COMPOSTI ORGANICI IN TRACCIA NEL PM.

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1 PARTICOLATO ATMOSFERICO: DAL CAMPIONAMENTO ALL ANALISI - Padova, 28 Febbraio 2008 COMPOSTI ORGANICI IN TRACCIA NEL PM. PARTICULATE MATTER REASERCH GROUP Dipartimento di Scienze dell Ambiente e del Territorio (DISAT)- UNIMIB E. Bolzacchini, L. Ferrero, B. Ferrini, C. Lo Porto, Z. Lazzati, M.G Perrone, S. Petraccone, G. Sangiorgi

2 INTRODUZIONE

3 LA COMPOSIZIONE CHIMICA DEL PARTICOLATO ATMOSFERCO Milano, Via Messina (sito urbano). Composizione chimica media annua (dati 2002: progetto PUMI) 1% 2% IONI INORGANICI (NH 4 +, SO 4 2-, NO 3 - ): analisi cromatografia ionica IC (DISAT-UNIMIB) ELEMENTI = mineral dust (Al, SI, K, Ca; Ti) e trace elements (V, Cr, Mn, Fe, Ni, CU, Zn, Br, Pb): analisi EDX-XRF (ARPA) TC= OC+EC: analisi termogravimetrica combinata con spettrofotometro infrarosso TGA-FTR (UNIMI) 16% PM2.5 10% 16% 15% 1% 14% PM10 8% 14% 9% 11% NH4+ NO3- SO42- TC Mineral dust trace elements other 42% PM2.5 41% FRAZIONE IONICA INORG (NH 4 +, NO 3 -, SO 4 = ) 42% FRAZIONE CARBONIOSA (TC) 2% MINERAL DUST 1% ELEMENTI IN TRACCIA 16% FRAZIONE SCONOSCIUTA (es. H 2 0, ossidi, eteroatomi fraz. organica) 43% PM10 33% FRAZIONE IONICA INORG (NH4+, NO3-, SO4=) 43% FRAZIONE CARBONIOSA (TC) 9% MINERAL DUST 1% ELEMENTI IN TRACCIA 14% FRAZIONE SCONOSCIUTA (es. H 2 0, ossidi, eteroatomi fraz. organica)

4 LA FRAZIONE ORGANICA (OC) PM2.5= 30% OC 50% estraibile 50% non estraibile 30% risolto 70% non risolto 75% identificato (a livello molecolare) 25% non identificato altri diterpenoidi 5% n-alcani 8% IPA e oxo-ipa acidi a catena lineare saturi e insaturi 41% es. Idrocarburi policiclici aromatici (IPA): solo 0.01% massa totale del particolato atmosferico ma importanti dal punto di vista tossicologico acidi dicarbossilici alifatici 29% acidi policarbossilici aromatici 13% Rogge W.F., 1993: Quantification of urban organic aerosols at a molecular level: identification, abundance, and seasonal variation, Atm. Env., vol 27A, n8, pp

5 COMPOSTI ORGANICI IN TRACCIA Concentrazioni ng/m 3 ; non rilevanti come contributo alla massa totale del PM ma importanti per: Idrocarburi policiclici aromatici (IPA) EFFETTI SULLA SALUTE Idrocarburi policiclici aromatici ossidati (ossiipa) Idrocarburi policiclici aromatici nitrati (nitroipa) Composti organoclorurati (es. DDX, diossine..). SORGENTI Idrocarburi policiclici aromatici (IPA) Alcani (es. alcani lineari C12-C31) Levoglucosano. COMBUSTIONE (es. traffico) BIOGENICA COMBUSTIONE LEGNA REATTIVITA Idrocarburi policiclici aromatici ossidati (IPA) Idrocarburi policiclici aromatici nitrati (nitroipa) Fenoli e nitrofenoli SOA (secondary organic aerosol) Acidi Carbossilici. TRASPORTO Idrocarburi policiclici aromatici (IPA) Composti organocorurati (es. DDX) PERSISTENT ORGANIC POLLUTANTS (POPs)

