Analysis of the effects of air pollution on respiratory system diseases in İstanbul

Abstract

Breathing is the most basic human function required to sustain life. Humans are exposed to different types of air polluting substances present in air originating form various emission sources like industry, heating and traffic in cities and large urbanised areas. Breathing air contaminated with toxic substances produces health risks for individuals. Sensitive and vulnerable groups such as pregnant women, children, the elderly and those already suffering from respiratory and other serious illnesses are especially affected from air pollution. In the meantime, there is strong evidence that reductions of air pollution make a positive effect on public health. The relationship between air pollutants and its health effects has not been studied extensively so far in İstanbul and Turkey. The scope of this thesis is to assess the relationship between air pollutants and respiratory hospital admissions in İstanbul in order to better understand the association between air pollution and respiratory health in the largest city of Turkey. In this thesis, the relationship between air pollution and respiratory hospital admissions in İstanbul was investigated for the period of 2013 – 2017 using single-pollutant Poisson generalized linear model (GLM) while controlling for time trends and meteorological factors. Hourly air pollution data, including PM10, PM2.5 and NO2, were obtained from the database of Ministry of Environment and Urbanization, the government agency in charge of collection of air pollution data in Turkey. The daily concentrations for each pollutant were averaged from the available monitoring results of fixed-site stations of Air Quality Monitoring Network in İstanbul under Republic of Turkey Ministry of Environment and Urbanization. To allow adjustment for the effect of weather on hospital admissions, hourly meteorological data (temperature and relative humidity) were obtained from the Air Quality Monitoring Stations where meteorological measurements are also made. We have used daily means of the pollutants and weather variables calculated from the hourly data to represent the daily reading for İstanbul. Data of daily respiratory hospital admissions of the public hospitals in İstanbul from March 1, 2013 to December 31, 2017 (1767 days) were obtained from the database of the hospitals which are coordinated by the Republic of Turkey Ministry of Health. This thesis study is based on 3 SCI articles. In the first article, the associations between the daily variations of air pollutants and hospital admissions for respiratory diseases in İstanbul, the largest city of Turkey was examined. A time series analysis of counts of daily hospital admissions and outdoor air pollutants was performed using single-pollutant Poisson generalized linear model (GLM) while controlling for time trends and meteorological factors over a 3-year period (2013 - 2015) at different time lags (0 - 9 days). Effects of the pollutants (Excess Risk, ER) on current-day (lag 0) hospital admissions to the first ten days (lag 9) were determined. Data on hospital admissions, daily mean concentrations of air pollutants of PM10, PM2.5 and NO2 and daily mean concentrations of temperature and humidity of İstanbul were used in the study. The analysis was conducted among people of all ages, but also focused on different sexes and different age groups including children (0 - 14 years), adults (35 - 44 years) and elderly (≥65 years). Significant associations between air pollution and respiratory related hospital admissions were found in the city. Our findings showed that the relative magnitude of risks for an association of the pollutants with the total respiratory hospital admissions was in the order of: PM2.5, NO2, and PM10. The highest association of each pollutant with total hospital admission was observed with PM2.5 at lag 4 (ER = 1.50; 95% CI = 1.09 - 1.99), NO2 at lag 4 (ER = 1.27; 95% CI = 1.02 - 1.53) and PM10 at lag 0 (ER = 0.61; 95% CI = 0.33 - 0.89) for an increase of 10 mg/m3 in concentrations of the pollutants. In conclusion, this study showed that short-term exposure to air pollution was positively associated with increased respiratory hospital admissions in İstanbul and women and elderly people were more sensitive to respiratory risk of