ANALISI E MODELLAMENTO DELLE SORGENTI E DEGLI EFFETTI · 2015-02-18 · EFFETTI SULLA SALUTE . ......

ANALISI E MODELLAMENTO DELLE SORGENTI E DEGLI EFFETTI DELL’INQUINAMENTO DA

PARTICOLATO ATMOSFERICO

P. Barbieri, G. De Gennaro, A. Demarinis, L. Ferrero, A. Marzocca, E. Papa, F. Passarini, M.G. Perrone, A.

Piazzalunga, G. Sangiorgi, G. Settimo, M. Tutino, I. Vassura

Ambiente Ricerca Giovani ARG

Ecomondo – Rimini 9 Novembre 2011 “La ricerca avanzata sui rischi ambientali” SETAC Italia- ARG



Il particolato atmosferico (PM) e la complessità del problema…..

Proprietà chimico/ fisiche del PM

Effetti

Sorgenti

Poschl U. Atmospheric aerosols: Composition, Transformation, Climate and Health Effects. (2005) Angew Chem Int Ed; 44, 7520-7540

PM2.5

PM1

PM10

Fonte: European Environmental Agency EEA.

Estimated years of life lost (YOLL) in reference year 2005 attributable to long-term PM2.5 exposure.



EFFETTI SULLA SALUTE



PM e COMPOSIZIONE CHIMICA Risultati di uno studio europeo (Putaud JP et al., Atmospheric Environment; 44, 1308-20)

Composizione chimica principale del PM2.5:

Mineral dust: 2-10% (20-30% per il PM10) Solfati SO4

=: 15-30 % Nitrati NO3

-: 10-20% Ammonio NH4

+: 5-10% Organic matter OM: 20-50% Elemental carbon EC: 3 -20 %



COMPOSTI IN TRACCIA

Organic matter OM: 20-50% del PM2.5 ,ma….

Composti organici

…..< 10% caratterizzato a livello molecolare (levoglucosano, cellulosa, acidi a catena lineare saturi e insaturi, acidi policarbossilici aromatici, alcani, alcani, IPA, ossiIPA, nitroIPA, DDT, bisphenol A…)

La caratterizzazione della frazione organica del PM è uno dei principali argomenti di ricerca per la caratterizzazione chimica del PM. Sorgenti primarie (es. IPA) e secondarie (composti ossidati, es. ossiIPA)

Kubatova A., Vermeylen R., Claeys M. Organic compounds in urban aerosols from Gent, Belgium: Characterization, sources, and seasonal differences. (2002) Journal of Geophysical Research



Emissioni atmosferiche nazionali di PM2.5 (trend dal 1990 al 2009) Sector Source

1 A1 Combustion in energy and transformation industries

1 A2 Combustion-Industry

1 A3 Road Transport

1 A4 Non-industrial combustion plants. Residential-public-commercial sector

2 Industrial processes

4 B Agricoltur

6 C Waste

Fonte: Istituto Superiore per la Protezione

e la Ricerca Ambientale ISPRA;

Informative Inventory Report 2011



Emissioni atmosferiche di metalli pesanti presenti in fase particolata (1990-2009)

Sector Source


1 A2 Combustion-Industry

1 A3 Road Transport

1 A4 Non-industrial combustion plants.

1 A5 Industrial processes

1 B Fugitive emission from fuels


6 C Waste




Pb

Cd

Pb

Cd

Cd



Sector Source


1 A3 Road Transport

1 A4 Non-industrial combustion plants.


6 C Waste treatment and disposal




IPA

Emissioni atmosferiche di idrocarburi policiclici aromatici presenti si in fase gassosa che particolata (1990-2009)



QUALI SORGENTI PRIMARIE

• Aree urbane e traffico veicolare

• Ambienti e sorgenti indoor

• Aree industriali

• Combustione di biomasse

• Trattamento dei rifiuti

• altre sorgenti antropiche (es. aree portuali e traffico marino, aeroporti..)

• sorgenti naturali (es. polvere del suolo, Saharian dust, particolato biogenico…..)