6 IDROCARABURI POLICICLICI AROMATICI (IPA) Idrocarburi policiclici aromatici (IPA) = composti organici contenenti due o più anelli aromatici fusi (due anelli si dicono fusi quando condividono una coppia di atomi di carbonio). 16 IPA indicati come inquinanti prioritari dall EPA (Environmental Protection Agency) IPA nel PM: Obiettivo di qualità previsto dal 99/30/CE B[a]P =1 ng/m 3 media mobile giornaliera nell arco di 1 anno

7 IPA (nitroipa, ossiipa) nel PARTICOLATO ATMOSFERICO EFFETTI SULLA SALUTE IPA: più alto potere mutageno che può essere assegnato a singoli composti organici presenti in campioni di particolato atmosferico (Hanningan M.P., Cass, G.R., 1998: Env. Sci. Tec., 32, ) CLASSIFICAZIONE IARC: 2A probabile cancerogeno ; 2B possibile cancerogeno BaA BbF BkF BaP IcdP benzo[a]antracene benzo[b]fluorantene benzo[k]fluorantene benzo[a]pirene indeno[1,2,3-c,d]pirene Classificazione IARC 2A 2B 2B 2A 2B dbaha dibenzo[ah]antracene 2A nitroipa: concentrazioni atmosferiche 10 volte inferiori a IPA. 10% del potere mutageno del particolato atmosferico inalabile in aree inquinate (Atkinson R., Arey, J.,1994: Environmental Health Perspectives, 102, Suppl. 4, ) 1-nitropirene : responsabile del 3-23 % della mutagenicità del particolato derivante da emissioni diesel 1NYP 1- nitropyrene 2B ossiipa: in alcuni particolati atmosferici possono determinare un potere mutageno maggiore del B[a]P(Durant J., Mutation Research ) B[a]PD derivanti da reattività fotochimica B[a]P

8 IPA (nitroipa, ossiipa) nel PARTICOLATO ATMOSFERICO SORGENTI IPA Sorgente primaria: combustione. Importanza della sorgente traffico in area urbana nitroipa Sorgente primaria: combustione. Es. 1-nitropirene (marker traffico diesel) Sorgente secondaria: reattività IPA in fase gassosa e particolata. Es. 2-nitropirene ossiipa Sorgente primaria: combustione. Es. 9,10 antrachinone (marker traffico diesel) Sorgente secondaria: reattività IPA. Es. benzo[a]pirene dioni

9 METODICHE

10 PREPARAZIONE CAMPIONE Estrazione di particolato atmosferico in solvente organico con bagno ad ultrasuoni Ottimizzazione bagno ad ultrasuoni (Sonica, SOLTEC) M. G. Perrone et al. La Chimica e L Industria., Ottobre 2003, No 85, pg buone efficienze di estrazione da particolato - riproducibilità - tempo di estrazione ridotto (15 min) Speciale traduttore piezoelettrico, modulato ad una frequenza elevata di khz e potenza 70 W. acqua Particolato standard certificato NIST 1649a. Prove di recupero (estrazione in diclorometano; analisi GC-MS.) SIGLA IPA Media% Dev.st% FLN Fluorene PHE Fenanatrene 77 1 ANT Antracene FLNT Fluorantene 95 2 PY Pirene BaA Benzo[a]antracene Cr Crisene BbF Benzo[b]fluorantene BfK Benzo[k]fluorantene BeP Benzo[e]pirene BaP Benzo[a]pirene IcdP Indeno[1,2,3-c,d]pirene 80 4 dbaha Dibenzo[a,h]antracene BghiP Benzo[g,h,i,]perilene 97 3 n=3

