Emission Factors from Urban Food Systems in a Circular City

Abstract

L'agricultura urbana (AU) promou ciutats resilients i sostenibles en proveir aliments segurs i generar beneficis ambientals, econòmics i socials. La seva aplicació varia des de sistemes interiors fins a exteriors, inclosos hivernacles integrats en terrats (iRTG) i granges verticals (VF), encara que qüestions reguladores relacionades amb la qualitat de l'aire en dificulten la implementació. En particular, l'acumulació a l'interior de compostos orgànics volàtils (COVs) planteja riscos per a la salut. Amb l'expansió de sistemes d'AU, s'espera un augment dels COVs biogènics (COVBs) emesos per les plantes, però no se sap l'impacte final a causa de la interacció de múltiples factors. Per tant, cal monitoritzar-les per comprendre les implicacions en la qualitat de l'aire i la salut humana a l'AU. Es van realitzar múltiples avaluacions en un iRTG i en un VF d'interior, amb plantes com mongeta tendra, tomàquet i alfàbrega. La dissertació té com a objectiu definir la seguretat basada en les emissions de BCOV en entorns d'AU, abordant els nivells d'emissió, els llindars de seguretat, els factors influents i els riscos potencials per a la salut. La investigació va incloure la configuració del mostreig, la recol·lecció d'emissions, l'anàlisi de dades i la validació dels resultats. Es van fer servir eines i tècniques específiques, juntament amb directrius oficials. En general, els nivells mitjans es van mantenir en el rang de ppb, assolint els seus màxims a la fase de creixement i els seus mínims cap a la fi del cultiu. A l'iRTG, la mongeta i el tomàquet van mostrar tendències similars, en les quals els monoterpens (MTs) van prevaldre inicialment, seguits pels derivats de la lipoxigenasa (LOXs) i els monoterpens oxigenats (OMTs). Menys comuns van ser els sesquiterpens (STs) i els fenilpropanoides (PHs). Al VF, els patrons d'emissió de l'alfàbrega van variar segons el tractament de llum. Un espectre blau va produir altes emissions a la fase jove del cultiu, mentre que l'espectre vermell va estimular les emissions, més baixes, a la fase madura. Van prevaldre els OMTs, seguits pels LOXs, els STs, els MTs i els PHs. Per la mateixa espècie, diferents tendències van sortir entre iRTG i VF. El llindar de seguretat es va avaluar davant dels límits oficials a l'interior (LCI), fixats per l'ACA o amb fitxes tècniques de l'ECHA. Tot i les escasses referències, cap COVB mesurat va excedir els LCIs, amb emissions mitjanes significativament més baixes. Es van observar becs aïllats, però poc rellevants. A més, a l'última fase de l'estudi es van detectar nivells més grans en ambients interiors comuns que als espais d'AU. En general, es va destacar la complexa interacció entre els factors ambientals i la biologia vegetal a les emissions de COVBs. Entre aquests, temperatura, humitat i concentració de CO2 van exercir un efecte significatiu. Si bé la radiació va tenir un impacte mínim a l'iRTG, la il·luminació artificial a la VF va influir en la concentració i perfil de les emissions. El desenvolupament morfològic del cultiu també va afectar les emissions. En aquest estudi es van aplicar diverses tècniques de mostreig de volàtils: oberts, semioberts i tancats, tant actius com passius, en temps curts o llargs. A causa de l'exercici analític es va triar el mostreig actiu en cambra estàtica. L'ús de diferents absorbents i tècniques analítiques també va donar resultats consistents, i va corroborar els resultats originals. Es van recomanar futures exploracions en altres espècies en conjunt amb diversos tractaments nutritius i factors d'exposició, així com de mètodes ulteriors i materials de mostreig per a la millora de l'estudi. A més, la investigació dels efectes positius relacionats amb els COVBs podria suportar el desenvolupament agronòmic i l'expansió de l'AU.

