Organic compound emission rates for volatile organic compounds (VOC), gas-phase semivolatile organic compounds, and particle-phase organic compounds are measured from residential fireplace combustion of wood. Firewood from a conifer tree (pine) and from two deciduous trees (oak and eucalyptus) is burned to determine organic compound emissions profiles for each wood type including the distribution of the alkanes, alkenes, aromatics, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), phenol and substituted phenols, guaiacol and substituted guaiacols, syringol and substituted syringols, carbonyls, alkanoic acids, resin acids, and levoglucosan. Levoglucosan is the major constituent in the fine particulate emissions from all three wood types, contributing 18−30% of the fine particulate organic compound emissions. Guaiacol (2-methoxyphenol), and guaiacols with additional substituents at position 4 on the molecule, and resin acids are emitted in significant quantities from pine wood combustion. Syringol (2,6-dimethoxyphenol) and syringols with additional substituents at position 4 on the molecule are emitted in large amounts from oak and eucalyptus firewood combustion, but these compounds are not detected in the emissions from pine wood combustion. Syringol and most of the substituted syringols are found to be semivolatile compounds that are present in both the gas and particle phases, but two substituted syringols that have not been previously quantified in wood smoke emissions, propionylsyringol and butyrylsyringol, are found exclusively in the particle phase and can be used to help trace hardwood smoke particles in the atmosphere. Benzene, ethene, and acetylene are often used as tracers for motor vehicle exhaust in the urban atmosphere. The contribution of wood smoke to the ambient concentrations of benzene, ethene, and acetylene could lead to an overestimate of the contribution of motor vehicle tailpipe exhaust to atmospheric VOC concentrations.

Gas- and particle-phase organic compounds present in the tailpipe emissions from an in-use fleet of gasoline-powered automobiles and light-duty trucks were quantified using a two-stage dilution source sampling system. The vehicles were driven through the cold-start Federal Test Procedure (FTP) urban driving cycle on a transient dynamometer. Emission rates of 66 volatile hydrocarbons, 96 semi-volatile and particle-phase organic compounds, 27 carbonyls, and fine particle mass and chemical composition were quantified. Six isoprenoids and two tricyclic terpanes, which are quantified using new source sampling techniques for semi-volatile organic compounds, have been identified as potential tracers for gasoline-powered motor vehicle emissions. A composite of the commercially distributed California Phase II Reformulated Gasoline used in these tests was analyzed by several analytical methods to quantify the gasoline composition, including some organic compounds that are found in the atmosphere as semi-volatile and particle-phase organic compounds. These results allow a direct comparison of the semi-volatile and particle-phase organic compound emissions from gasoline-powered motor vehicles to the gasoline burned by these vehicles. The distribution of n-alkanes and isoprenoids emitted from the catalyst-equipped gasoline-powered vehicles is the same as the distribution of these compounds found in the gasoline used, whereas the distribution of these compounds in the emissions from the noncatalyst vehicles is very different from the distribution in the fuel. In contrast, the distribution of the polycyclic aromatic hydrocarbons and their methylated homologues in the gasoline is significantly different from the distribution of the PAH in the tailpipe emissions from both types of vehicles.

Gas- and particle-phase tailpipe emissions from late-model medium duty diesel trucks are quantified using a two-stage dilution source sampling system. The diesel trucks are driven through the hot-start Federal Test Procedure (FTP) urban driving cycle on a transient chassis dynamometer. Emission rates of 52 gas-phase volatile hydrocarbons, 67 semivolatile and 28 particle-phase organic compounds, and 26 carbonyls are quantified along with fine particle mass and chemical composition. When all C1−C13 carbonyls are combined, they account for 60% of the gas-phase organic compound mass emissions. Fine particulate matter emission rates and chemical composition are quantified simultaneously by two methods: a denuder/filter/PUF sampler and a traditional filter sampler. Both sampling techniques yield the same elemental carbon emission rate of 56 mg km-1 driven, but the particulate organic carbon emission rate determined by the denuder-based sampling technique is found to be 35% lower than the organic carbon mass collected by the traditional filter-based sampling technique due to a positive vapor-phase sorption artifact that affects the traditional filter sampling technique. The distribution of organic compounds in the diesel fuel used in this study is compared to the distribution of these compounds in the vehicle exhaust. Significant enrichment in the ratio of unsubstituted polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) to their methyl- and dimethyl-substituted homologues is observed in the tailpipe emissions relative to the fuel. Isoprenoids and tricyclic terpanes are quantified in the semivolatile organics emitted from diesel vehicles. When used in conjunction with data on the hopanes, steranes, and elemental carbon emitted, the isoprenoids and the tricyclic terpanes may help trace the presence of diesel exhaust in atmospheric samples.

