Znečištění přízemního ovzduší prachovými částicemi a metody jeho sledování v lokálních souvislostech

Fakulta životního prostředí, ČZU v Praze

Údaje dokumentující úroveň znečištění ovzduší v České republice naměřené v posledních dvou dekádách (ČHMÚ 2000-2022) jednoznačně vypovídají o tom, že mezi nejproblematičtější znečišťující látky, jejíchž koncentrace v přízemním ovzduší často překračují stanovené imisní limity, patří prachové částice PM₁₀, PM_2.5. Tyto suspendované částice emitované ze spalovacích procesů navíc na rozdíl od ostatních plynných polutantů nereprezentují pouze jednu chemickou látku, nýbrž obsahují celé spektrum různých složek s vyšší či nižší mírou toxicity (Feretti et al. 2019), které jsou bohatě zastoupeny zejména na složitě strukturovaném povrchu těchto částic (Rodriguez, et al. 2019, Liu et al. 2017) - viz Obr. 1.

Vdechování prachových částic jemných frakcí, zejména PM_2.5 a menších pak reprezentuje zdravotní riziko odpovídající toxicitě látek převážně fixovaných na jejich povrchu. Mezi nejrizikovější chemické sloučeniny vnášené do organizmu při vdechování prachových částic ze spalování patří zejména polycyklické aromatické uhlovodíky, jmenovitě pak hojně se vyskytující benzo(a)pyren (Holoubek 1996), který je prokazatelně silně karcinogenní a mutagenní. Další skupinou látek, která je vdechována a šířena do prostředí prostřednictvím prachových částic, jsou toxické kovy a metaloidy (Samara and Voutsa 2005, Zhou et al. 2014 a mnoho dalších). Tyto prvky jsou obsaženy v partikulární hmotě různého původu, ne vždy jde o produkty spalovacích procesů. V případě emisí z automobilové dopravy je nutno počítat i s menším podílem prachových částic souvisejícím s otěrem provozních třecích ploch (brzdy, spojka), pneumatik, povrchu vozovky apod. (Manoli et al. 2002).

Měření koncentrace prachových částic, resp. jejich jednotlivých velikostních frakcí v přízemním ovzduší je založeno na jejich zachytávání na membráně s otvory definované velikosti, přes kterou proudí nasávaný vzduch. Kvantita, tj. hmotnost částic kumulovaných ze známého objemu vzorkovaného vzduchu může být vyhodnocována kontinuálně na principu záchytu beta záření prostupujícího vrstvou partikulární hmoty aktuálně nahromaděné na membráně (viz obr.2) nebo automaticky vážena pomocí instalovaných mikrováh. U kontinuálního měření (síť AIM provozovaná ČHMÚ) je membrána v podobě pásky, která se průběžně posouvá a zajišťuje tak přesné odměření kumulované kvantity prachových částic odpovídající protečení definovaného objemu vzduchu (viz obr.2). Kvalita, tedy chemické složení prachových částic, zejména pak obsah výše zmiňovaných látek s vysokou mírou toxicity může být vyhodnocována následně laboratorní analýzou partikulární hmoty kumulované na membráně. Lze shrnout, že přímé metody vzorkování prachových částic z nasávaného vzduchu poskytují exaktní informace o imisní zátěži přízemního ovzduší tímto typem polutantů reprezentované kontinuálně měřenými hodnotami imisních koncentrací, nicméně vyžadují relativně náročné přístrojové zázemí a prakticky se realizují jako síť měřících kontejnerů (provozovaná ČHMÚ a dalšími subjekty) rozmístěných ve vybraných imisně exponovaných lokalitách.

