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Il particolato urbano: uno studio a Reggio Emilia

Studio della composizione del particolato aereo-disperso PM10 in area urbana, campionato mediante impattore Andersen a basso volume

Introduzione

Nel 2003 è stato condotto uno studio del particolato urbano aero-disperso utilizzando per il campionamento un impattore di tipo Andersen a basso volume (28,3 l/min), in modo da quantificare le singole frazioni ed indagarne la caratteristiche chimico fisiche. Il campionamento delle polveri è avvenuto presso la centralina di rilevamento della qualità dell´aria di S. Lazzaro a Reggio Emilia, posta a nord-est della città in area non direttamente interessata dalle sorgenti di emissione urbana.
I prelievi, uno per mese, sono stati condotti in continuo per 12 mesi consecutivi, a parte brevi intervalli dedicati alla manutenzione e taratura del campionatore. I filtri ottenuti per ogni stadio sono stati utilizzati per la valutazione gravimetrica, l´analisi dei componenti inorganici, come i metalli e gli anioni solubili, per lo studio della mutagenicità delle polveri e per l´osservazione al microscopio elettronico a scansione.

IMPATTORE ANDERSEN

RISULTATI

Analisi gravimetrica

Nei mesi invernali il contributo alla polverosità totale delle frazioni più fini risulta maggiore rispetto ai mesi estivi. In particolare passando da gennaio a dicembre si nota una progressiva diminuzione della concentrazione delle particelle con diametro aerodinamico inferiore a 2 - 3 µm (ad eccezione di marzo) fino a giugno e luglio e poi un progressivo aumento fino a dicembre. Il contributo della frazione più grossolana (> 5 µm) sembra maggiore nei mesi estivi anche se sono presenti concentrazioni elevate durante alcuni mesi invernali. Si potrebbe concludere che nei mesi invernali il particolato, oltre ad essere quantitativamente più consistente, è presente con un numero di particelle più elevato nella classe con diametro aerodinamico minore (< 2 - 3 µm).

Analisi con microscopio elettronico a scansione (SEM)

Mediante microscopio elettronico a scansione (SEM) dotato di sonda EDX per analisi elementare sono state osservate ed analizzate le particelle presenti sui filtri dei vari stadi di campionamento relativi al mese di settembre. Le polveri sono state recuperate da una porzione di filtro e trasferite su membrana di policarbonato. La composizione osservata ha evidenziato una grande presenza di silicati di sodio, potassio, calcio, silice, ferro e carbonati di calcio negli stadi relativi a particelle più grandi mentre negli stadi relativi a particelle fini si ha la prevalenza di materiale carbonioso a testimonianza del notevole contributo dato dalla combustione alla presenza di particelle fini ed ultrafini.

IMMAGINE SEM

Ricerca degli anioni solubili, misura del pH e conducibilità

I filtri inerenti ai vari stadi di campionamento sono stati trattati con acqua per l´estrazione dei componenti solubili. Sulle soluzioni ottenute si sono determinati gli anioni quali Cloruri, Bromuri, Solfati, Nitrati e Fluoruri, si è misurato il pH e la conducibilità.
I nitrati e solfati costituiscono le specie prevalenti, cloruri e fluoruri sono viceversa in tracce, mentre non è stata rilevata la presenza di bromuri e fosfati (< 0,02 µg/m3).
I nitrati risultano presenti in quantità maggiore rispetto ai solfati, entrambi sono presenti nelle frazioni granulometriche al di sotto dei 2 - 3 µm. Per quanto riguarda i nitrati è possibile riscontrare un andamento stagionale con concentrazioni maggiori nel periodi invernali, mentre i solfati mantengano una concentrazione costante durante tutto l´anno.
I cloruri sono risultati più bassi di nitrati e solfati e la loro concentrazione non appare in relazione diretta con il mese di campionamento. La maggior parte dei cloruri si trova nel primo stadio, appartenenti a particelle "grossolane" provenienti da processi di erosione di materiali presenti nell´ambiente.
I fluoruri sono risultati presenti in quantità bassissima e prevalentemente sono presenti nelle particelle con diametri aerodinamici più grandi, con lieve tendenza ad aumentare nei mesi invernali.
La maggiore distribuzione degli anioni nelle frazioni più fini è confermata dalla maggiore conducibilità presentata, durante tutto l´anno, dalle soluzioni derivanti dal campione relativo alle granulometrie sotto i 2-3 µm, Anche che in questo caso si riscontra un marcato andamento stagionale con una conducibilità più elevata nei mesi invernali. Il pH delle soluzioni mostra sempre un lieve e costante decremento con il diminuire del diametro aerodinamico, come probabile conseguenza del contenuto di prodotti aventi caratteristiche acide (derivanti dall´ossidazione di NOX e SO2) nelle particelle più piccole e della presenza di composti aventi caratteristiche basiche (carbonati e ossidi) distribuiti molto probabilmente nelle frazioni granulometriche con diametro più elevato.

