Chemical characteristics and toxicity of particles from residential biomass combustion

Abstract

Biomass combustion for residential heating is recognised as an important source of particulate matter, not only in the ambient air, but also inside the dwellings. Exposure to biomass burning particles has been linked to a vast array of adverse health effects. The physical and chemical properties of inhaled particles are thought to greatly affect the biological responses. Over the years, many studies have focused on emission source profiles of residential biomass combustion. However, with the advent and growing market share of new small-scale appliances automatically fed with compressed biofuels, research efforts need to be devoted to the characterisation of emissions from these appliances either from new commercially available pellets or from pellets made from potentially relevant raw materials. Despite the wealth of publications on emissions and composition of particles from residential biomass combustion, the impact of this source on the indoor air quality has been scarcely studied, especially with regard to the chemical and toxicological characteristics of the particles. The two main objectives of this thesis were: i) to obtain chemical and toxicological profiles for pellet-fuelled heating systems, and ii) to evaluate the impact of traditional appliances on indoor air quality, properties of particulate matter, deposited dose in the respiratory tract and biological responses. For the fulfilment of the first objective, four types of pellets were selected (two brands of ENplus A1 certified pellets, one brand of non-certified pellets, and laboratory-produced acacia pellets) to carry out experiments in a laboratory combustion facility to determine emission factors of gaseous compounds and particulate matter (PM10). To achieve the second objective, particulate samples were collected in two households equipped with distinct combustion appliances (open fireplace and woodstove) in the absence of other indoor sources. The dose of inhaled indoor particles deposited in the human respiratory tract was estimated using an exposure dose model (ExDoM2). The chemical composition of PM10 from both laboratory experiments and residential microenvironments was analysed for water soluble inorganic ions, organic and elemental carbon and detailed organic speciation. Additionally, in samples collected indoors, major and trace elements were also determined. A battery of in vitro assays was used to assess the ecotoxicity, cytotoxicity and mutagenicity of the PM10 samples. The results obtained from the laboratory measurements indicated that the alternative woody raw material selected for pelletising contributed to a dramatic increase in particulate emissions, with distinctive chemical properties and increased toxicological potential. It was observed that even certified material does not always meet emission requirements set by the Ecodesign directive. Particles from pellet combustion were mainly composed of water soluble inorganic constituents. The carbonaceous fraction of particulate samples from commercial pellets was dominated by elemental carbon, while organic carbon was the most abundant constituent in samples from the combustion of acacia pellets. The results showed that particles from acacia pellets were the most ecotoxic and cytotoxic, while mutagenicity was not detected for any biofuel. In the sampling campaign carried out in residential microenvironments while using different combustion devices, higher exposures, higher doses in the human respiratory tract and higher toxicity of the particles collected during the operation of the open fireplace were observed, as a result of the lower combustion efficiency. When using this combustion equipment, a higher increase in particulate matter levels (over 12 times compared to background concentrations) was registered compared to that measured with the woodstove (2-fold increase). The carbonaceous material accounted for a PM10 mass fraction of about 44% in samples from the room equipped with fireplace, while the woodstove operation almost halved the total particulate carbon content. Water soluble ions and trace elements showed variable contributions to the mass of the indoor particles and were generally higher during the operation of the woodstove. Several chemical markers of biomass combustion were detected in both residential microenvironments, highlighting the input of this source to indoor particles. The bioreactivity assessment showed that particles emitted by the fireplace were the most ecotoxic and cytotoxic, while mutagenicity was not detected in any of the tested samples. Combustion-related organic compounds in indoor particles, such as polycyclic aromatic hydrocarbons, displayed significant correlations with the increase in toxicity. In view of the results obtained, homeowners should be encouraged to upgrade the wood burning technology in order to reduce the products of incomplete combustion inside their dwellings.

