Application of magnetic biomonitoring in air pollution research : Spatio-temporal properties of magnetic particle matter

Abstract

Air quality has a significant impact on the comfort of the cities and the health of humans, other organisms, and the whole environment. The implementation of air quality legislation requires continuous measurements. The direct air pollution measurements using air quality monitoring stations and the air pollution dispersion models suffer from poor spatial representativeness. Consequently, local scale variation in pollution levels and pollution sources can easily remain undetected. In this thesis, the air pollution research is conducted using magnetic biomonitoring. The focus is on the omnipresent iron-bearing mineral particles and heavy metals bound to them. Magnetic biomonitoring combines the methods of traditional biomonitoring and enviromagnetic research. It is useful for the identification of pollution or emission sources and routes, for determining the magnetic particle matter (PM) sizes, and for constructing spatially representative pollution maps.

This thesis investigates the spatio-temporal properties of anthropogenic magnetic particle matter. The samples were collected from industrial and urban environments in southwest (SW) Finland using the active moss bag technique as the main sampling method. The thesis evaluates the applicability of magnetic (bio)monitoring for enhancing the representativeness of air quality assessments, and establishes the basis for its application, particularly in mid-latitudes with seasonal variation. The study indicates that active biomonitoring is a powerful tool for enhancing the spatial accuracy of air quality assessments and for evaluating the spatial representativeness of air quality monitoring stations. Both industrial and urban environments benefit from magnetic screening. The joint use of spatially representative sampling networks as well as magnetic, micro-morphological, and chemical research methods provide quantitative air pollution data, and also guide, for example, the identification of emission sources and pollution impact areas. Magnetic air pollution monitoring with the active moss bag technique is shown to be more applicable than the examined epiphytic lichen or snow samples. The four-seasoned year, which is typical for mid-latitudes, sets limitations on the application of biomonitoring for air quality assessments. Autumn and winter are suggested as the most representative seasons for obtaining a general assessment of the air quality using the moss bag technique.

Ilmanlaadulla on merkittävä vaikutus kaupunkien viihtyisyyteen sekä ihmisten, muiden organismien ja koko ympäristön terveyteen. Ilmanlaatua koskevan lainsäädännön toimeenpano vaatii jatkuvia mittauksia. Ilmansaasteiden suorat mittaukset ilmanlaadun mittausasemilla ja ilmansaasteiden leviämismallit kärsivät heikosta alueellisesta edustavuudesta. Tämän seurauksena paikallinen vaihtelu ilmansaasteiden tasoissa ja lähteissä jää helposti huomaamatta. Tässä väitöskirjassa ilmansaasteiden tutkimus on toteutettu magneettisella biomonitoroinnilla. Työ keskittyy kaikkialla läsnä oleviin rautapitoisiin mineraalipartikkeleihin ja niihin sitoutuneisiin raskasmetalleihin. Magneettinen biomonitorointi yhdistää perinteisen biomonitoroinnin ja ympäristömagneettisen tutkimuksen menetelmät. Se on käyttökelpoinen saasteiden tai päästöjen lähteiden ja reittien tunnistamisessa, magneettisten partikkelien koon määrittämisessä sekä alueellisesti edustavien saastekarttojen rakentamisessa.

Tämä väitöskirja tutkii ihmisperäisten magneettisten partikkelien alueellis-ajallisia ominaisuuksia. Aineisto on kerätty teollisuus- ja kaupunkiympäristöistä Lounais-Suomesta käyttämällä näytteenkeruun päämenetelmänä aktiivista sammalpallotekniikkaa. Väitöskirja arvioi magneettisen (bio)monitoroinnin käyttökelpoisuutta ilmanlaadun arviointien edustavuuden lisäämisessä ja luo perustan menetelmän käyttämiselle erityisesti lauhkealla ilmastovyöhykkeellä, jossa on vuodenaikaista vaihtelua. Työ osoittaa, että aktiivinen biomonitorointi on tehokas työkalu ilmanlaadun arviointien alueellisen tehokkuuden lisäämisessä sekä ilmanlaadun mittausasemien alueellisen edustavuuden tarkastelussa. Teollisuus- ja kaupunkiympäristöt hyötyvät magneettisesta seulonnasta. Alueellisesti edustavien näyteverkostojen ja magneettisten, mikro-morfologisten sekä kemiallisten tutkimusmenetelmien yhteiskäyttö tuottaa kvantitatiivista dataa ilmansaasteista ja ohjaa, esimerkiksi, päästölähteiden ja päästöjen vaikutusalueiden tunnistamista. Ilmanlaadun magneettinen monitorointi aktiivisella sammalpallotekniikalla on osoittautunut käyttökelpoisemmaksi kuin työssä testatut jäkälä- ja luminäytteet. Keskileveyksille tyypilliset neljä vuodenaikaa asettavat rajoitteita biomonitoroinnin käyttämiselle ilmanlaadun arvioinneissa. Syksyä ja talvea suositellaan edustavimmiksi kausiksi sammalpallotekniikalle, koska niiden aikana ilmanlaadusta saa yleisemmän arvion.