● Aree urbane e traffico veicolare

La sorgente traffico

Emissioni dirette: emissioni da combustione + abrasione freni, pneumatici,asfalto

Emissioni indirette: risospensione della polvere della strada al passaggio degli autoveicoli

Emissioni da combustione diesel, per veicoli a diverso livello omologativo e cicli di guida (TI,UDC, EUDC). Misure sperimentali, test su banco dinamometrico

PAH Emission Factors

Warm start

22

12

74

30

13

75

15

28

5 6

0

5

10

15

20

25

30

35

EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4

PAH

s (

µg/k

m)

IT UDC EUDCPM10 Emission Factors

Warm start

76

56

24 18

71 64

23 18

70

211

22

44

0

50

100

150

200

250

EURO 1 EURO 2 EURO 3 EURO 4

PM

10 (

mg/k

m)

IT UDC EUDC

PAH= PHE, FLNT, PYR, BaA, CHR, BbjF, BeP, BaP, BghiP

Riduzione dell’impatto delle emissioni veicolari da combustione grazie all’evoluzione tecnologica e ai sistemi di abbattimento delle emissioni negli autoveicoli



SO4=6

NO3-21

NH4+

9

Ca++, Mg++0.3

K+1.0

Al, Si, Fe

0.9

trace elements

0.4

OM

38

EC11

unaccounted

12

urbano

SO4=8.4

NO3-26

NH4+

12.0

Ca++, Mg++

0.3K+1.2Al, Si, Fe

0.8

trace

elements0.4

OM

30

EC

3

unaccounted

17

rurale

SO4=12

NO3-

7

NH4+

5

Ca++, Mg++0.3

K+

0.2

Al, Si, Fe12.3

trace

elements0.9

OM

50

EC

1

unaccounted

11.5

remoto[PM2.5] =57 ± 3 mg m-3 [PM2.5] =32 ± 3 mg m-3 [PM2.5] =3 ± 1 mg m-3

CONCENTRAZIONI DI PM2.5 (mg m-3) , E COMPOSIZIONE CHIMICA (% massa) SPOSTANDOSI DA UN SITO URBANO A UN SITO RURALE A UN SITO REMOTO

Sito urbano (Milano), sito rurale (Oasi Le Bine), sito remoto (Alpe San Colombano m.2280 asl; stagione invernale)

Perrone MG, Larsen BR, Ferrero L, Sangiorgi G., De Gennaro G, Udisti R, Zangrando R, Gambaro A, Bolzacchini E. Sources of high PM2.5 concentrations in Milan, Northern Italy. Molecular marker data and CMB modelling. Science of the Total Environment, 2011; accepted

bianco



0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

summer winter summer winter summer winter

MI-urban OB-rural ASC-remote

PM

2.5

(mg

m-3

)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

summer winter summer winter summer winter

MI-urban OB-rural ASC-remote

secundary ammonium

secundary nitrate

secundary sulphate

CMB-secondary organic aerosol

salt

road dust

plant debris

natural gas combustion

biomass burning

traffic

COMPOSIZIONE CHIMICA DEL PM E STIMA DELLE SORGENTI (modello recettore Chemical Mass Balance CMB)

Perrone MG, Larsen BR, Ferrero L, Sangiorgi G., De Gennaro G, Udisti R, Zangrando R, Gambaro A, Bolzacchini E. Sources of high PM2.5 concentrations in Milan, Northern Italy. Molecular marker data and CMB modelling. Science of the Total Environment, 2011; accepted



Sorgenti indoor (PTS, PM10, PM2.5) Processi di combustione da apparecchi a fiamma libera (camini, stufe a legna, stufe a gas, fornelli a gas nelle cucine, boiler e caldaie) Fumo di tabacco Utilizzo di strumenti di lavoro come stampanti e fotocopiatrici …

Effetti sulla salute )

malattie respiratorie (asma, bronchiti croniche) allergie (effetti sinergici con allergeni) aggravamento di patologie preesistenti (malattie respiratorie e cardiocircolatorie) tumore ai polmoni

