picture reports the absolute frequency (n. days) of forest fires days occurring in the different Mediterranean areas, by intensity: mild (green), moderate (yellow), severe (red). La figura riporta il numero di giorni con incendi boschivi nelle diverse aree del Mediterraneo, suddivisi per intensità dell episodio: lieve (verde), moderata (giallo), severa (rosso). Legend: xx annual events; Low affection; Moderate affection; Important affection

8 Components of particulate matter MED-PARTICLES collected information on the PM composition and the sources for Barcelona, Madrid, Huelva (Spain), Rome and Bologna (Italy). There were adverse health effects on mortality and hospitalizations for: 1) a specific marker for traffic: elemental carbon (EC); 2) some markers of road dust: iron (Fe), manganese (Mn), titanium (Ti); 3) secondary pollutants: sulfate (SO 4 2- ); 4) a marker of fuel oil combustion: Nickel (Ni). Le componenti del particolato MED-PARTICLES ha raccolto dati sulla composizione e le fonti del particolato per Barcellona, Madrid, Huelva (Spagna), Roma e Bologna (Italia). Sono stati stimati effetti avversi sulla mortalità e i ricoveri per: 1) un tracciante specifico del traffico: il carbonio elementare (EC); 2) alcuni traccianti delle polveri della strada: ferro (Fe), manganese (Mn), titanio (Ti); 3) inquinanti secondari: solfati (SO 4 2- ); 4) un tracciante della combustione dell olio combustibile: nichel (Ni). The figure displays the average concentrations of PM components in the 5 Mediterranean cities with available data. La figura riporta le concentrazioni medie di componenti del PM nelle 5 città mediterranee con dati disponibili. Total carbon Organic carbon Elemental carbon Sulfates Nitrates Silicon Calcium Iron Potassium Magnesium Zinc Copper Titanium Manganese Vanadium Nickel Barcelona (µg/m 3 ) Rome Madrid (µg/m 3 ) Bologna Huelva (µg/m 3 ) Total carbon Organic carbon Elemental carbon Sulfates Nitrates Silicon Calcium Iron Potassium Magnesium Zinc Copper Titanium Manganese Vanadium Nickel (µg/m 3 ) (µg/m 3 ) PM 2.5 PM 10 (Unit: 10*µg/m 3 ) 8

9 Policy implications The results of MED-PARTICLES provide a valuable and timing piece of information to better target policies on air pollution in Europe during a period of revision of the Thematic Strategy on Air Quality. MED-PARTICLES provides the following suggestions: The only daily PM available limit value in Europe is PM 10. The strong evidence of harmful health effects of both fine and coarse particles clearly indicate the need of introducing a limit value for daily concentrations of PM 2.5 in Europe. Mitigation measures at the local level should be undertaken on days with desert dust advection to reduce the anthropogenic sources of air pollution. In other words, Saharan dust advections cannot be limited but more effort should be done to limit the other sources. This is the only way to minimize the short-term health effects. Forest fires are an important source of air pollution at local level with a sizeable health effect. Mitigation strategies should be implemented to maintain public health. Some PM components, especially those originating from traffic exhausts and dust resuspension, seem particularly toxic. A EU wide PM speciation program should be launched to better understand the health effect of air pollution. Implicazioni per le politiche ambientali I risultati di MED-PARTICLES costituiscono un contributo prezioso per definire politiche più mirate della qualità dell aria in Europa, in un momento come quello attuale di revisione della strategia tematica sulla qualità dell aria. MED-PARTICLES fornisce le seguenti indicazioni: L unico valore limite sul PM disponibile in Europa è quello sul PM 10. La chiara evidenza di effetti sanitari avversi delle particelle fini e grossolane indica la necessità di introdurre un valore limite per le concentrazioni giornaliere di PM 2.5 in Europa. Dovrebbero essere intraprese politiche di mitigazione più stringenti a livello locale nei giorni di avvezione sahariana riducendo le fonti di inquinamento antropogenico. In altri termini, gli episodi di avvezione sahariana non possono essere limitati, tuttavia maggiori sforzi dovrebbero essere intrapresi per contenere le altre fonti di inquinamento atmosferico. Questo è l unico modo per minimizzarne gli affetti sanitari avversi. Gli incendi boschivi sono una importante fonte di inquinamento atmosferico a livello locale, con chiari effetti sulla salute. Dovrebbero essere adottate strategie di mitigazione allo scopo di preservare la salute pubblica. Alcune componenti del particolato, soprattutto quelle originate dal traffico e dalla risospensione della polvere stradale, sembrano essere particolarmente tossiche. Un programma di speciazione del particolato a livello europeo dovrebbe essere promosso per meglio comprendere gli effetti sanitari dell inquinamento atmosferico. 9