air pollution. In the second article, the Saharan dust particulate matter (PM10 and PM2.5) episode on İstanbul in February 2015 by using air quality and meteorological data with NASA satellite images and Aqua/Modis Satellite aerosol products was examined. The aim of this study was to better understand the effect of dust transportation on İstanbul's air quality. Although the effect of Saharan dust transportation on PM10 concentrations in Turkey was examined many times, its effect on PM2.5 concentrations has not been studied yet sufficiently. In February 2015, İstanbul experienced a Saharan dust episode and during this event the concentrations of particulate matter rose to very high levels. Satellite products, and air quality monitoring data from ground observations were utilized. On 01 February 2015, a cyclone centered on Adriatic Sea with a 990-hPa low pressure center caused a southerly wind event on the eastern Mediterranean. Desert sands lifted by strong winds hovered off the coasts of North Africa and spanned the Aegean Sea, passing over Istanbul and reaching as far north as the Black Sea. The dust storm hit the Marmara, Aegean, Black Sea, andMediterranean Sea regions of Turkey. Dust-laden weather was accompanied by low atmospheric pressure, warm air, and strong winds during the episode. The daily average air temperature on the day of the event was 17.4 °C which is well above the average (6.1 °C) and maximum temperature (9 °C) values of February of İstanbul. The daily average wind speed (6.5 m/s) was also remarkably high compared with the average wind speed value (2.6 m/s) of the city. On 01 February, very high AOD values (>1.0) were observed due to atmospheric dust transportation starting from the northern part of Libya, passing through the Aegean Sea and reaching to Black Sea over İstanbul. PM10 concentrations climbed to 325.1 μg/m3 on 01 February. However, PM2.5 concentrations did not increase considerably, only a slight increase occurred. This study showed that the PM10 concentrations increased significantly during the dust episode while PM2.5 concentrations did not increase considerably. There was only a slight rise in the values of PM2.5. The significant increase for the PM10 values can be explained by the higher gravitational settling velocities of coarse particles in the atmosphere. Another result of this study is the dust storm period was not significantly associated with respiratory hospital admissions. In the third article, the effects of air pollutants (PM10, PM2.5, and NO2) on hospital admissions for asthma, chronic obstructive pulmonary disease (COPD), and acute bronchitis to better understand the association between air pollution and respiratory diseases were assesed in the city. In order to investigate the health effects of air pollutants (Excess Risk, ERR), a time-series analysis of daily respiratory hospital admissions and outdoor air pollutants was performed using single-pollutant Poisson generalized linear model (GLM) over a 5- year period (2013–2017) at different time lags (0–9). Our results show that air pollutants have significant immediate and delayed effects on hospital admissions depending on different diseases. NO2 and PM2.5 have the highest risk effects on the hospital admissions. According to the results, a 10 μg/m3 increase in PM10 was associated with a 2.0 % (95%CI: 0.63–6.30) increase at lag 5, PM2.5 with a 2.15 % (95%CI: 1.57–2.96) increase at lag 1 and NO2 with a 2.3 % (95%CI: 1.33–3.96) increase at lag 7 in the number of hospital admissions for asthma, respectively. A 10 μg/m3 increase in PM10 was associated with a 1.62 % (95%CI: 0.42–6.32) increase at lag 0, PM2.5 with a 1.78 % (95 %CI: 0.28–11.3) increase at lag 8 and NO2 with a 1.41 % (95%CI: 0.50–3.96) increase at lag 8 in the number of hospital admissions for COPD, respectively. A 10 μg/m3 increase in PM10 was associated with a 0.84 % (95%CI: 0.56–1.26) increase at lag 0, PM2.5 with an 8.06 % (95%CI: 3.36–19.4) increase at lag 9 and NO2 with a 0.73 % (95%CI: 0.68–0.77) increase at lag 0 in the number of hospital admissions for acute bronchitis, respectively. Compared to PM10 and NO2, the risk effect of PM2.5 on acute bronchitis is much higher. This study showed that air pollution is associated with increased hospital admissions for some of the most common and serious respiratory diseases in Turkey.