Z hlediska současných požadavků na informace o kvalitě ovzduší však často vyvstává potřeba vyhodnotit konkrétní imisní zátěž prachovými částicemi v různých zájmových lokalitách ležících mimo dosah měřících míst provozované sítě imisního monitoringu. Zde se nabízí využití metod nepřímých založených na vyhodnocování míry depozice prachových částic, které ulpívají na listech rostlin a v delším časovém horizontu ovlivňují chemické charakteristiky půdy. Tyto přístupy jsou typicky využívány pro posuzování vlivu automobilové dopravy z hlediska depozice toxických kovů v okolí různě zatížených komunikací. Řada publikovaných prací na toto téma je zaměřena na vyhodnocování obsahu potenciálně toxických prvků v půdě a prachu v okolí dopravních komunikací (Duong and Lee, 2011, Faiz et al., 2009, Christoforidis and Stamatis, 2009, Wei et al., 2010 a mnoho dalších). Jiný typ výzkumných prací využívá pro sledování zátěže toxickými kovy vzorky rostlin a listů stromů z blízkého okolí silnic (viz obr.3). Z hlediska vyhodnocování aktuální úrovně depozice prachových částic jsou publikovány postupy založené na efektivním oplachu, resp. extrakci povrchu listů a chemických analýzách získaného extraktu (Mori et al. 2015, Simon et al. 2011, Tomasevic et al. 2005).

K tomuto typu metod se řadí i postup extrakce povrchu odebraných listů rostlin (zejména některých druhů trav) zředěnou kyselinou dusičnou přímo v odběrové láhvi (viz obr.4), který byl vyvinut na Fakultě Životního Prostředí ČZU (Vachová et al. 2017) jako jednoduchá a levná alternativa k přístrojově náročným postupům měření koncentrací toxických kovů a metaloidů v přízemním ovzduší, která je vhodná zejména pro nepřímé vyhodnocování vlivu automobilové dopravy. Metoda je navržena jako jednoduchý postup minimalizující manipulaci se vzorkem. V laboratoři se k odebranému (a zváženému) rostlinnému vzorku přileje do vzorkovnice 100 ml zředěné kyseliny dusičné. Vzorek je následně extrahován ručním nebo strojovým třepáním po dobu nejméně 6 min. Sledované toxické kovy obsažené v prachových částicích jsou v kyselém prostředí převedeny do roztoku. Průběh vymývání částic z povrchu listů odebrané trávy sledovaný pod mikroskopem je znázorněn na obr. 5. Po filtraci je extrakt připraven k prvkové analýze - stanovení toxických prvků (viz obr. 6.). Příklad výsledků vyjadřujících obsahy Zn, Cu, Pb, Cd (v mg/kg suchého rostlinného materiálu) extrahované z listů dvou druhů trav odebraných v různých vzdálenostech od dopravně zatížené komunikace ukazuje obr. 7. Jako kontaminovaný vzorek jsou nejčastěji využívány druhy trav s hojným výskytem - např. třtina křovištní.

Nepřímé metody založené na vyhodnocování dlouhodobějšího spadu prachových částic v okolí zdrojů neumožňují měřit aktuální koncentrace těchto látek v přízemním ovzduší a porovnávat je s imisními limity. Pro lokalitu, kde je odběr vzorků trav prováděn, však poskytují informace o dlouhodobější úrovni znečištění ovzduší prachovými částicemi a toxickými látkami, které jsou v nich obsaženy. Je-li odebírána třtina křovištní (nebo obdobný typ trávy), odpovídá množství prachových částic kumulovaných na jejích listech depozici trvající od počátku jejího vegetačního období. Provedený výzkum prokázal, že prachové částice jsou na listech fixovány a nesmývají se dešťovými srážkami.

Konkrétní míra takto nepřímo zjištěného znečištění pak může být vyhodnocena jako relativní prostřednictvím porovnání výsledků (viz obr. 7) z různě imisně exponovaných lokalit.

Text vznikl díky projektu Lokální kvalita ovzduší - věc veřejná, podpořeného Norskem prostřednictvím Norských fondů, jehož cílem je zvýšit povědomí obyvatel o této problematice.