10 Summary of MED-PARTICLES MED-PARTICLES has identified clear effects of PM fractions (PM 10, fine and coarse), desert and anthropogenic PM, PM 10 from forest fires, and specific PM components originated by traffic and road dust resuspension, in particular on natural mortality (see the figure below), and mortality-morbidity for cardiovascular and respiratory causes. MED-PARTICLES in sintesi MED-PARTICLES ha trovato chiari effetti delle frazioni del particolato (PM 10, polveri fini, polveri grossolane), del PM di origine desertica e antropogenica, del PM 10 da incendi boschivi, di specifiche componenti del PM originate dal traffico o dalla risospensione stradale, in particolare con aumenti della mortalità per cause naturali (vedi figura) e mortalità e ricoveri per patologie cardiovascolari e respiratorie. Effects on natural mortality. Mortalità per cause naturali. Particulate matter (PM)* Particles (PM 10 ) Fine particles (PM 2.5 ) Coarse particles (PM ) Particles from Saharian dust Particles from anthropogenic sources Particles during forest fires PM components** Components from traffic: Total carbon Elemental carbon (EC) Components from road dust: Potassium (K) Iron (Fe) Manganese (Mn) Titanium (Ti) * Effects per 10 µg/m 3 increase ** Effects per IQR (inter-quartile range) increase Percent increase % (IC 95%) Publications / Pubblicazioni MED-PARTICLES - a multidisciplinary project on the health effects of airborne particles in the Mediterranean area. The parliament Magazine 2012 (17 December); 360: Pey J, Querol X, Alastuey A, Forastiere F, and Stafoggia M. African dust outbreaks over the Mediterranean Basin during : PM10 concentrations, phenomenology and trends, and its relation with synoptic and mesoscale meteorology. Atmos Chem Phys 2013;13: Samoli E, Stafoggia M, Rodopoulou S, Ostro B, Declercq C, Alessandrini E, Díaz J, Karanasiou A, Kelessis G, Le Tertre A, Pandolfi P, Randi G, Scarinzi C, Zauli-Sajani S, Katsouyanni K, Forastiere F; MED PARTICLES Study Group. Associations between fine and coarse particles and mortality in Mediterranean cities: results from the MED-PARTICLES project. Environ Health Perspect 2013;121(8): Stafoggia M, Samoli E, Alessandrini E, Cadum E, Ostro B, Berti G, Faustini A, Jacquemin B, Linares C, Pascal M, Randi G, Ranzi A, Stivanello E, Forastiere F; MED-PAR- TICLES Study Group. Short-term associations between fine and coarse particulate matter and hospitalizations in Southern Europe: results from the MED-PARTICLES project. Environ Health Perspect 2013;121(9): Karanasiou A, Querol X, Alastuey A, Perez N, Pey J, Perrino C, Berti G, Gandini M, Poluzzi V, Ferrari S, de la Rosa J, Pascal M, Samoli E, Kelessis A, Sunyer J, Alessandrini E, Stafoggia M, Forastiere F, and the Med Particles Study Group. Particulate matter and gaseous pollutants in the Mediterranean Basin: Results from the Med-Particles project. Submitted. Perrakis K, Gryparis A, Schwartz J, Le Tertre A, Katsouyanni K, Forastiere F, Stafoggia M, Samoli E. Issues of bias in air pollutant estimates of epidemiological models: a simulation study. Submitted. Samoli E, Stafoggia M, Rodopoulou S, Ostro B, Faustini A, Alessandrini E, Basagaña X, Jiménez Díaz J, Gandini M, Kelessis AG, Linares C, Ranzi A, Scarinzi C, Katsouyanni K, Forastiere F; the MED-PARTICLES Study group. Which specific causes of death are associated with short term exposure to fine and coarse particles in Southern Europe? Results from the MED-PARTICLES project. Submitted. Ostro B, Tobias A, Karanasiou A, Samoli E, Querol X, Eleftheriadis K, Rodopoulou S, Basagana X, Katsouyanni K, Sunyer J, Forastiere F, Stafoggia M. Health Effects of Black Carbon in Southern Europe: Results from the MED-PARTICLES project. Submitted. 10