La agricultura urbana (AU) promueve ciudades resilientes y sostenibles al abastecer alimentos seguros y generar beneficios ambientales, económicos y sociales. Su aplicación varia desde sistemas interiores hasta exteriores, incluidos invernaderos integrados en azoteas (iRTG) y granjas verticales (VF), aunque cuestiones regulatorias relacionadas con la calidad del aire dificultan su implementación. En particular, la acumulación en interior de Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs), plantea riesgos para la salud. Con la expansión de sistemas de AU, se espera un aumento de los COVs biogénicos (BCOVs) emitidos por las plantas, pero se desconoce el impacto final debido a la interacción de múltiples factores. Por lo tanto, monitorizarlas es necesario para comprender las implicaciones en la calidad del aire y la salud humana en la AU. Se realizaron múltiples evaluaciones en un iRTG y en un VF de interior, con plantas como judía verde, tomate y albahaca. La disertación tiene como objetivo definir la seguridad basada en las emisiones de BCOV en entornos de AU, abordando los niveles de emisión, los umbrales de seguridad, los factores influyentes y los potenciales riesgos para la salud. La investigación incluyó la configuración del muestreo, la recolección de emisiones, el análisis de datos y la validación de los resultados. Se utilizaron herramientas y técnicas específicas, junto con directrices oficiales. En general, los niveles medios se mantuvieron en el rango de ppb, alcanzando sus máximos en la fase de crecimiento y sus mínimos hacia el fin del cultivo. En el iRTG, la judía y el tomate mostraron tendencias similares, en las cuales los monoterpenos (MTs) prevalieron inicialmente, seguidos por los derivados de la lipoxigenasa (LOXs) y los monoterpenos oxigenados (OMTs). Menos comunes fueron los sesquiterpenos (STs) y los fenilpropanoides (PHs). En el VF, los patrones de emisión de la albahaca variaron según el tratamiento de luz. Un espectro azul produjo altas emisiones en la fase joven del cultivo, mientras que el espectro rojo estimuló las emisiones, más bajas, en la fase madura. En promedio prevalieron los OMTs, seguidos por los LOXs, los STs, los MTs y los PHs. Por la misma especie las tendencias fueron diferentes entre iRTG y VF. El umbral de seguridad se evaluó frente a los límites oficiales en interior (LCIs), fijados por la ECA o con fichas técnicas de la ECHA. A pesar de las escasas referencias, ningún COVB medido excedió los LCIs, con emisiones medias significativamente más bajas. Se observaron picos aislados, pero poco relevantes. Además, en la última fase del estudio se detectaron niveles mayores en ambientes interiores comunes que en los espacios de AU. En general, se destacó la compleja interacción entre los factores ambientales y la biología vegetal en las emisiones de COVBs. Entre ellos, la temperatura, la humedad y la concentración de CO2 ejercieron un efecto significativo. Si bien la radiación tuvo un impacto mínimo en el iRTG, la iluminación artificial en la VF influyó en la concentración y perfil de las emisiones. El desarrollo morfológico del cultivo también afectó las emisiones. En este estudio se aplicaron varias técnicas de muestreo de volátiles: abiertos, semiabiertos y cerrados, tanto activos como pasivos, en tiempos cortos o largos. Debido al desempeño analítico se eligió el muestreo activo en cámara estática. El uso de distintas absorbentes y técnicas analíticas también arrojó resultados consistentes, y corroboró los resultados originales. Se recomendaron exploraciones futuras en otras especies en conjunto con diversos tratamientos nutritivos y factores de exposición, así como de ulteriores métodos y materiales de muestreo para la mejora del estudio. Además, la investigación de los efectos positivos relacionados con los COVBs podría suportar el desarrollo agronómico y la expansión de la AU.

Urban Agriculture (UA) is recognized for its potential to foster resilient and sustainable cities by ensuring reliable food supply and generating benefits across environmental, economic, and societal domains. UA applications range from indoor to outdoor setups, including integrated Rooftop Greenhouses (iRTGs) and Vertical Farms (VFs) but their implementation is challenging due to air quality concerns and regulatory issues. Indoor pollution accumulation, particularly of Volatile Organic Compounds (VOCs), poses health risks. With the expansion of UA installations, biogenic VOCs (BVOCs) plants-emitted are expected to increase, but their impact's prediction is difficult due to interplaying factors. Monitoring BVOC emissions is then necessary to understand their implications on air quality and human health within UA. Multiple assessments were conducted in a building iRTG and an indoor VF, involving plants like green bean, tomato, and basil. The dissertation aims to define safety based on BVOC emissions, addressing emission levels, safety thresholds, factors influencing emissions, and potential health risks in UA environments. The research comprised the sampling and post-sampling setup, field emissions collection, data analysis, and result validation. Specific tools like chambers and analytical instruments were used, along with official guidelines. The research examined BVOC emission trends in the two UA systems. BVOC levels remained within ppb on average, peaking during the initial growth phase and declining later. In the iRTG, beans and tomatoes showed similar emission trends, with monoterpenes (MTs) dominating early, followed by lipoxygenase derivatives (LOXs) and oxygenated monoterpenes (OMTs). Sesquiterpenes (STs) and phenylpropanoids (PHs) were less common. In the VF, emission patterns varied with light treatment. Blue light led to high early emissions, while red light resulted in later emissions, though fewer. OMTs were most abundant overall, followed by LOXs, STs, MTs, and PHs. Emission trends differed for basil between iRTGs and VFs. The safety of BVOC emissions was assessed by comparing concentrations against official indoor limits (LCIs) set by the ECA or detailed factsheets from the ECHA. Despite the few LCIs determined for BVOCs, none of the measured were exceeding, with average emissions significantly lower than reference LCIs. Some scattered bursts were observed but deemed non-threatening. Comparative assessments suggested higher emission exposure in common indoor environments compared to UA spaces, indicating minimal health risks from UA-related emissions. Overall, the research highlighted the complex interplay between environmental factors and plant biology in BVOC emissions. Among these, temperature, humidity, and CO2 concentration significantly affected plant emissions, with lighting playing a crucial role, especially in VF. While radiation had minimal impact in iRTG, artificial lighting in VF influenced emission quantity and blend. Plant morphology also influenced BVOC emissions, with variations observed across growth stages. Various volatile sampling techniques were applied to study BVOC emissions. Initially, open, semi-open, and closed sampling methods were tested, both active and passive, for short or long terms. Active sampling in a static enclosure was preferred based on reliability, precision, and accuracy of emissions measurement. Alternative approaches using different sorbent materials and analytical techniques yielded consistent findings, affirming the effectiveness and technical advancements in BVOC sampling. Future research could explore additional plant species utilizing alternative fertilizers and varying factors exposure, as well as new sampling methods and materials to enhance final outcomes and study application. Investigating also BVOCs positive effects may hold promise for agronomic development and UA expansion.