● Ambienti e sorgenti indoor

GLI AMBIENTI CONFINATI MOLTO FREQUENTATI PIÙ COMUNI

Uffici pubblici e privati

Strutture comunitarie (ospedali, scuole, alberghi, banche, biblioteche, caserme, etc…)

Ambienti destinati ad attività ricreative e/o sociali (cinema, teatri, bar, ristoranti, negozi, strutture sportive, etc…)

Mezzi di trasporto pubblici (treni, autobus, metropolitane, aerei, navi, etc…)



Es. STRUMENTAZIONE UTILIZZATA PER LA MISURA DELLA CONCENTRAZIONE NUMERICA DELLE PARTICELLE

NEFELOMETRI

Nefelometria a fascio laser: il campo di misura copre la fascia 0-6000 µg/m3 (limite di rilevabilità

0,01µg/m3) con possibilità di rilevare particelle con diametro compreso tra 0,5 e 20µ.

QUESITI APERTI Massa delle particelle (mg m-3) ? Numero delle particelle per classi dimensionali (n° particelle m-3) ? Dati medi o definizione temporale? Caratterizzazione chimica ?

Fruibilità della strumentazione ? Rappresentatività spaziale ? Nessuna norma tecnica di riferimento (eccezione l’asbesto)

MISURA DELLE POLVERI IN AMBIENTE INDOOR

MISURATORI OTTICI DI PARTICELLE

Unità portatile che fornisce la misurazione veloce e accurata della concentrazione di particelle

e la distribuzione granulometrica utilizzando la tecnologia a conteggio delle particelle.

MISURATORI DI POLVERI ULTRAFINI

Spettrometro che misura particelle in aerosol submicrometriche nel range da 5.6 a 560 nm.



5.6

10

24

42

87

178

365560

ipercoopdN/dlogDp (#/cm³)

Pa

rtic

le S

ize

(n

m)

0 2.5e4 5e4 7.5e4 1e5 1.3e5 1.5e5 1.8e5 2e5 2.3e5 2.59e5

1

5

10

1.32.16 3.02.16 4.42.16 6.22.16 8.02.16 9.42.16 11.22.16

Volts

(v)

Time

CH1 CH2

5.6

10

24

42

87

178

365560

ipercoopdN/dlogDp (#/cm³)

Pa

rtic

le S

ize

(n

m)

0 4000 8000 1.2e4 1.6e4 2e4 2.4e4 2.8e4 3.2e4 3.73e4

1

5

10

13.33.16 15.03.16 16.43.16 18.23.16 20.03.16 21.43.16 23.23.16

Volts

(v)

Time

CH1 CH2

ESEMPI DI MISURA DELLE POLVERI IN AMBIENTE INDOOR

14-15 forni

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

10.48

12.00

13.12

14.24

15.36

16.48

18.00

19.12

20.24

21.36

22.48

0.00

1.12

2.24

3.36

4.48

6.00

7.12

8.24

9.36

10.48

12.00

13.12

14.24

15.36

14-15 settembre

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

12.52

13.32

14.12

14.52

15.32

16.12

16.52

17.32

18.12

18.52

19.32

20.12

20.52

21.32

22.12

22.52

23.32

0.12

0.52

1.32

2.12

2.52

3.32

4.12

4.52

5.32

6.12

6.52

7.32

8.12

8.52

9.32

10.12

10.52

11.32

12.12

n.ro

di p

artic

elle

(fin

e)

0

20

40

60

80

100

120

n.ro

di p

artic

elle

(coa

rse)

f ine

coarse

1

2 3

4



(…) L'obiettivo è quello di cominciare a

vietare l'uso della legna per riscaldamento

negli edifici civili che dispongano di un'altra

sorgente termica, a metano, a gasolio o di

altro tipo. (…)

LA LEGNA NON È ECOLOGICA - La legna non

è un combustibile ecologico, dal punto di

vista delle emissioni, se bruciata malamente

come avviene nei caminetti aperti e nelle

diffusissime stufe tradizionali: emette

enormi quantità di polveri sottili che, ricche

di frazioni incombuste, sono fortemente

dannose alla salute.

