Trรกfico y Calidad del Aire
Constantinos Sioutas Sc Sc.D. D Fred Champion Professor University of Southern California Department of Civil and Environmental Engineering Los Angeles Angeles, CA
Huesca, 20 Septiembre, 2012
Esquema •
Propiedades Físicas, Químicas y Toxicológicas de la Materia particulada p cu d ((PM)) de lass Fuentes ue es asociadas soc d s al Tráfico co • Siguiendo 3 pasos principales de la evolución atmosférica de desde el punto de emisión hasta el envejecimiento atmosférico • Énfasis en los compuestos Semi-Volátiles Semi Volátiles del PM • Efectos sobre la Salud de la PM Primaria ((semi-volátiles y refractarios) y Secundaria - Estudios in vitro (celular y molecular) - Estudios In vivo (estudios sobre animales) - Estudios epidemiológicos con paneles • Prospecciones e ideas para el Futuro
Investigación en Contaminación del Aire en la Megaurbe g de Los Angeles g (EEUU)( ) The Southern California Particle Center (SCPC) Patrocinadores: - US EPA STAR Program (PM Center and Supersite) - California Air Resources Board (CARB) - National Institutes of Health (NIH) - South Coast Air Quality Management District (AQMD)
- 9 millones de conductores a diario - 500,000 camiones diesel - 5o aeropuerto del mundo - El puerto marítimo más grande en EEUU (tráfico de camiones, traslado de mercancías a todo el país) - 1 de cada 18 ciudadanos de los EEUU vive aquí
1. Fuentes de Emisión de Contaminantes • Tráfico, Autovías, Puertos, Centrales Térmicas • Mezcla de PM no volátil, Compuestos Orgánicos Semi-Volátiles (PM y fase vapor), Compuestos Orgánicos Volátiles y gases primarios
2. Dilución Atmosférica • Transformación de Fase • Volatilización de SVOC primarios y transformación de fase particulada a fase gas
3. Envejecimiento Atmosférico y Reacciones Fotoquímicas • Reacciones Fotoquímicas de SVOC en fase f gas con O3 y gases oxidantes id • Formación de Aerosoles Secundarios Orgánicos (SOA)
Dilución Atmosférica
Formación de aerosoles secundarios
hv + O3, HO.
Emisiones
Partículas primarias PM no volátil Especies orgánicas semi-volátiles (S OC) y Volátiles ((VOC) (SVOC) OC) de la PM Partículas secundarias
La fecha muestra la direcci贸n de viento predominante
3.4 µg/m3
2.5 µg/m3
Emisiones 8 %
4 %
1 % 6 %
3.7 µg/m3 Fondo
Dilution Dilución
4 % 2 %
28 %
7 %
Aerosoles Secundarios
Dilución + Fotoquímica q 8 %
7 %
11 %
2 %
1 % 2 %
15 %
8 %
14 % 54 %
EC Nitrate Ammonium Others
45 %
8% 8 %
OC Sulfate Trace elements
65 %
10 1
ppm (CO), pp pb (O3)
100
CO
Ozone
0.1
Freeways
Urban Background
Secondary PM
Ref.: Ntziachristos et al Atmos Environ 2007; Ning et al. ES&T 2007; Verma et al. Atmos Environ 2009, Sardar et al, JGR 2005
Concentraciones decrecientes de PM al alejarnos de las autovías más acentuadas para las partículas más finas debido a la dilución + volatilización Zhu et al, Atmos E i Environ, 2001
Debido a su carácter semi-volátil, las UFP (Partículas ultrafinas) se pueden d fi i operativamentedefinir i representan vapores super saturados d que condensan d durante el enfriamiento del la emisión
Datos Usados por la Legislación del Estado de California, California Senate Bill 25 (ubicación de escuelas con respecto a vías de tráfico)
Número y Volumen De PM que persisten tras calentamiento a CA-110 e I-710
- Las partículas del Diesel en general menos volátiles que las de Gasolina - Las partículas más pequeñas dentro del rango UltraFino (UF) son las más volátiles
1. Toxicidad de la PM De las Emisiones Primarias (Directas) Tendencias en las Emisiones de PM de Camiones Pesados N Nuevos vs Antiguos A i e implicaciones sobre la toxicidad de la PM