Analisi dei metalli

L´analisi, eseguita mediante ICP ottico ha permesso di determinare le quantità di 13 metalli, espresse in µg/m3, presenti in ogni stadio di campionamento.
Alluminio, Manganese e Titanio mostrano una maggiore concentrazione nelle frazioni più grossolane, con andamento stagionale marcato (valori più alti nei periodi estivi), comportamento caratteristico di elementi presenti nell´ambiente e nelle polveri originatesi per erosione. Piombo e Cadmio risultano presenti solo nelle frazioni più fini, con caratteristico andamento stagionale (valori più alti nei periodi invernali), comportamento caratteristico di elementi derivanti da attività antropiche. Stagno, Cromo, Nickel e Rame mostrano una distribuzione quasi regolare con comportamenti stagionali di difficile interpretazione che richiedono approfondimento così come Cobalto per scarsità di dati, Zinco per comportamento anomalo e per Arsenico e Antimonio per i quali non è stato possibile ottenere valori data la loro scarsa presenza nelle polveri.

Esito dei test di mutagenesi effettuati sui campioni di particolato atmosferico prelevati nel mese di febbraio 2003

Gli estratti dei campioni di particolato sono stati sottoposti a test di mutagenesi con i ceppi TA98 e TA100 di Salmonella typhimurium (metodo di incorporazione in piastra) in accordo con i metodi standard (Maron DM, Ames BN. Revised methods for the Salmonella mutagenicity test. Mutat Res 1983; 113: 173-215).
Dei campioni di particolato atmosferico prelevati nel periodo 28/01/03 - 27/02/03 sono risultati positivi quelli corrispondenti alle frazioni di PM con diametri aerodinamici compresi tra 3,3 e 0,4 µm. Nei campioni risultati positivi si osserva una maggiore sensibilità nei test condotti in assenza di attivazione metabolica esogena, evidenziando una prevalenza di sostanze ad azione mutagena diretta negli estratti di queste frazioni (cioè composti chimici che possono agire sul DNA direttamente, senza essere stati metabolizzati). Si ricorda che la mutagenicità associata alle polveri aerodisperse, rilevata con questo tipo di test, presenta un tipico andamento stagionale in quanto è inversamente correlata con l´andamento della temperatura e questo può essere dovuto all´interazione tra fattori meteo-climatici ed attività antropiche.

CONCLUSIONI

Lo studio effettuato ha coinvolto solamente una parte dei costituenti il particolato atmosferico, ciononostante i dati ottenuti durante lo studio hanno permesso di evidenziare alcune caratteristiche relative agli inquinanti studiati.
Per quanto riguarda la distribuzione nelle varie frazioni granulometriche, la quantità di polvere, i nitrati, i solfati, la conducibilità delle soluzioni, il piombo, il cadmio, il potere mutageno e la presenza di sostanze carboniose hanno mostrato una concentrazione decisamente più elevata nelle polveri "fini" (< 2 -3 µm); cloruri, fluoruri, alluminio, manganese, titanio e silicati hanno mostrato una concentrazione maggiore nelle polveri "grossolane" (> 2-3 µm).
Alcuni inquinanti tra cui stagno, cromo e nickel sono risultati distribuiti in modo quasi uniforme tra le granulometrie analizzate mentre il rame ha presentato una concentrazione più elevata intorno a 4 µm.
Per quanto riguarda l´andamento stagionale, le frazioni "fini" delle polveri, i nitrati, il cadmio, il piombo, i fluoruri e la conducibilità delle loro soluzioni mostrano un progressivo aumento nei mesi invernali rispetto a quelli estivi; al contrario, le frazioni "grossolane" delle polveri, l´alluminio, il manganese, il titanio e in parte lo stagno mostrano un progressivo aumento nei mesi estivi rispetto a quelli invernali. Per quanto riguarda i cloruri, solfati, cromo, rame, nichel, stagno sembra che non vi sia una dipendenza stagionale. Il cobalto per scarsità di dati e lo zinco per comportamento anomalo necessitano di uno studio di approfondimento.
Da tali informazioni è stato possibile per molti degli analiti studiati ipotizzarne l´origine: sembrano derivare da attività antropiche: nitrati, solfati, piombo, cadmio, materiale carbonioso e potere mutageno; sembrano derivare da erosione di materiali presenti nell´ambiente: alluminio, titanio, manganese, silicati e probabilmente anche i fluoruri, mentre per gli altri elementi studiati risulta difficile attribuire una origine con i dati ottenuti in questo studio, sarà necessario un approfondimento.
Gli studi nel prossimo futuro dovrebbero essere dedicati alla frazione PM 2,5, che oltre ad essere quantitativamente prevalente, è risultata essere portatrice degli inquinanti più pericolosi per la salute e dovrebbe riservare risultati di maggior interesse.