L'uso delle biomasse, con particolare

riferimento alle coltivazioni agricole e forestali,

può rivestire un ruolo rilevante nel prossimo

futuro, soprattutto nell'ottica di un ampio

spettro di interrelazioni dei differenti settori:

l'energia, l'uso del territorio, la protezione dei

suoli, la politica agricola e forestale, la gestione

dei rifiuti, il commercio internazionale,

l'inquinamento atmosfe-rico e la qualità della

vita nei centri urbani".



● Combustione di biomasse



(…) L'obiettivo è quello di cominciare a

vietare l'uso della legna per riscaldamento

negli edifici civili che dispongano di un'altra

sorgente termica, a metano, a gasolio o di

altro tipo. (…)

LA LEGNA NON È ECOLOGICA - La legna non

è un combustibile ecologico, dal punto di

vista delle emissioni, se bruciata malamente

come avviene nei caminetti aperti e nelle

diffusissime stufe tradizionali: emette

enormi quantità di polveri sottili che, ricche

di frazioni incombuste, sono fortemente

dannose alla salute.



0% 20% 40% 60% 80% 100%

SO2

NOx

COV

CH4

CO

CO2

N2O

NH3

PM2.5

PM10

PTS

CO2 eq

Precurs. O3

Tot. Acidif. (H+)

benzina verde

carbone

diesel

gas di raffineria

gasolio

GPL

kerosene

legna e similari

metano

olio combust

altro

senza comb.

29%

Fonte: ARPA Lombardia - Regione Lombardia. INEMAR, Inventario emissioni in atmosfera.

Emissioni in Lombardia nel 2007 - revisione pubblica

Studi modellistici

Da dove nascono le preoccupazioni della Regione Lombardia…



CARATTERIZZAZIONE CHIMICA DEL PM E STIMA DEL CONTRIBUTO DELLA SORGENTE BIOMASS BURNING (BB)

Utilizziamo le concentrazioni di levoglucosano per identificare l’impatto della combustione della legna sulla concentrazione e sulla composizione del particolato atmosferico

Caseiro et al., Atmos. Environ 43 (2009) 2186

Shaf

idaz

eh F

. (1

98

4)

Ad

v C

hem

Ser

20

7:4

89

–52

9

Milano - inverno

OCun

41%

OCbb

26%

OCtraff

33%

La sorgente biomass burning (BB) contribuisce a:

10-27% del PM10 19-33% di OC 16-21% di EC

Piazzalunga, A., Belis, C., Bernardoni, V., Cazzuli, O., Fermo, P., Valli, G., Vecchi, R., Estimates of wood burning contribution to PM10 in Lombardy (Po Valley, Italy) using different approaches. (2011) Atmospheric Environment, 45, 6642-6649 Bernardoni, V., Vecchi, R., Valli, G., Piazzalunga, A., Fermo. P., “PM10 source apportionment in Milan (Italy) using time- and size-resolved data”.(2011) Science of the Total Environment, 409, 4788–4795



Variazione giornaliera della stima (positive matrix factorization PMF) del contributo delle sorgenti alle concentrazioni di B[a]P a MI-sito urbano, in campioni di PM10

Belis, C. A., Cancelinha, J., Duane, M., Forcina, V., Pedroni, V., Passarella, R., Tanet, G., Douglas, K., Piazzalunga, A., Bolzacchini, E., Sangiorgi, G., Perrone, M-G., Ferrero, L., Fermo, P., Larsen, B.R. Sources for PM air pollution in the Po Plain, Italy: I. Critical comparison of methods for estimating biomass burning contributions to benzo(a)pyrene. (2011) Atmospheric Environment.

E’ stato stimato che la sorgente biomass burning (BB) contribuisce a più del 75% delle concentrazioni di B[a]P in diversi (11) siti della Regione Lombardia (compresi siti prealpini ed alpini), durante la stagione invernale.

