Effects of air pollution changes on mortality during the COVID-19 lockdowns

Marb, Anne (2026): Effects of air pollution changes on mortality during the COVID-19 lockdowns. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine

Abstract

Background: In early 2020, countries around the globe implemented extensive preventive policies (e.g., lockdowns) to control the spread of the COVID-19 pandemic. These unprecedented public health interventions resulted in significant decreases in air pollution emissions, offering an opportunity to evaluate how improved air quality impacted human health. Therefore, this cumulative thesis aims to analyze the relationships between day-to-day variations in nitrogen dioxide (NO2), ambient particulate matter with an aerodynamic diameter of ≤2.5 μm (PM2.5) and (cause-specific) mortality rates before the lockdown, quantify the changes in the air pollutant levels due to the lockdowns, and finally estimate the changes in mortality linked to these shifts in air quality. Methods: The thesis focused on four regions that enacted lockdowns in early 2020 but experienced minimal impact from the pandemic: the State of California in the United States; Jiangsu Province in China; the Federal Republic of Germany; and Central-Southern Italy. Daily (cause-specific) mortality data were collected from official registries, while daily levels of NO2 and PM2.5 were obtained from spatiotemporal models and air quality monitoring sites for the years 2015 to 2020. The associations between these exposures and (cause-specific) mortality from 2015 to 2019 were estimated using causal interactive fixed-effects models controlling for observed and unobserved spatiotemporal confounders. To control for meteorological influences and temporal trends in air pollution, a so-called ‘meteorological normalization technique’ based on machine-learning predictive algorithms and a difference-in-differences approach were applied to assess variations in NO2 and PM2.5 levels resulting from lockdown measures. A health impact assessment was conducted to quantify the difference in mortality attributable to altered pollutant levels resulting from the lockdown. Results: Elevated day-to-day variations in NO2 and PM2.5 levels were related to higher daily (cause-specific) mortality rates across the four regions under study before the pandemic. During the early 2020 COVID-19 lockdowns, notable reductions in the two air pollutants, NO2 and PM2.5, were found in Jiangsu, Central-Southern Italy, and California, with NO2 reductions being more pronounced than those of PM2.5. Conversely, in Germany, no significant decline in NO2 and a slight increase in PM2.5 were observed. Considerable mortality benefits from reductions in air pollution induced by the COVID-19 lockdowns were observed in California, Central-Southern Italy, and Jiangsu, with more pronounced benefits for NO2 than for PM2.5. In contrast, findings for Germany indicated a higher PM2.5-attributable mortality burden, with NO2 changes showing no significant impact on mortality. Conclusion: This cumulative thesis adds to the evidence that links acute exposures to ambient NO2 and PM2.5 to elevated (cause-specific) mortality rates. The results show that COVID-19 lockdowns generally improved air quality in the regions studied, which were only mildly affected by the pandemic, leading to health benefits, particularly through reductions in NO₂, with notable heterogeneity across regions. The varying impacts on mortality across regions emphasize the need to consider local conditions when adapting emission control strategies, with policies tailored to regional characteristics to improve air quality and health outcomes.