ČHMÚ, Úsek kvality ovzduší: Znečištění ovzduší a atmosférická depozice v datech, Česká republika, tabelární ročenky 2000 - 2022 https://www.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/isko/tab_roc/tab_roc_CZ.html

Duong, T.T.T., Lee, B.K., 2011. Determining contamination level of heavy metals in road dust from busy traffic areas with different characteristics. Journal of Environmental Management 92, 554-562. doi:10.1016/j.jenvman.2010.09.010

Faiz, Y., Tufail, M., Javed, M.T., Chaudhry, M.M., Naila-Siddique, 2009. Road dust pollution of Cd, Cu, Ni, Pb and Zn along Islamabad Expressway, Pakistan. Microchemical Journal 92, 186-192. doi:10.1016/j.microc.2009.03.009

Feretti D., R. Pedrazzani, E. Ceretti, M. Dal Grande, I. Zerbini, G.C.V. Viola, U. Gelatti, F. Donato, C. Zani, "Risk is in the air": polycyclic aromatic hydrocarbons, metals and mutagenicity of atmospheric particulate matter in a town of northern Italy (Respira study) Mutat. Res. Toxicol. Environ. Mutagen., 842 (2019), pp. 35-49, 10.1016/j.mrgentox.2018.11.002

Holoubek I. Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAHs) v prostředí. Český ekologický ústav, Praha 1996, ISBN: 80-85087-44-8

Christoforidis, A., Stamatis, N., 2009. Heavy metal contamination in street dust and roadside soil along the major national road in Kavala's region, Greece. Geoderma 151, 257-263. doi:10.1016/j.geoderma.2009.04.016

Kermenidou, M., Balcells, Ll, Martinez-Boubeta, C., Chatziavramidis, A., Konstantinidis, I., Samaras, T., Sarigiannis, D., Simeonidis, K., 2021. Magnetic nanoparticles: an indicator of health risks related to anthropogenic airborne particulate matter. Environ. Pollut. 271, 116309. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116309.

Liu, L., Kong, S., Zhang, Y. et al. Morphology, composition, and mixing state of primary particles from combustion sources ? crop residue, wood, and solid waste. Sci Rep 7, 5047 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-05357-2

Manoli E., Voutsa D., Samara C. Chemical characterization and source identification/apportionment of fine and coarse air particles in Thessaloniki, Greece. Atmos. Environ., 36 (2002), pp. 949-961, 10.1016/S1352-2310(01)00486-1

Mori, J., Hanslin, H.M., Burchi, G., S?b?, A., 2015a. Particulate matter and element accumulation on coniferous trees at different distances from a highway. Urban Forestry & Urban Greening 14, 170-177. doi:10.1016/j.ufug.2014.09.005

Rodriguez, M.G., Heredia Rivera, B., Rodriguez Heredia, M. et al. A study of dust airborne particles collected by vehicular traffic from the atmosphere of southern megalopolis Mexico City. Environ Syst Res 8, 16 (2019). https://doi.org/10.1186/s40068-019-0143-3

Samara C., Voutsa D. Size distribution of airborne particulate matter and associated heavy metals in the roadside environment. Chemosphere, 59 (2005), pp. 1197-1206, 10.1016/j.chemosphere.2004.11.061

Simon, E., Braun, M., Vidic, A., Bogyó, D., Fábián, I., Tóthmérész, B., 2011. Air pollution assessment based on elemental concentration of leaves tissue and foliage dust along an urbanization gradient in Vienna. Environmental Pollution 159, 1229-1233. doi:10.1016/j.envpol.2011.01.034

Tomašević, M., Vukmirović, Z., Rajšić, S., Tasić, M., Stevanović, B., 2005. Characterization of trace metal particles deposited on some deciduous tree leaves in an urban area. Chemosphere 61, 753-760. doi:10.1016/j.chemosphere.2005.03.077

Vachová, P., Vach, M. Najnarová, E., 2017. Using expansive grasses for monitoring heavy metal pollution in the vicinity of roads. Environmental Pollution 229, 94-101. doi:10.1016/j.envpol.2017.05.069

Wei, B., Jiang, F., Li, X., Mu, S., 2010. Contamination levels assessment of potential toxic metals in road dust deposited in different types of urban environment. Environmental Earth Sciences 61, 1187-1196. doi:10.1007/s12665-009-0441-6