11 METODICHE ANALITICHE -HPLC-RF IPA nitroipa (riduzione ad aminoipa) -GC-MS IPA nitroipa (alcani, DDX) -HPLC-MS ossiipa

12 RISULTATI

13 es. IPA RIPARTIZIONE FAS GAS/PARTICOLATO Composti organici semivolatili (SVOC): presenti in atmosfera in fase gassosa e particolata Milano, Maggio Campionamento fase particolata (PTS; filtri in fibra di quarzo) e gassosa (fiale PUF). Campionatore HV (250 l/min) 110 % IPA (f. particolata) / IPA (f. particolata + gassosa) IPA 3 anelli aromatici: < 30 % in fase particolata ACT FLN PHE ANT FLNT PY BaA CHR BbF BkF BeP BaP dbaha IcdP BghiP IPA quasi esclusivamente in fase particolata ( %) = IPA maggior interesse tossicologico (classe 2A e 2B, classificazione IARC)

14 DISTRIBUZIONE DIMENSIONALE NEL PM Concentrazione giornaliera IPA in campioni PM2.5 e PM10 (Milano) Σ-9 IPA= BaA, CHR, BeP, BbF, BkF, BaP, dbaha, BghiP, IcdP. Analsi HPLC-RF 40 [Σ-9 IPA] ng/m 3 (PM2.5) y = 0,99x R 2 = 0,98 (n=72) IPA presenti quasi esclusivamente nella frazione fine (PM2.5): [IPA] PM2,5 = % [IPA] PM [Σ-9 IPA] ng/m 3 (PM10 ) Campionamento IPA con impattore multistadio (Milano) % degli IPA in fase particolata è associata al particolato submicrometrico (PM < 0.95 mm) Σ -15 IPA (%) < dimensione particolato atmosferico (μm)

15 Area urbana (Boston) 6,12 BaPQ presente quasi esclusivamente nella frazione fine (PM2.5.5)) del particolato atmosferico, con un picco ~ 0.6 μm da: Jonathan O. Allen, 1997: Atmospheric Partitioning of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs( PAHs) ) and oxygenated PAHs, Env. Sci Tec., 33,

16 SORGENTE TRAFFICO Il traffico autoveicolare come principale sorgente di IPA in atmosfera urbana: es. 90% IPA area urbana di Copenaghen da traffico veicolare (Nielsen T., Atm. Env., 30, ) 88% BaP da sorgente veicolare a Birmingham (UK) (Harrison R.M., Env. Sc. Techn, 30, ) IPA DA SORGENTE TRAFFICO ( AREA URBANA MILANO) -campionamento tunnel autoveicolare e sito urbano a traffico intenso - trend giornaliero (ore ad intenso traffico) - fattori di emissione per gli autoveicoli in uso mediante test dinamometrici presso la Stazione Sperimentale dei combustibili (SSC)

17 SITO URBANO AD INTENSO TRAFFICO Area urbana milanese: concentrazione IPA in campioni di PM10 prelevati parallamente in sito urbano e in sito ad intenso traffico autoveicolare (circa 10 m da strada ad intenso traffico: tra palazzi alti che ostacolano libera circolazione dell aria) Aprile-Maggio 2003, MILANO. Σ10 IPA= PY, BaA, CHR, BeP, BbF, BkF, BaO, dbaha, BghiP, IcdP. Analisi HPLC-RF Σ-10 IPA (ng/m 3 ) sito urbano ad intenso traffico (MI-V.Harar) sito urbano di background (MI-V.Messina) [IPA] (ng/m 3 ) sito intenso traffico 5 volte maggiori rispetto a sito urbano 0 26/04/04 27/04/04 27/04/04 28/04/04 29/04/04 15/05/04 16/05/04 16/05/04 17/05/04 17/05/04 17/05/04 17/05/04 18/05/04 18/05/04 18/05/04 18/05/04 19/05/04 19/05/04 19/05/04 20/05/ data (n campionamento) Contenuto IPA in campioni PM10 = 2 volte superiore per sito ad intenso traffico (es. valore medio: 94 ng/mg rispetto a 43 ng/mg)