Abstract

Hintergrund: Zu Beginn des Jahres 2020 wurden weltweit umfangreiche Maßnahmen eingeführt, um die Ausbreitung der COVID-19-Pandemie einzudämmen. Diese beispiellosen Maßnahmen im Bereich der öffentlichen Gesundheit führten zu erheblichen Verringerungen der Luftschadstoffemissionen und bieten eine einzigartige Gelegenheit, die Auswirkungen von lockdownbedingten Änderungen der Luftqualität auf die menschliche Gesundheit zu untersuchen. Ziel dieser kumulativen Dissertation ist daher, die Zusammenhänge zwischen der Kurzzeitexposition gegenüber Außenluftverschmutzung und der Gesamtmortalität sowie der ursachenspezifischen Mortalität vor dem Lockdown zu analysieren, die Veränderungen der Luftverschmutzungskonzentrationen infolge der COVID-19-Lockdowns zu bestimmen und schließlich die Auswirkungen der lockdownbedingten Änderungen in der Luftverschmutzung auf die Mortalität zu untersuchen. Methoden: Vier Regionen, die Anfang 2020 COVID-19 Lockdown-Maßnahmen ergriffen haben, aber von der Pandemie selbst nicht stark betroffen waren, wurden ausgewählt: Kalifornien, Vereinigte Staaten; die Provinz Jiangsu, China; Deutschland sowie Mittel- und Süditalien. Mortalitätsdaten wurden offiziellen Registern entnommen. Die Daten zu den Luftschadstoffkonzentrationen von Stickstoffdioxid (NO2) und Feinstaub mit einem Durchmesser ≤2.5 μm (PM2.5) stammen von räumlich-zeitlichen Modellen sowie von Messstationen für die Jahre 2015 bis 2020. Der Zusammenhang zwischen der Kurzzeitexposition gegenüber NO2 und PM2.5 und der Sterblichkeit für die Jahre 2015 bis 2019 wurde mittels kausalen ‚Interactive fixed-effects‘ Modellen bestimmt, die sowohl für gemessene als auch nicht gemessene räumlich-zeitliche Störgrößen adjustieren. Um meteorologische Einflüsse und zeitliche Trends bei der Berechnung der lockdownbedingten Veränderungen der NO₂- und PM2.5-Konzentrationen zu berücksichtigen, wurden ein auf maschinellem Lernen basierendes Normalisierungsverfahren sowie ein ‚Difference-in-differences‘-Ansatz angewendet. Ein ‚Health impact assessment‘ wurde durchgeführt, um die Auswirkungen der lockdownbedingten Änderungen der Luftverschmutzung auf die Mortalität zu berechnen. Ergebnisse: Vor der Pandemie führten kurzzeitige Anstiege der NO2- und PM2.5-Konzentrationen zu Anstiegen der täglichen Gesamtmortalität und ursachenspezifischen Mortalität in allen vier Studienregionen. Während des Lockdowns im Frühjahr 2020 konnten erhebliche, lockdownbedingte Verbesserungen in der Luftqualität in Kalifornien, Jiangsu, sowie Mittel- und Süditalien festgestellt werden. Besonders deutlich war der Rückgang der NO₂- im Vergleich zu den PM2.5-Konzentrationen. In Deutschland hingegen war kein signifikanter Rückgang der NO₂-Konzentrationen zu verzeichnen. Die PM2.5-Konzentrationen stiegen sogar leicht an. Positive Auswirkungen der verbesserten Luftqualität auf die Mortalität waren in Kalifornien, Jiangsu sowie Mittel- und Süditalien zu beobachten, wobei der Rückgang von NO₂ größere gesundheitliche Vorteile mit sich brachte als die Verringerung von PM2.5. Im Gegensatz dazu wiesen die Ergebnisse für Deutschland auf einen Anstieg der durch PM2.5 bedingten Mortalitätslast hin, während Veränderungen der NO₂-Konzentrationen keinen nennenswerten Einfluss auf die Mortalität zeigten. Schlussfolgerung: Diese kumulative Dissertation trägt zur zunehmenden Evidenz bei, die auf einen Zusammenhang zwischen der Kurzzeitexposition gegenüber NO2 und PM2.5 und einem Anstieg der Gesamtmortalität sowie ursachenspezifischen Mortalität hindeutet. Die Ergebnisse zeigen, dass COVID-19-Lockdowns die Luftqualität in den untersuchten Regionen, die nur schwach von der Pandemie betroffen waren, im Allgemeinen verbesserten. Dies führte zu positiven Auswirkungen auf die Gesundheit, insbesondere durch den Rückgang von NO₂, wobei deutliche Unterschiede zwischen den Regionen zu beobachten waren. Die unterschiedlichen Auswirkungen auf die Mortalität in den verschiedenen Regionen verdeutlichen die Notwendigkeit, die lokalen Gegebenheiten bei der Anpassung von Emissionskontrollstrategien zu berücksichtigen. Politische Maßnahmen sollten an regionale Besonderheiten angepasst werden, um die Luftqualität zu verbessern und die negativen Auswirkungen auf die Gesundheit zu verringern.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Keywords: Epidemiology, Air pollution, COVID-19, Lockdown, Mortality
• Subjects: 600 Technology, Medicine; 600 Technology, Medicine > 610 Medical sciences and medicine
• Faculties: Faculty of Medicine
• Language: English
• Date of oral examination: 8. January 2026
• 1. Referee: Peters, Annette
• Signature of the printed copy: 0700/UMD 22800