Milano - inverno

Tecnologia PM10

(g∙GJ-1)

NOX

(g∙GJ-1)

Camino aperto 500 70

Stufa tradizionale 250 70

Stufa a cippato a basse

emissioni 150 60

Stufa a pellet (BAT) 30 60

Camino chiuso o inserto 250 70

Caldaia a gas naturale 0,2 40



Fattori di emissione (FE) di PM10 per diverse tipologie di impianti residenziali

Impianti di riscaldamento a legna

Abbattimento delle emissioni negli impianti innovativi (3-10 volte inferiori)

[1] Il fattore di emissione utilizzato, suggerito anche da AMAT, rappresenta il valore medio riscontrato nella bibliografia scientifica relativa a sperimentazioni di caldaie a metano in Provincia di Milano.



● Aree industriali

Hot spot industriali ed “environmental divide”

Considerazioni sulla popolazione esposta: Ɣ popolazione media vs. popolazione prossima a sorgenti rilevanti

STRUMENTAZIONE E METODOLOGIA

Campionatori passivi (es. Radiello per benzene; Quadrello per

benzo[a]pirene), strumentazione innovativa (es. contatori ottici di

particelle, etalometri per la misura del black carbon, sensori MOS),

modelli di dispersione degli inquinanti in atmosfera, possono

consentire di definire con buon dettaglio i gradienti di

concentrazione degli inquinanti a partire da sorgenti rilevanti.



Confronto fra le concentrazioni di PTS, IPA totali e BaP nei pressi di un impianto industriale ed in un sito di “bianco”

PRESENZA DI SORGENTI INDUSTRIALI NEL TESSUTO URBANO (TRIESTE)

0

100

200

300

400

500

PT

S m

g/N

m3

PTS Servola PTS Università

PTS

10

20

30

40

1000

2000

3000

4000

IPA

to

t n

g/N

m3

IPA tot Servola IPA tot Università

IPA tot

PTS in prossimità di

impianto industriale IPA tot in prossimità di

impianto industriale

0.2

0.4

0.6

0.8

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

BaP

ng/N

m3

BaP Servola BaP Università

BaP

BaP in prossimità di

impianto industriale

Media sito urbano PM10 = 21,6 mg Nm-3 Media sito industriale PM10 = 62,7 mg Nm-3

Media sito urbano PM2.5 = 15,3 mg Nm-3 Media sito industriale PM2.5 = 24,3 mg Nm-3 Media sito urbano PM2.5/PM10 = 71% Media sito industriale PM2.5/PM10 = 40%



Impianti di trattamento dei rifiuti e impatti ambientali

● Trattamento dei rifiuti



Trattamento dei rifiuti e impatti ambientali



Uso della modellistica per prevedere gli impatti delle emissioni degli impianti di Incenerimento rifiuti



Studio dell’Influenza delle emissioni dell’inceneritore di RSU (B) in un ambiente soggetto ad altre fonti contaminanti con l’ausilio di campionatori direzionali di PM

B

Sito di Campionamento



1. Concentrazioni di inquinanti e livelli di fattori di stress rilevati sul territorio

2. Gradienti di concentrazione e livelli, stimati all’allontanarsi da sorgenti di inquinamento rilevanti

3. Gruppi di popolazione residente in aree localizzate, esposti a livelli di inquinanti e fattori di stress maggiori di quelli della popolazione media (esistono aree con esposizione diversa a fattori multipli di inquinamento (es. polveri, benzene, rumore etc.) specie in prossimità di impianti industriali impattanti. Esiste un fattore di discriminazione, un “environmental divide”, nella popolazione, con ripercussioni sul diritto alla fruizione delle proprie disponibilità e sul diritto alla salute.

4. E’ possibile stimare (con calcoli) gli anni di vita “non in salute” (Disease Adjusted Life Years - DALY ), per i diversi gruppi di popolazione, associati all’esposizione caratteristica delle aree individuate.

5. A questi anni di vita “non in salute”, associati a esposizione ambientale pregressa ed attuale, corrisponde una spesa sanitaria, che viene scaricata sulle generazioni future, per mancanza di prevenzione primaria e corretta gestione ambientale.