18 TREND GIORNALIERO IPA Campionamento PM2.5, frequenza 4h (00-08, 08-12, 12-16, 16-20, 20-24), sito urbano (Via Messina, Milano). Campagne di misura mesi invernali, giorni feriali (Dic 2001; Gen-Feb 2003) Contenuto IPA nel particolato atmosferico urbano (ng/mg) e traffico autoveicolare Σ-9 IPABaA, CHR, BeP, BbF, BkF, BaP, dbaha, BghiP, IcdP. AnalisiHPLC-RF. 700 IPA (ng/mg PM2,5) 600 traffico pesante traffico totale IPA (ng/mg); traffico pesante (n vehicles/4h) massimo relativo del contenuto IPA nel particolato atmosferico (IPA ng/mg PM2,5 ) fascia oraria : massima intensità traffico pesante (> 7 m; traffico diesel) traffico totale (n vehicles/4h) IPA (ng/mg); traffico pesante (n vehicles/4h) 18/12/01 19/12/01 20/12/01 IPA (ng/mg PM2,5) traffico pesante traffico totale traffico totale (n vehicles/4h) 27/01/03 Mond.. 29/01/03 Wed.. 07/02/03 Fri. DATI TRAFFICO: rilevamento intenstà traffico: n veicoli / h (V. Senato, V. Stephenson e V. Eginardo) (ARPA)

19 FATTORI DI EMISSIONE AUTOVEICOLARI Stazione Sperimentale dei Combustibili (S. Donato Milanese, MI) Campionamento PM10 con sistema gravimetrico in condizioni isocinetiche. Selezionatore ciclone 10 μm; filtri in Teflon ( 45 mm) PROGETTO PUMI Tunnel di diluizione (diluizione 1:\10 gas di scarico) Veicolo su banco a rulli (diversi cicli di guida) AUTOVEICOLI diesel e benzina a diverso livello di omologazione Veicolo Fiat Punto TD Alfa Romeo JTD Alfa Romeo JTD Fiat Ducato 14 (van) Fiat Stilo 1.6 Fiat Tipo 1.4 omologazione EURO I EURO II EURO III EURO II Euro IV EURO I combustibile* diesel diesel diesel diesel benzina benzina convertitore catalitico NO SI SI SI SI NO Cicli di guida Condizioni di guida TI UDC (ECE) EUDC tempo (s) velocità media (Km/h) velocità max. (Km/h) km *Testati diversi combustibili diesel a diverso contenuto S (G1= 240 mg/kg S; G2= 50 mg/kg S; G3=10 mg/kg S

20 Fattori di emissione IPA (μg/km) IPA in campioni PM10: analisihplc-rf. Σ-10 IPA= PY, BaA, CHR, BeP, BbF, BkF, BaP, dbaha, BghiP, IcdP Σ-10IPA μg/km diesel diesel diesel diesel gasoline gasoline EURO I EURO II EURO II EURO III EURO I EUROIV (PUNTO) (AR156) DUCATO (AR147) (TIPO) (STILO) PM10 mg/km Veicoli con convertitore catalitico emissioni IPA inferiori 8-10 volte rispetto veicoli EURO I (no catalizzatore) Veicoli diesel emissioni IPA oltre 5 volte superiori dei veicoli a benzina Profilo emissione singoli IPA: veicoli diesel IPA leggeri; veicoli benzina IPA ad alto peso molecolare (es. BghiP) BghiP come marker veicoli a benzina (Khalili, N.R.; Atmospheric Environment 29, ) (Kamens, M., Atmospheric Environment 27A, ) IcdP/(BghiP+IcdP) PAH/Σ-10 PAH diesel (n=30) gasoline (n=6) < det. lim PY BaA CHR BeP BbF BkF BaP dbaha BghiP IcdP