A combustão de biomassa para aquecimento residencial é reconhecida como uma fonte importante de material particulado não apenas no ar ambiente, mas também no interior das habitações. A exposição a partículas resultantes da queima de biomassa tem sido associada a um vasto leque de efeitos adversos na saúde. Sabe-se que as propriedades físicas e químicas das partículas inaladas afetam acentuadamente as respostas biológicas. Ao longo dos anos, muitos estudos tiveram como foco os perfis de emissão da combustão residencial de biomassa. No entanto, com o aparecimento e a crescente quota de mercado de novos equipamentos de pequena escala alimentados automaticamente com biocombustíveis prensados, a investigação deve ser direcionada para a caracterização das emissões desses sistemas de combustão alimentados quer com novos pellets disponíveis no mercado, quer com pellets produzidos a partir de novas matérias primas potencialmente relevantes. Apesar da abundância de publicações dedicadas às emissões e composição das partículas da queima residencial de biomassa, o impacto desta fonte na qualidade do ar interior tem sido pouco estudado, sobretudo no que diz respeito às características químicas e toxicológicas do material particulado. Os dois objetivos principais desta tese foram: i) obter os perfis químicos e toxicológicos para sistemas alimentados a pellets, e ii) avaliar o impacto de equipamentos tradicionais na qualidade do ar interior, propriedades do material particulado, dose depositada no trato respiratório e respostas biológicas. Para atingir o primeiro objetivo, foram selecionados quatro tipos de pellets (duas marcas de pellets com certificação ENplus A1, uma marca de pellets sem certificação e pellets de acácia produzidos em laboratório) para realizar experiências numa instalação laboratorial de combustão e determinar fatores de emissão de gases e material particulado (PM10). Para atingir o segundo objetivo, realizaram-se amostragens de partículas em duas habitações com equipamentos de combustão distintos (lareira aberta e recuperador de calor), na ausência de outras fontes interiores. A dose de partículas inaladas no interior das habitações e depositadas no trato respiratório humano foi estimada utilizando um modelo de exposição/dose (ExDoM2). A composição química das PM10 resultantes quer dos ensaios laboratoriais, quer dos microambientes residenciais, foi analisada em termos de iões inorgânicos solúveis em água, carbono orgânico e elementar e especiação orgânica detalhada. Adicionalmente, nas amostras de partículas colhidas no interior das habitações, foram também determinados elementos maioritários e traço. Foi utilizada uma bateria de ensaios in vitro para avaliar a ecotoxicidade, citotoxicidade e mutagenicidade das amostras de PM10. Os resultados obtidos nos ensaios laboratoriais indicaram que o material lenhoso alternativo selecionado para a peletização contribuiu para um aumento dramático das emissões de partículas, as quais apresentaram propriedades químicas distintas e um potencial toxicológico elevado. Observou-se que mesmo o material certificado nem sempre cumpre os requisitos de emissão estabelecidos pela diretiva Ecodesign. As partículas emitidas pela combustão de pellets apresentaram na sua composição maioritariamente iões inorgânicos solúveis em água. O carbono elementar dominou a fração de material carbonáceo nas partículas dos pellets comerciais, ao passo que o carbono orgânico constitui a componente mais abundante nas amostras resultantes da queima de pellets de acácia. Os resultados mostraram que as partículas dos pellets de acácia foram as mais ecotóxicas e citotóxicas, enquanto não foi detetada mutagenicidade para nenhum biocombustível. Na campanha de amostragem realizada em microambientes residenciais durante a utilização de diferentes equipamentos de combustão, observou-se uma exposição mais elevada, dose depositada no trato respiratório humano mais alta e uma toxidade superior para as partículas colhidas durante a operação da lareira aberta, refletindo a menor eficiência de combustão deste equipamento. Durante a sua utilização, foi registado um aumento superior nos níveis de material particulado (mais de 12 vezes relativamente às concentrações de fundo) em comparação com o observado para o recuperador de calor (aumento de 2 vezes). O material carbonáceo representou cerca de 44% da massa de PM10 nas amostras colhidas durante a operação da lareira, enquanto a operação do recuperador de calor reduziu quase pela metade o conteúdo total de carbono nas partículas. Os iões solúveis em água e os elementos apresentaram contribuições variáveis para a massa das partículas no interior das habitações, sendo geralmente superiores durante a operação do recuperador de calor. Em ambos os microambientes residenciais foram detetados vários traçadores químicos de combustão de biomassa, assinalando a contribuição desta fonte para as partículas interiores. A avaliação da biorreatividade revelou que as partículas emitidas pela lareira foram as mais ecotóxicas e citotóxicas, enquanto que não foi detetada mutagenicidade em quaisquer das amostras testadas. Vários constituintes detetados nas partículas internas, como os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, apresentaram correlações significativas com o aumento da toxicidade. Considerando os resultados obtidos, os proprietários devem ser encorajados a atualizar a tecnologia de combustão, a fim de reduzir os produtos de combustão incompleta dentro das suas habitações.