Nefes almak, insan yaşamını sürdürmek için gerekli olan en temel işlevdir. İnsanlar, şehirlerde ve diğer yerleşim yerlerinde, sanayi, ısınma ve trafik gibi çeşitli emisyon kaynaklarından havaya yayılan farklı hava kirletici maddelere maruz kalmaktadır. Toksik maddelerle kirlenmiş havayı solumak, bireyler için ciddi sağlık riskleri oluşturabilmektedir. Hamileler, çocuklar, yaşlılar gibi hassas ve savunmasız gruplar ve halihazırda solunum yolu ve diğer ciddi hastalıkları olan kişiler hava kirliliğinden özellikle etkilenmektedir. Diğer yandan, hava kirliliğinin azaltılmasının halk sağlığı üzerinde olumlu bir etki yarattığına dair güçlü kanıtlar bulunmaktadır. İstanbul, Türkiye'nin nüfusu en yüksek şehri olup, iktisadi ve kültürel açıdan da ülkenin en önemli şehridir. Türkiye'nin 16 milyonu aşan nüfusuyla tek mega şehri olan ve dünyanın da en büyük şehirlerinden biri olan İstanbul, yakın geçmişte ciddi hava kirliliği problemleri ile karşı karşıya kalmıştır. Şehir, son yıllarda artan nüfusu, araç sayısı ve sanayileşme ile birlikte hızlı bir büyüme yaşamaktadır. İstanbul'daki emisyon kaynakları zaman içinde büyük bir değişim göstermiştir. 20 yıl önce evsel ısınma ve endüstriyel faaliyetler başlıca kirletici kaynaklarını oluşturmaktayken, günümüzde, trafik, endüstriyel faaliyetler, evsel ısınma, madenler ve biyojenik emisyonlar başlıca kirletici kaynakları durumuna gelmişlerdir. İstanbul'un hava kalitesi ülke sınırları dışından taşınan kirleticiler tarafından da ciddi şekilde etkilenmektedir. Avrupa'dan taşınan insan kaynaklı kirleticiler ile Kuzey Afrika ve Orta Doğu'dan gelen çöl tozları İstanbul'un hava kalitesini etkileyen önemli faktörlerdir. Bu tez çalışmasının amacı, Türkiye'nin en büyük şehri olan İstanbul'da hava kirliliği ve insan sağlığı arasındaki ilişkiyi ortaya çıkarabilmek amacıyla İstanbul'da ölçülen hava kirliliği verileri ile solunum hastalıklarına bağlı hastane başvuruları arasındaki ilişkiyi değerlendirmektir. Çalışmamızda, İstanbul'da hava kirliliği ile solunum sistemi hastalıkları nedeniyle yapılan hastane başvuruları arasındaki ilişki, genelleştirilmiş lineer model (GLM) adlı regresyon analiz yöntemi kullanılarak 2013-2017 dönemi için zamana bağlı değişimler ve meteorolojik faktörler kontrol edilerek araştırılmıştır. Partikül madde (PM10, PM2.5) ve azot dioksit (NO2) kirleticilerine ait saatlik hava kirliliği verileri, Türkiye'de hava kirliliği verilerinin ölçümünden sorumlu olan Çevre ve Şehircilik Bakanlığı'nın veri tabanından elde edilmiştir. Her bir kirletici için İstanbula ait günlük konsantrasyonların ortalaması, İstanbul'daki Hava Kalitesi İzleme Ağı'nın sabit saha istasyonlarının mevcut izleme sonuçlarından hesaplanmıştır. Hava durumunun hastane başvuruları üzerindeki etkisinin kontrol edilebilmesi amacıyla meteorolojik ölçümlerin de yapıldığı Hava Kalitesi İzleme İstasyonlarına ait saatlik meteorolojik verilerden (sıcaklık ve bağıl nem) de yararlanılmıştır. Günlük hastane başvurusu verileri ise, 1 Mart 2013 - 31 Aralık 2017 (1767 gün) tarih aralığı için, TC Sağlık Bakanlığı'nın koordine ettiği İstanbul'daki kamu hastanelerin veri tabanından elde edilmiştir. Bu tez çalışması yayınlanmış olan 3 SCI makalesine dayanmaktadır. İlk makalemizde, Türkiye'nin en büyük şehri olan İstanbul'da hava kirleticilerin günlük değişimleri ile tüm solunum yolu hastalıkları nedeniyle yapılan hastane başvuruları arasındaki ilişki incelenmiştir. Genelleştirilmiş lineer model (GLM) kullanılarak, 3 yıllık bir süre boyunca (2013 - 2015) farklı zaman aralıklarında zaman eğilimleri ve meteorolojik faktörler kontrol edilirken, günlük hastane başvuruları ve dış ortam hava kirleticileri miktarlarının zaman serisi analizi yapılmıştır (0 - 9 gün). Kirleticilerin hastane başvuruları üzerindeki etkileri (Ekstra Risk (ER)) ilk on güne kadar belirlenmiştir. Çalışmada hastane başvuruları, günlük ortalama hava kirletici (PM10, PM2.5 ve NO2) konsantrasyonları ve İstanbul'un günlük ortalama sıcaklık ve nem konsantrasyonlarına ait veriler kullanılmıştır. Analizler tüm yaş gruplarını içerecek şekilde ve aynı zamanda çocuklar (0-14 yaş), yetişkinler (35-44 yaş) ve yaşlılar (≥65 yaş) da dahil olmak üzere farklı yaş gruplarını ve farklı cinsiyetleri da ayrıca inceleyerek yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda şehirdeki hava kirliliği ile solunum hastalıklarına ait hastane başvuruları arasında anlamlı bir ilişki bulunmuştur. Bulgularımız, solunum yolu hastalıkları nedeniyle yapılan başvurular üzerindeki kirleticilere ait risk büyüklüklerinin sırasıyla, PM2.5, NO2 ve PM10'a ait olduğunu göstermiştir. Kirleticilerin konsantrasyonlarında meydana gelen 10 mg/m3' lük bir artış için her kirletici ile toplam hastaneye yatış arasındaki en yüksek ilişki PM2.5 için 5. günde (ER = 1.50;% 95 CI = 1.09 - 1.99), NO2 için 5. Günde (ER = 1.27;% 95 CI = 1.02 - 1.53) ve PM10 için ilk günde (ER = 0.61; %95 CI = 0.33 - 0.89) olarak bulunmuştur. Çalışmamızın sonuçları, İstanbul'da kısa süreli hava kirliliğine maruz kalmanın solunum sistemi hastalıkları nedeniyle yapılan hastane başvurularının artması ile pozitif ilişkili olduğunu ve kadınların ve yaşlıların hava kirliliği nedeniyle solunum sistemi hastalıklarına yakalanma risklerinin daha yüksek olduğunu göstermektedir. İkinci makalemizde, NASA uydu görüntüleri ve Aqua/Modis Uydusuna ait aerosol ürünleri ile yer gözlemlerine ait hava kalitesi ve meteorolojik verileri kullanılarak, Şubat 2015'te İstanbul'da Sahra toz taşınımı nedeniyle meydana gelen partikül madde (PM10 ve PM2.5) episodu incelenmiştir. Çalışmamıza konu olan 01 Şubat 2015 tarihinde İstanbul'da meydana gelen Sahra tozu episodu sırasında partikül madde konsantrasyonları çok yüksek seviyelere ulaşmıştır. Türkiye'de Sahra tozu taşınımının PM10 konsantrasyonları üzerindeki etkisi birçok kez incelenmiş olmasına rağmen PM2.5 konsantrasyonları üzerindeki etkisi henüz yeterince çalışılmamıştır. Bu çalışmadaki amacımız, yüksek partikül madde değerlerinin ölçüldüğü bir Sahra tozu vakasının İstanbul'un hava kalitesine olan etkisini analiz etmektir. 1 Şubat 2015 tarihinde, Adriyatik Denizi merkezli 990 hPa alçak basınç merkezine sahip bir fırtına, Doğu Akdeniz'de güneyden esen şiddetli rüzgarların oluşmasına neden olmuştur. Şiddetli rüzgarların neden olduğu Sahra Çölü kaynaklı toz fırtınası, Türkiye'nin Marmara, Ege, Karadeniz ve Akdeniz bölgelerini etkilemiştir. NASA uydu görüntüleri tarafından da net bir şekilde görüntülenen Çöl kumları, Kuzey Afrika kıyılarından havalanarak Ege Denizi'ne yayılmış ve İstanbul'un üzerinden geçerek Karadeniz'e kadar ulaşmıştır. Sahra tozu taşınımı boyunca düşük atmosfer basıncı, yüksek sıcaklıklar ve kuvvetli rüzgarlar gözlemlenmiştir. En yüksek toz değerlerinin ölçüldüğü 1 Şubat 2015 tarihinde, günlük ortalama hava sıcaklığı 17,4 °C ile İstanbul'un Şubat ayı ortalama (6,1 °C) ve maksimum sıcaklık (9 °C) değerlerinin oldukça üzerine çıkmıştır. Günlük ortalama rüzgar hızı (6,5 m/s) ise, şehrin ortalama rüzgar hızı değerine (2,6 m/s) kıyasla oldukça yüksektir. Aqua/Modis uydusu tarafından 01 Şubat'ta Libya'nın kuzeyinden başlayıp Ege Denizi'ni geçerek İstanbul üzerinden Karadeniz'e ulaşan atmosferik toz taşınımına bağlı çok yüksek Aerosol Optik Derinlik (AOD) değerleri (>1.0) gözlemlenmiştir. 