21 PROGETTO PARFIL FURGONI (tipo commerciali) diesel a diverso livello di omologazione VEHICLE A B C D Model Nissan Fiat Scudo Fiat Scudo Ford Transit Vanette S Van Homologation Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Kilometer 9, ,500 21,600 9,000 Capacity (cc) IPA in campioni PM10: analisi GC-MS. Σ-14 IPA= PHE, ANT, FLNT, PY, BaA, CHR, BeP, BbF, BjF, BkF, BaP, dbaha, BghiP, IcdP PAHs (ug)/km WARM COLD Influenza del livello omologativo dei veicoli sui fattori di emissione IPA EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4

22 CONCENTRAZIONI RELATIVE SINGOLI IPA Milano, area urbana [PAH]/Σ -8[PAH] Studio delle sorgenti -Reattività background urban air Sito urbano Sito urbano ad intenso traffico Sorgente veicolare (tunnel stradale) kerbisde urban site vehicular source (road traffic tunnel) PY BaA CHR BbF BkF BaP BghiP IcdP PROFILO DI SORGENTE

23 RAPPORTI DIAGNOSTICI IPA Milano, area urbana Ratio Values Marker Reference BaP/BghiP >0.6 =fresh traffic source SOURCE Schauer C., 2003 Milan (our work) YEAR 0.86 ( ) Milan (our work) SPRING- SUMMER 0.84 ( ) Milan (our work) WINTER 0.92 ( ) BaP/BFAs Lower values: higher BaP photodegradation REACTIVITY Menichini E., ( ) 0.51 ( ) 0.65 ( ) BaP/IcdP Lower values: higher BaP photodegradation REACTIVITY Menichini E., ( ) 0.73 ( ) 0.84 ( ) BaP/BaA Stable values: both of them are instable for photochemistry REACTIVITY Menichini E., ( ) 2.04 ( ) 2.10 ( )

24 Milano, area urbana Σ9-IPA (ng/m 3 ) lug-01 set-01 nov-01 IPA IN AREA URBANA: STAGIONALITA IPA in campioni PM10: analisihplc-rf. Σ-9 IPA= BaA, CHR, BeP, BbF, BkF, BaP, dbaha, BghiP, IcdP Forte stagionalità delle 70 [IPA] in area urbana 60 PM2,5 milanese gen-02 mar-02 mag-02 lug-02 set-02 nov-02 gen-03 mar-03 BaP (PM2.5) anno (2002) autunno.- inverno primavera -estate Contenuto IPA nel PM (ng/μg) media ng/m Campioni PM2.5 invernali con contenuto IPA (ng/μg) 10 volte maggiore rispetto a campioni estivi: -Sorgenti - Reattività -9 PAHs (ng/ g) in PM2,5 samples 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Jan Feb March April May June July Agust Sept Oct Nov Dec

25 Milano, area urbana 1-NITROPIRENE 0,100 concentrazione(ng/m3) 0,090 0,080 0,070 0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 0, gen giov 13-feb mer 3-mar dom 27-mar mer 10-apr mer 25-apr gio giorni 26-mag dom 13-giu gio 23-giu dom 11-lug gio 11-ago dom Inquinante primario, marker traffico diesel [1NYP] circa 10 volte inferiori rispetto a IPA, ma importante per effetti tossicologici Trend stagionale concentrazioni: ng/m 3 mesi invernali (Gennaio-Marzo) ng/m 3 nei mesi estivi (Giugno-Agosto)

26 1.6-Benzo(a)pyrene-dione (1.6-BPQ) 3.6-Benzo(a)pyrene-dione (3.6-BPQ) Benzo(a)pyrene-dione (6.12-BPQ) REATTIVITA FOTOCHIMICA IPA Benzo[a]pirene quinoni (BaPQ), come principali prodotti della reattività ossidativa in fase particolata del benzo[a]pirene (BaP) Prodotti dalla reazione in fase particolata tra O 3 e Benzo[a]pirene Milano; estate Campionamento PM10 in area urbana (Torre Sarca); campionatore altovolume (1 m 3 /h) [BaPQ] :0,041 ng/m 3 [BaP] :0,030 ng/m 3 Analisi IPA (HPLC-RF) e ossiipa (HPLC-MS) BaPQ 0.10 BaP diurno notturno diurno diurno notturno notturno Concentrazione ng/m giu giu 19-lug lug lug lug