Si possono definire:



VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI

• Studi epidemiologici: numerosi studi hanno dimostrato una relazione tra concentrazioni di PM (e alcune specie chimiche marker di sorgenti) ed effetti sulla salute quali : mortalità, patologie cardiovascolari e respiratorie, allergie..)

• Studi tossicologici (test in-vitro, in-vivo): numerosi studi hanno dimostrato la tossicità di particolato ambientale e di sintesi, ma i meccanismi biochimici e i processi molecolari che causano gli effetti tossicologici (e.g. stress ossidativo, risposte infiammatorie..) sono ancora poco compresi

• Modelli (es. modelli QSAR)



Dalla struttura…

…alla predizione quantitativa

della risposta Y

Calcolo dei descrittori molecolari

Modelli di Regressione

Modelli di Classificazione

Validazioni interne ed esterne

MODELLI QSAR Si basano sull’applicazione di metodologie matematiche e statistiche utilizzate per la

derivazione di modelli quantitativi predittivi in grado di mettere in relazione la struttura molecolare (descrittori molecolari) con l’attività biologica (Y)



MODELLAMENTO E PREDIZIONE DELLA MUTAGENICITÀ DI IPA, NITRO-IPA ED OSSI-IPA • la mutagenicità di nitro-IPA aumenta all’aumentare del numero di gruppi

nitro-; le molecole con struttura non lineare tendono ad avere una maggiore attività mutagena (Gramatica et al. SAR&QSAR Environ. Res. 2007)

• l’aumento di simmetria molecolare tra gli ossi-IPA studiati

(benzociclofenantreni e criseni) è stato associato ad un incremento del potere mutageno (Gramatica et al., Ecotoxicology and Environmental Safety, 2007)

• nuovi modelli di classificazione per predire la mutagenicità di IPA

eterogenei in cellule umane (Papa et al. SAR&QSAR Environ. Res. 2008)

Tutti i modelli sono in linea con le linee Guida OECD per l’utilizzo delle metodologie QSAR in regolamentazione

CONCLUSIONI



● il rischio ambientale da inquinamento da particolato atmosferico è supportato da dati sperimentali in letteratura, che legano diversi effetti sulla salute all’esposizione da PM

● la caratterizzazione delle sorgenti è un aspetto importante per definire gli impatti (valutazione del rischio) in un sito recettore (es. presenza di composti di interesse tossicologico: IPA da combustione di biomassa, impianti industriali e/o traffico….)

● ci sono ancora diverse incertezze sulla “tipologia” ed “intensita” degli effetti , in relazione alle diverse proprietà chimico-fische del PM, che dipendono dalle sorgenti (primarie e secondarie)

● l’evoluzione tecnologica e i sistemi di abbattimento hanno portato/possono portare ad un’ effettiva riduzione delle emissioni per alcune sorgenti (es. traffico, combustione da biomassa); altre sorgenti (es. sorgenti indoor) non sono normalizzate

● studi modellisti tipo QSAR possono essere un valido supporto per la previsione degli effetti (attività biologica) di composti presenti nel PM ed emessi da sorgenti primarie o prodotti per formazione secondaria (es. ossiIPA e nitroIPA….)



Grazie !

Contatti e riferimenti

1 Pierluigi Barbieri [email protected]

2 Gianluigi De Gennaro [email protected]

3 Annalisa Demarinis [email protected]

4 Luca Ferrero [email protected]

5 Annalisa Marzocca [email protected]

6 Ester Papa [email protected]

7 Fabrizio Passarini [email protected]

8 M.Grazia Perrone [email protected]

9 Andrea Piazzalunga [email protected]

10 Giorgia Sangiorgi [email protected]

11 Gaetano Settimo [email protected]

12 Maria Tutino [email protected]

13 vano Vassura [email protected]

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ANALISI E MODELLAMENTO DELLE SORGENTI E DEGLI EFFETTI · 2015-02-18 · EFFETTI SULLA SALUTE . ......

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