Emisiones de PM de las Tecnologías Modernas 4 vehículos, 7 configuraciones, 3 ciclos de circulación Vehículo
Post-tratamiento NA
Abreviatura Base
Veh#1 CRT®
1998 Cummins Diesel , millas,, 11L,, 360,000 VEHÍCULO BASE
V-SCRT®*
Z-SCRT®*
• Los sistemas SCRT® usados en este proyecto son prototipos, no equipos comerciales. Biswas et al ES&T 2009
Factores de Número de Partículas vs Factores de Emisión Másicos (EF) de Camiones Diesel Antiguos y Modernos Fa actores d de Emisiión Másiicos (mg g/km)
1000
Al reducirse la masa de PM podemos ver un • claro Withincremento the reductionenofel número de mass EF, we seea la nucleación de los partículas debido enhancement ofsemi-volátiles number vapores orgánicos EF
Línea Base
100 UDDS Cruise
Línea Base
CRT
V-SCRT
10 Z-SCRT CRT DPX DPX
1 1E+14
Z-SCRT
1E+15 1E+16 Factores de Emisión de Número (particles /km)
Biswas et al. Atmos. Environ, 2008
Actividad Redox (experimento DTT) de PM Semi-volátil y Total de Camiones Diesel Modernos Muestras que incluyen PM semivolátil
Muestras con denuders térmicos
Muestras con denuders térmicos
La tasa de consumo de DTT por masa de PM (nmoles/g PM/min) es mucho más alta cuando la fracción semi-volátil está incluída (Biswas et al, ES&T, 2009)
La Fracci贸n semi-vol谩til de la PM constituye alrededor del 80- 90% de la toxicidad de la PM (Biswas et al, ES&T, 2009)
2. Toxicidad de la PM Durante el 2º Paso en la l Evolución l i Atmosférica desde el punto de Emisión hasta la Atmósfera AtmósferaDispersión Atmosférica de E ii Emisiones Primarias Pi i (directas) (di t )
La Actividad Redox por masa de PM Disminuye con la Dilución Atmosférica 0.16
0.14
Ntziachristos et al. 2007a Hu et al. 2008
Caldecott B2
0.12 -1
DTT (n n-mole g min )
Cho et al. 2005
Tunnel Environment
Caldecott B1
-1
0.1
Boyle Heights
0.08
Downey 0.06
USC Long Beach
Ambient Condition
0.04
CA-110 freeway
Biswas et al ES&T 2009
0.02
0 100
1000
10000
Dilution Ratio
• El ratio de dilución afecta al contenido de especies semi-volátiles en la PM • La actividad Redox (Consumo de DTT) disminuye con una mayor dilución • La fracción semi-volátil es más activa Redox
Versatile Aerosol Concentration Enrichment System (VACES)
5 LPM Desecador por difusi贸n o BiosamplerTM
Kim et al 2001 IImpactadores t d Virtuales
105 LPM
Salida de Refrigerante
Entrada de aire
Tubos de Condensaci贸n
Entrada de Refrigerante
Bomba 2067
Entrada y Salida de Refrigerante
Saturador Calefactor
Refrigerador g
control
PM fino
PM Ultrafino
Exposición de Ratones a Partículas Concentradas (CAPS)
Araujo et al, Ci l ti Circulation, 2008
Las Secciones Aórticas de ratones expuestos a UFP (C,F) mostraron más lesiones arterio-escleróticas que las secciones de ratones expuestos a aire filtrado (A,D) y a PM fino (B,E). Todas las lesiones fueron macrofagos y pueden clasificarse como “fatty streaks”.
4 µg/m3 3 %
20 µg/m3 11 %
30 %
5 % 1 %
EC OC Nitrate
6 %
19 %
20 %
12 %
S lf Sulfate
8 %
Ammonium
20 % 15 %
Trace elements Trace elements 50 %
200 150 100 50
µg/mg (WSOC C), ng/mg (PAHss)
250
others WSOC
PAHs
0
Ultrafine
Accumulation
Las PM Ultrafinas tienen un contenido mucho más elevado de Carbono Elemental y Carbono Orgánico (EC-OC), Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAH) y Carbono Orgánico soluble OC Refs: Sardar et al JGR 2005; Sardar et al ES&T 2007; Verma et al Atmos Environ 2009.
Li et al, EHP, 2009 Ratones expuestos por vía nasall a: - Salino (control) - Ovalbumina ((OVA,, un alérgeno g experimental) - OVA + Partículas UF
La exposición p a PM ultrafinas ambientales inducía sensibilización a la ovalbumina (OVA) e inflamación alérgica de la vías respiratorias. La inflamación afectaba desde las fosas nasales hasta las vías pulmonares distales.