A dilution source sampling system was used to quantify the organic air pollutant emissions from commercial-scale meat charbroiling operations. Emission rates of gas-phase volatile organic compounds, semivolatile organic compounds, and high molecular weight particle-phase organic compounds were simultaneously quantified on a single compound basis. Fine particle mass emission rates and fine particle elemental chemical composition were measured as well. Emission rates of 120 organic compounds, spanning carbon numbers from C1 to C29 were quantified including n-alkanoic acids, n-alkenoic acids, carbonyls, lactones, alkanes, aromatics, polycyclic aromatic hydrocarbons, alkenes, and steroids. Ethylene, formaldehyde, and acetaldehyde were found to be the predominant light gas-phase organic compounds emitted from the charbroiling operations. n-Alkanoic acids, n-alkenoic acids, and carbonyls made up a significant fraction of the quantified semivolatile and particle-phase organic compound emissions. Meat charbroiling is one of the few sources identified to date that contributes to the high molecular weight aldehydes measured in the urban atmosphere. Semivolatile and particle-phase organic compounds were collected for quantification by two simultaneous sampling protocols: (1) quartz fiber filters followed by polyurethane foam (PUF) cartridges, and (2) XAD-coated annular denuders followed by quartz fiber filters and PUF cartridges. Good agreement was observed for the total mass emissions collected by the two different sampling procedures; however, the partitioning of the semivolatile organic compounds between the gas phase and particle phase, as measured by the two sampling procedures, showed significant differences for n-alkanoic acids, indicating that significant artifact adsorption of these compounds occurs to the filter in the filter/PUF sampling system.

Secondary organic aerosol (SOA) constitutes a major fraction of submicrometer atmospheric particulate matter. Quantitative simulation of SOA within air-quality and climate models--and its resulting impacts--depends on the translation of SOA formation observed in laboratory chambers into robust parameterizations. Worldwide data have been accumulating indicating that model predictions of SOA are substantially lower than ambient observations. Although possible explanations for this mismatch have been advanced, none has addressed the laboratory chamber data themselves. Losses of particles to the walls of chambers are routinely accounted for, but there has been little evaluation of the effects on SOA formation of losses of semivolatile vapors to chamber walls. Here, we experimentally demonstrate that such vapor losses can lead to substantially underestimated SOA formation, by factors as much as 4. Accounting for such losses has the clear potential to bring model predictions and observations of organic aerosol levels into much closer agreement.

A dilution source sampling system is augmented to measure the size-distributed chemical composition of fine particle emissions from motor vehicles. Measurements are made using an optical particle counter (OPC), a differential mobility analyzer (DMA)/condensation nucleus counter (CNC) combination, and a pair of microorifice uniform deposit impactors (MOUDIs). The sources tested with this system include catalyst-equipped gasoline-powered light-duty vehicles, noncatalyst gasoline-powered light-duty vehicles, and medium-duty diesel trucks. Chemical composition analysis demonstrates that particles emitted from the gasoline-powered vehicles tested are largely composed of organic compounds while particles emitted from diesel engines contain roughly equal amounts of organic compounds and elemental carbon. The particle mass distributions from all mobile sources tested have a single mode that peaks at approximately 0.1−0.2 μm particle diameter. Of the two diesel vehicles tested, the vehicle with the lowest fine particle emissions rate released the largest number of ultrafine particles, a finding similar to that of Bagley et al. (Characterization of fuel and aftertreatment device effects on diesel emissions; Technical Report 76; Health Effects Institute: Cambridge, MA, 1996). Particle size distribution measurements taken throughout the FTP urban driving cycle used to test all of the vehicles described in this paper reveal that particulate mass emission rates and particulate size distributions from the vehicles tested here are similar during the cold start and hot start segments of the driving cycle.