01 Şubat tarihinde günlük ortalama PM10 konsantrasyonu 325.1 μg/m3, PM2.5 konsantrasyonu ise 72.0 μg/m3 olarak ölçülmüştür. İstanbul'da 2014-2015 kış sezonuna ait günlük ortalama PM10 ve PM2.5 konsantrasyonları sırasıyla 63.8 ve 37 μg/m3'tür. Ortaya çıkan sonuçlara göre, Sahra tozu episodu sırasında PM10 konsantrasyonlarında ciddi bir artış meydan gelmesine rağmen, PM2.5 değerlerinde düşük oranda bir artış olmuştur. Bu durum, Sahra tozu taşınımının PM10 konsantrasyonlarını ciddi bir şekilde arttırmakla birlikte, PM2.5 değerlerini aynı ölçüde arttırmadığını göstermektedir. Sahra tozu taşınımı sırasında meydana gelen PM10 değerlerindeki ciddi artış, atmosferde bulunan iri taneli parçacıkların yerçekimine bağlı olarak daha yüksek çökelme hızlarına sahip olmaları nedeniyle açıklanabilmektedir. Çalışmamızın sonuçlarına göre, Sahra tozu episodu boyunca solunum sistemi hastalıklarına bağlı hastane başvurularında ciddi bir artış gözlenmemiştir. Üçüncü makalemizde, İstanbul'daki hava kirliliğinin solunum yolu hastalıkları üzerindeki etkisini daha iyi anlayabilmek amacıyla dış ortam hava kirleticilerinin (PM10, PM2.5 ve NO2), astım, kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) ve akut bronşit hastalıkları nedeniyle yapılan hastane başvuruları üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Hava kirliliğinin sağlık üzerindeki etkilerini ortaya çıkarmak amacıyla, genelleştirilmiş lineer model (GLM) yöntemi kullanılarak günlük hastane başvurularının ve hava kirleticilerinin 2013-2017 periyoduna ait regresyon analizleri yapılmıştır. Sonuçlarımız, hava kirleticilerinin farklı hastalıklara göre hastane başvuruları üzerinde ani ve gecikmeli etkileri olduğunu ve hastane başvurularını arttırdığını göstermektedir. NO2 ve PM2.5, hastane başvuruları üzerinde en yüksek risk etkilerine sahip olan kirleticilerdir. Ortaya çıkan sonuçlara göre, kirletici madde konsantrasyonlarında meydana gelen 10 μg/m3'lük bir artış için kirleticiler ile astım nedeniyle yapılan hastane başvuruları arasındaki en yüksek ilişki PM2.5 için 5. günde ER = 2.15 (% 95 CI = 1.57 - 2.96), NO2 için 5. Günde ER = 2.3 (% 95 CI = 1.33 - 3.96) ve PM10 için ilk günde ER = 2.0 (%95 CI = 0.63 - 6.30) olarak bulunmuştur. Kirletici konsantrasyonlarında meydana gelen 10 μg/m3'lük bir artış için kirleticiler ile KOAH nedeniyle yapılan hastane başvuruları arasındaki en yüksek ilişki PM10 için ilk günde ER = 1.62 (% 95 CI = 0.42 – 6.32), PM2.5 için 9. Günde ER = 1.78 (% 95 CI = 0.28 – 11.3) ve NO2 için 9. günde ER = 1.41 (%95 CI = 0.50 – 3.96) olarak bulunmuştur. Kirletici konsantrasyonlarında meydana gelen 10 μg/m3'lük bir artış için kirleticiler ile akut bronşit nedeniyle yapılan hastane başvuruları arasındaki en yüksek ilişki PM10 için ilk günde ER = 0.84 (%95 CI = 0.56–1.26), PM2.5 için 9. Günde ER = 8.06 (%95 CI = 3.36 – 19.4) ve NO2 için ilk günde ER = 0.73 (%95 CI = 0.68–0.77) olarak bulunmuştur. Bu çalışma, İstanbul'daki hava kirliliğinin ülkemizdeki en yaygın ve önemli solunum yolu hastalıklarından olan astım, KOAH ve akut bronşit için artan hastane başvuruları ile ilişkili olduğunu göstermiştir.