11 Summer course in Santorini Course aimed at educating young researchers in the field of environmental epidemiology ~ 40 participants from: Italy, Greece, Spain, France, Germany, Sweden, Finland, USA, Ukraine Lecturers expert on epidemiology, biostatistics, atmospheric physics, air pollution modelling Computer sessions and work groups Five days intensive course - Computer labs Time-Series Summer Course in Santorini May Organized by the Medical School University of Athens Corso estivo a Santorini 41 participants from Italy, Greece, Spain, France, Germany, Sweden, Finland, USA, Ukcraine Corso finalizzato a formare giovani ricercatori nell epidemiologia ambientale ~ 40 partecipanti da: Italia, Grecia, Spagna, Francia, Germania, Svezia, Finlandia, USA, Ucraina Docenti esperti di epidemiologia, biostatistica, fisica dell atmosfera, modellistica ambientale misurazioni sperimentali Sessioni al computer e lavori di gruppo Frontal lectures by experts on epidemiology and air pollution Dissemination / Divulgazione Multiple publications on scientific and policy journals, at international and national level. Molteplici pubblicazioni su riviste scientifiche e politiche internazionali e nazionali. 11

12 Department of Epidemiology, Lazio Region Health Service, Rome, Italy Contact details: Massimo Stafoggia Phone: / Fax: m.stafoggia@deplazio.it Role: coordinating beneficiary Department of Epidemiology and Environmental Health, Regional Environmental Protection Agency, Piedmont, Italy Contact details: Ennio Cadum Phone: / Fax: e.cadum@arpa.piemonte.it Role: beneficiary Department of Hygiene, Epidemiology and Medical Statistics, Medical school, University of Athens, Athens, Greece Contact details: Klea Katsouyanni Phone: / Fax: kkatsouy@med.uoa.gr Role: beneficiary Centre for Research in Environmental Epidemiology, Barcelona, Spain Contact details: Jordi Sunyer Phone: / Fax: jsunyer@creal.cat Role: beneficiary Institute of Atmospheric Pollution Research, National Research Council, Monterotondo, Italy Contact details: Cinzia Perrino Phone: / Fax: perrino@iia.cnr.it Role: beneficiary Regional Centre for Environment and Health, Regional Agency for Environmental Prevention of Emilia-Romagna, Modena, Italy Contact details: Andrea Ranzi Phone: / Fax: aranzi@arpa.emr.it Role: beneficiary Institute of Environmental Assessment and Water Research (IDAEA) - Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Barcelona, Spain Contact details: Xavier Querol Phone: / Fax: xavier.querol@idaea.csic.es Role: supporting institution Unité Air Eau et Climat, Département Santé Environnement Institut de Veille Sanitaire, Saint-Maurice Cedex, France Contact details: Sylvia Medina Phone: + 33 (0) / Fax: + 33 (0) s.medina@invs.sante.fr Role: supporting institution Realizzazione: EDIZIONI Via Ricciarelli Milano - ITALY segreteria@inferenze.it Progetto grafico: Giovanna Smiriglia Stampa: Arti grafiche Ancora srl - Milano