We present the physical and chemical characterization of particulate matter (PM2.5) emissions from simulated agricultural fires (AFs) of surface residuals of two major grain crops, rice (Oryza sativa) and wheat (Triticum aestivum L.). The O2 levels and CO/CO2 ratios of the open burn simulations are typical of the field fires of agricultural residues. In the AF plumes, we observe predominantly accumulation mode (100–1000 nm) aerosols. The mean PM2.5 mass emission factors from replicate burns of the wheat and rice residuals are 4.7±0.04 and 13.0±0.3 g kg−1 of dry biomass, respectively. The combustion-derived PM emissions from wheat are enriched in K (31% weight/weight, w/w) and Cl (36% w/w), whereas the PM emissions from rice are largely carbonaceous (84% w/w). Molecular level gas chromatography/mass spectrometry analysis of PM2.5 solvent extracts identifies organic matter that accounts for as much as 18% of the PM mass emissions. A scarcity of detailed PM-phase chemical emissions data from AFs required that comparisons among other biomass combustion groups (wildfire, woodstove, and fireplace) be made. Statistical tests for equal variance among these groups indicate that the degree to which molecular emissions vary is compound dependent. Analysis of variance testing shows significant differences in the mean values of certain n-alkane, polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH), oxy-PAH, and sugar marker compounds common to the biomass combustion types. Individual pairwise comparisons of means at the combustion group level confirm this result but suggest that apportioning airborne PM to these sources may require a more comprehensive use of the chemical emissions fingerprints. Hierarchical clustering of source test observations using molecular markers indicates agricultural fuels as distinct from other types of biomass combustion or biomass species. Rough approximations of the total potential PM2.5 emissions outputs from the combustion of the wheat and rice surface residues are given. This agricultural activity could significantly contribute to emissions inventories at regional, national, and global geographic levels.

BackgroundAlthough several cohort studies report associations between chronic exposure to fine particles (PM2.5) and mortality, few have studied the effects of chronic exposure to ultrafine (UF) particles. In addition, few studies have estimated the effects of the constituents of either PM2.5 or UF particles.MethodsWe used a statewide cohort of > 100,000 women from the California Teachers Study who were followed from 2001 through 2007. Exposure data at the residential level were provided by a chemical transport model that computed pollutant concentrations from > 900 sources in California. Besides particle mass, monthly concentrations of 11 species and 8 sources or primary particles were generated at 4-km grids. We used a Cox proportional hazards model to estimate the association between the pollutants and all-cause, cardiovascular, ischemic heart disease (IHD), and respiratory mortality.ResultsWe observed statistically significant (p < 0.05) associations of IHD with PM2.5 mass, nitrate, elemental carbon (EC), copper (Cu), and secondary organics and the sources gas- and diesel-fueled vehicles, meat cooking, and high-sulfur fuel combustion. The hazard ratio estimate of 1.19 (95% CI: 1.08, 1.31) for IHD in association with a 10-μg/m3 increase in PM2.5 is consistent with findings from the American Cancer Society cohort. We also observed significant positive associations between IHD and several UF components including EC, Cu, metals, and mobile sources.ConclusionsUsing an emissions-based model with a 4-km spatial scale, we observed significant positive associations between IHD mortality and both fine and ultrafine particle species and sources. Our results suggest that the exposure model effectively measured local exposures and facilitated the examination of the relative toxicity of particle species.CitationOstro B, Hu J, Goldberg D, Reynolds P, Hertz A, Bernstein L, Kleeman MJ. 2015. Associations of mortality with long-term exposures to fine and ultrafine particles, species and sources: results from the California Teachers Study cohort. Environ Health Perspect 123:549–556; http://dx.doi.org/10.1289/ehp.1408565

Air pollution contributes to the premature deaths of millions of people each year around the world, and air quality problems are growing in many developing nations. While past policy efforts have succeeded in reducing particulate matter and trace gases in North America and Europe, adverse health effects are found at even these lower levels of air pollution. Future policy actions will benefit from improved understanding of the interactions and health effects of different chemical species and source categories. Achieving this new understanding requires air pollution scientists and engineers to work increasingly closely with health scientists. In particular, research is needed to better understand the chemical and physical properties of complex air pollutant mixtures, and to use new observations provided by satellites, advanced in situ measurement techniques, and distributed micro monitoring networks, coupled with models, to better characterize air pollution exposure for epidemiological and toxicological research, and to better quantify the effects of specific source sectors and mitigation strategies.