27 MUTAGENICITA IPA B[a]P : riconosciuto cancerogeno per gli animali e possibile canceroceno per l uomo (IARC, classe 2a) ed è l unico della sua classe di composti i cui livelli siano regolati da normativa. B[a]P scelto come composto modello per studiare il danno genotossico associato all esposizione a particolato atmosferico. GSH conjugation GST B(a)P P-450 HO O OR meh HO O OH P-450 Via metabolica che porta alla formazione del composto con il più alto potere cancerogeno: iniziale ossidazione P450 dipendente a BaP 7,8 epossido con successiva formazione di BaP 7,8 diidrodiolo e conversione a BPDE che costituisce l isomero metabolicamente predominante. HO HO OH OH BPDE adduct R = DNA, Hb or SA anti-bpde

28 ADDOTTO BPDE-DNA Tesi di laurea Donatella Carpi, 2001, DISAT-UNIMIB: IPA e nitroipa nel particolato atmosferico urbano milanese: aspetti quantitativi e danno molecolare. L effetto cancerogeno del BaP é principalmente legato alla formazione del legame covalente tra BPDE e DNA (addotto BPDE-DNA). Se questa modificazione non viene riparata, può dare origine a mutazioni che costituiscono l evento iniziale del processo di cancerogenesi. DNA N N HO O N guanina N N H H ADDOTTO DNA Per una valutazione del danno che il BaP rilasciato dal PM può recare a livello delle vie respiratorie, la formazione di BPDE-DNA é stata studiata in vitro con la linea cellulare umana A549 HO OH Cellule A549: linea cellulare derivante da carcinoma broncoalveolare umano.

29 QUANTIFICAZIONE DEL DANNO MOLECOLARE Il numero di addotti trovati è proporzionale alla dose di B[a]P cui le cellule sono state esposte addotti BPDE-DNA Log fmol BPT/µg DNA La dose minore di B[a]P è comparabile alla quantità media di B[a]P su filtri PM2.5 invernali dell area urbana milanese B(a)P µm

30 EFFETTI TOSSICOLOGICI PM Valutazione degli effetti biologici del particolato atmosferico sulla salute umana Riduzione della vitalità cellulare per i campioni PM2.5 invernali A parità di esposizione a [PM2.5] invernale ed estivo si ha una diversa risposta tossicologica: da ricollegarsi a stagionalità composizione chimica (es. IPA? ) n of cells n of cells Milano, area urbana (Torre Sarca) 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 PM 2,5 Winter 0,00 Viable Necrotic Apoptotic Mithotic Mit/Ap class C 1µg/cm2 10µg/cm2 25µg/cm2 50µg/cm2 PM 2,5 Summer 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Viable Necrotic Apoptotic Mithotic Mit/Ap class C 1µg/cm2 10µg/cm2 25µg/cm2 50µg/cm2 Ref. Gruppo di Biologia Cellulare Applicata; UNIMIB-DISAT; prof.ssa M.Camatini Test in vitro. Cellule BEAS (epitelio bronchiale) Indice di effetto mutageno

31 EFFETTI TOSSICOLOGICI PM Cellule sane Cellula in necrosi (per rottura della membrana) Cellula in apoptosi (morte per danno al DNA) Ref. Gruppo di Biologia Cellulare Applicata; UNIMIB-DISAT; prof.ssa M.Camatini

32 CONCLUSIONI Idrocarburi policiclici aromatici nel particolato atmosferico per : - studio delle sorgenti - effetti tossicologici del PM Campo di ricerca aperto per una caratterizzazione sempre più approfondita dei composti organici in traccia nel particolato atmosferico

33 GRAZIE