Refining the particulate matter airway deposition arising from indoor cooking-related biomass combustion for children in the Haramaya district in Ethiopia

Abstract

Background: Air pollution, a global issue affecting millions of individuals, is linked to adverse health effects on the respiratory system, but also to e.g., cancer and cardiovascular ailments. In low-income countries, cooking is often conducted by biomass-combustion, causing women and children to be exposed to high levels of indoor air pollution. Method: A mathematical model has been developed in MATLAB to estimate the mass of particulate matter deposited in the respiratory tract, to study correlations between lung deposition of indoor air pollution and respiratory symptoms of children aged less than 5 years old in a cohort of Ethiopian individuals (using STATA), with the input variables time spent cooking and fuel type usage (in this case, wood, charcoal, and animal dung). Result: The model was able to portray a higher estimated deposition for individuals using more polluting biomass practices, where cow dung had the highest estimated deposited particulate matter mass and deposited particle number, while charcoal had the lowest, showing statistical significance. A statistically significant decrease in risk for respiratory symptoms were noticed for the children for higher mass deposition values, with an Odds ratio (OR) of < 1 for both the entire and alveolar respiratory tract. The result remained valid in multivariate analysis with similar OR and p-value, where a statistically significant confounder being smokers in the household as well as usage of animal dung as fuel compared to wood, both with an OR > 1, p-value < 0.05. Conclusion: The model presented in this report can produce mass and number estimates for particulate matter deposition, enabling estimates using few input variables, allowing for new analysis methods in low-income settings, showing differences in estimates depending on fuel type usage. However, it needs further development, likely focused on identifying more confounders, but also more in-data in the form of size distributions from more combustion events.

Popular Abstract (Swedish)

Luftföroreningar dödar 7 miljoner människor varje år och är därmed enligt WHO ett av de största hälsohoten i vår tid. Hälsoeffekterna av luftföroreningar kan vara akuta eller kroniska och de kan drabba flera olika organsystem, bland annat lungor och hjärta. En grundpelare i att åtgärda dessa problem är att kunna mäta och uppskatta hur utsatta vissa individer är för luftföroreningar. Gällande just luftföroreningar inomhus kan tolkningar och bedömningar bli komplexa eftersom flertalet faktorer påverkar hur utsatt man är. Utomhus kan luftföroreningar förekomma från trafik, eld, industri, avfallshantering med mera. Luftföroreningar inomhus kan både de föroreningar som skapas av våra aktiviteter inomhus men även av föroreningar utomhus som ventileras in. Hur höga halterna är i inomhusmiljön beror på faktorer såsom storlek på bostad, ventilationsmöjligheter, samt hur många som bor i huset.

Cirka 50 % av världens befolkning är beroende av förbränning av biomassa, till exempel kol, trä, samt kodynga, för att tillgodose sina behov av värme, matlagning med mera. I rurala områden i låginkomstländer är andvändandet av biomassa speciellt uttalat, där lagas ofta mat över öppen eld eller i enkla spisar av lera, något som utsätter både den som lagar och andra i hushållet för luftföroreningar. Luftföroreningar från olika typer av biomassa kan innehålla sot, polyaromatiska kolväten och andra hälsofarliga metaller och gaser, komponenter som har kopplats till negativa hälsoeffekter för individer i flertalet åldrar, inklusive foster hos gravida. I socioekonomiskt utsatta situationer kan sociala strukturer och normer förekomma som gör att kvinnor, oavsett sin hälsosituation, fortfarande är de som utför hushållsarbete såsom matlagning, vilket gör denna grupp speciellt utsatt för hälsoeffekter.

Genom att förbättra modeller för att uppskatta graden av exponering för luftföroreningar inomhus, hoppas projektet kunna undersöka eventuella samband mellan luftföroreningar inomhus och hälsoeffekter. Detta ska göras genom att utgå från en hälsodatabas skapad på universitetet i Haramaya, Etiopien, och använda den förbättrade modellen för att analysera matlagningsvanor och hälsoeffekter retrospektivt ihop med förbränningsexperiment genomförda i Lund, Sverige.

Modellen använder få parametrar, såsom vilken typ av biomassa som förbränns, hur lång tid förbränningen sker och är därmed tänkt att kunna ge en mer precis uppskattning av exponering för luftföroreningar just i låginkomstländer, där ytterligare information kan vara svår att tillgå. Modellen är tänkt att undersöka om det går att visa samband mellan negativa hälsoeffekter och högre luftföroreningsexponering. Hälsoeffekter som är av intresse är till exempel graviditetskomplikationer och luftvägssjukdomar.
Detta arbete är en förstudie där en matematisk modell har utvecklats, för att uppskatta den totala mängd av luftföroreningar från olika typer av biobränsle som fastnar i luftvägarna. Detta jämfördes sedan med förekomst av olika sjukdomstillstånd. Det fanns endast information om barn i hushållen tillgängligt, därför jämfördes den, enligt modellen, uppskattade vikten av luftföroreningar i luftvägarna, med sjukdomssymtom i form av luftvägssymtom hos dessa barn. För att precisera analysen, har studien även beaktat tidigare studier inom området i liknande omständigheter, samt försökt anpassa jämförelsen efter om barnen bor i hem där individer röker eller använder rökelse.
Modellen visar att det finns en koppling mellan typ av biobränsle, förekomst av rökare i huset, samt mängden luftföroreningar som fastnar i luftvägarna och luftvägssymtom hos barn. Vi kunde visa att eldande av djurdynga är mer kopplat till ökad förekomst av luftvägssymtom än vad trä är. Att ha rökare i hushållet ökade också risken för luftvägssymtom. Som förväntat noterades kopplingar mellan luftvägssymtom och febersymtom, dock utan tydliga samband med modellens uppskattningar. Gällande användandet av rökelse hittades inget tydligt samband. Vad gäller modellens uppskattning av den massa och det antal partiklar som landar i luftvägarna, kunde statistiskt säkerställda skillnader visas mellan bränsletyperna som används. Dock visade modellen, något överraskande, att en minskad massa luftföroreningar i luftvägarna ökar förekomsten av luftvägssymtom. Detta antas bero på att modellen i nuläget baseras på ett fåtal förbränningsförsök och även på att parametrarna som används som hälsosymtom är vaga och kan misstolkas. Dessutom var antalet hushåll där man eldade med annat än trä jämförelsevis mycket färre, vilket orsakar problem i den statistiska analysen.

Detta arbete visar en modell som kan, baserat på endast matlagningstid och bränsletypsanvändning, uppskatta luftföroreningsexponeringen inomhus för individer i låginkomstländer. Förhoppningsvis kan denna modell hjälpa till och inspirera i framtida analyser inom området för att bättre förstå situationen i dessa delar av världen. Våra resultat pekar på att de eldningsvanor som används i låginkomstländer kan ha en tydlig påverkan i måendet hos de som bor i hushållet, därför borde denna och liknande modeller fortsätta utvecklas för att kunna fortsätta utreda hälsoeffekterna av matlagningsvanor för invånare i låginkomstländer.

• author: Malmborn, Kasper
• supervisor: Christina Isaxon; Ebba Malmqvist; Solomon Tassew Seboka
• organization: Ergonomics and Aerosol Technology
• alternative title: Förfinande av exponeringsbedömning av matlagningsrelaterad förbränning av biomassa hos barn i hushållen i Haramaya distriktet i Etiopien
• course: MAMM05 20231
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Air pollution exposure, charcoal, wood, animal dung, low-income setting epidemiology
• language: English
• id: 9139008
• date added to LUP: 2023-09-25 12:59:45
• date last changed: 2023-09-30 03:42:41