Exposici贸n cr贸nica In vivo de ratones a nanopart铆culas ultrafinas (nPM) en concentraciones similares a la de una autov铆a indujeron respuestas inflamatorias (asociadas con envejecimiento prematuro y enfermedad de Alzheimer) En el cortex cerebral, nPM causa niveles elevados de mRNA en: (a) i inmuno receptor t innato i t CD14 (b) marcador d CD68 CD68, ((c)) marcador d GFAP GFAP-
Morgan et al, Environ Health, Perspect 2011
La exposición L i ió a un medio di tratado t t d con nPM PM y aplicado li d a celulas l l gliares li (10 μg/mL / L nPM, 24 hr) inhibían el desarrollo de neuritas en un 30% y disminuía el número de neuritas en un 25% • Las neuronas embrionarias están involucradas en el desarrollo del aprendizaje y la memoria Morgan et al , EHP, 2011
3. El 3er Paso en la Evolución AtmosféricaFormación Fotoquímica de Aerosoles Orgánicos Secundarios y Comparación de las Propiedades Tóxicas con respecto a los Aerosoles Primarios
El papel del Envejecimiento Atmosférico y los Procesos Fotoquímicos Muestras en verano durante periodos fotoquímicos para distinguir efectos de aquellos creados por la PM principalmente emitida por fuentes móviles asociadas al tráfico Recogida de muestras de 69 am (tráfico) y mediodía 4 pm (fotoquímica)
Verma et al, Atmos. Environ, 2009
PAH, Hopanos y Esteranos en los periodos AM y PM (Partículas Ultrafinas) Niveles más elevados en los periodos AM (barras oscuras) ya que estas especies son emitidas por el tráfico.
Carbono Orgánico Soluble en Agua (WSOC) de partículas UF en USC WSOC used as indicator of SOA CO used as indicator of atmospheric dilution
Verma et al, al Atmos. Environ, 2009
Concentraciones de WSOC mucho mas elevadas por la tarde debido a la l formación f ió de d compuestos orgánicos á i secundarios d i polares l por medio de la foto-oxidación de aerosoles primarios (tráfico)
Estudios In vitro: Actividad DTT mucho más elevada (una medida de la actividad redox de las UFP) durante la tarde que durante el periodo AM (tráfico), ambos experesados en términos de: por masa de PM
y por m3 de volumen de aire (=DTT por masa de PM x masa de PM/ m3 air)
Verma et al, Atmos. Environ, 2010
El Envejecimiento Fotoquímico Modifica la Relación Entre la Actividad Redox y la dilución Atmosférica (Verma et al, Atmos Environ 2010) 0.16 Cho et al. 2005
Tunnel Environment
Caldecott B1 0.14
Ntziachristos et al. 2007a Hu et al. 2008
1. Emisión -1
DTT (n- mole g m min )
SOA UFP
Caldecott B2
0.12
3. Envejecimiento Fotoquímico
-1
0.1 0
0.08
POA UFP
Boyle Heights Downey
0.06
USC Long Beach
Ambient Condition
0 04 0.04
CA-110 C 0 freeway ee ay
2. Dilución 0.02
0 100
1000
10000
Dilution Ratio
DTT vs Dilución Dil ió para Aerosoles A l O Orgánicos á i Primarios P i i de d acuerdo d con otros t d datos t DTT vs Dilución para Aerosoles Orgánicos Secundarios mucho más altos, comparando con datos de túnel
Cardiovascular Health Air Pollution Study (IP :Ralph Delfino UCI) Delfino, 25 mm QFF (PM2.5-10)
IN & OUT
PERSONAL
25 mm QFF (PM0.18-2.5)
37 mm TF (PM0.25)
9 lpm × 24hr
• Determinar la exposición personal, tanto indoor como en aire ambiente, a distintas fracciones de tamaño de la PM, OC, EC y número de partículas, en jubilados de edad avanzada d con historia hi t i de d enfermedad f d d crónica ó i de d corazón ó (CHD) • SUJETOS: 70 no fumadores de 65 o más años y afectados por CHD. • Cada sujeto fue controlado durante 3 meses con extracciones semanales de sangre (UCI). Se midieron las concentraciones de distintos biomarcadores de inflamación y trombosis. trombosis • Se investigaron las relaciones entre biomarcadores y la exposición a PM (hast 9 días previos a cad una de las 12 extracciones de sangre efectuadas a cada sujeto).
Asociaciones de biomarcadores de inflamación sistémica por aumento de intercuartil en carbono orgánico (OC) en aire ambiente: diferencias entre las fracciones: OC primario (OCprii) & OC secundario (SOC) (SOC).
Promedios de contaminantes de 1, 3 y 5 días
Delfino et al, Epidemiology 2010
Se ven asociaciones significativas entre NO exhalado y marcadores de aerosoles orgﾃ｡nicos secundarios (WSOC y ﾃ…idos Orgﾃ｡nicos) mientras que la relaciﾃｳn con los aerosoles primarios no es significativa (Delfino et al, EHP, 2010)
La correlación positiva más fuerte con la presión sanguínea se daba p para el cabono orgánico primario (asociado a la combustión))
Delfino et al, Epidemiology, 2010
Conclusiones y visión a futuro • La comprensión de las relaciones entre los efectos nocivos sobre la salud y las fuentes de contaminantes atmosféricos continuará siendo un objetivo principal de nuestro trabajo • Como afectará a la calidad del aire en el futuro el incremento en el volumen de tráfico y en la distancia recorrida a diario, como resultado del crecimiento de la población en Los Angeles y de la expansión de las actividades portuarias?
Calidad del Aire y Planeamiento Urbano • Desarrollo de un modo de vida sostenible- mejora en el transporte
público e implicaciones generales sobre la calidad del aire • Planeamiento Pl i t urbanob repensar las l áreas á urbanas, b revitalizar it li los l centros de las ciudades y reducir desplazamientos
BC
( (Kam et al,, Atmos. Environ.,2012) • Niveles de PM2.5 (regulado en la actualidad) y Carbono negro (BC) en: o I-5 (10% vehículos de transporte pesado), I-710 (20% vehículos de transporte pesado) d ) y en línea lí de d tren ligero li (Gold (G ld Line) Li ) • El BC es un indicador de las emisiones de los diesel y es usado por las agencias estatales y federales f d l para evaluar l ell riesgo i de d cancer por exposición i ió all diesel di l • Niveles de BC menores en más de un orden de magnitud dentro de trenes ligeros
0,90
4,00
0 80 0,80
3,50
METRO Red line
0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0 00 0,00
Concen ntration (ng/m3)
Con ncentrac ci贸n (ng//m3)
1,00
3,00 2,50
METRO Gold line
2,00
I-710
1,50
I-110
1,00 0,50
Wilshire/Su nset
0,00
TOTAL PAHs
Concentraci贸n total de PAH 4-6 veces inferior en el metro y en trenes ligeros que dentro de veh铆culos en autov铆as y calles
Importancia del aumento de zonas Peatonales en Ciudades: Concentraciones de BC en tres zonas de tráfico de Milán, Italia:
a a.
Sin restricciones de tráfico; b. b Ecopass (tráfico restringido); c área peatonal del Duomo b. Reducciones muy marcadas (2.5-4 veces menos) en el BC (es decir, en el riesgo i de d cancer)) d de zonas no restringidas t i id all tráfico t áfi a peatonales t l (Invernizzi et al, Atmos Environ, 2011)
Agradecimientos USC Katharine Moore, Andrea Polidori, Subhasis Biswas, Vishal Verma, Bangwoo Han, Leonidas Ntziachristos, Satya Sardar, Harish Phuleria, Ning Zhi, Neelakshi Hudda, Ehsan Arhami, Payam Pakbin, Scott Fruin, Winnie Kam, Kalam Cheung, Nancy D h T Daher, Tuck k Fi Finch, h T Todd dd M Morgan, D Dave D Davis, i Mi Michel h lB Baudry, d Ni Nicos P Petasis i University of Wisconsin-Madison Jamie Schauer, Rebecca Sheesley, y Brian Majestic, j Martin Shafer. Mike Olson UCLA Andre Nel, Margaret Krudysz, William Hinds, Arantza Eiguren, Arthur Cho, John Froines Dane Westerdahl Froines, Westerdahl, Jesus Araujo Araujo, Ning Li UCI Ralph Delfino, Michael Kleinman, Arezoo Campbell
Patrocinadores: - US EPA STAR Program (PM Center and Supersite) - California Air Resources Board (CARB) - National N i l Institutes I i off Health H l h (NIH) - South Coast Air Quality Management District (AQMD)