Tráfico y Calidad del Airey

Constantinos Sioutas Sc DConstantinos Sioutas Sc.D. Fred Champion Professor

University of Southern CaliforniaUniversity of Southern CaliforniaDepartment of Civil and Environmental Engineering

Los Angeles CALos Angeles, CA

Huesca, 20 Septiembre, 2012

Esquema

• Propiedades Físicas, Químicas y Toxicológicas de la Materia particulada (PM) de las Fuentes asociadas al Tráficop cu d ( ) de s ue es soc d s co

• Siguiendo 3 pasos principales de la evolución atmosférica dedesde el punto de emisión hasta el envejecimiento atmosférico

• Énfasis en los compuestos Semi Volátiles del PM• Énfasis en los compuestos Semi-Volátiles del PM

• Efectos sobre la Salud de la PM Primaria (semi-volátiles y ( yrefractarios) 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 de Los Angeles (EEUU)- The g g ( )Southern California Particle Center (SCPC)

Patrocinadores:

US EPA STAR Program (PM Center and Supersite)- US EPA STAR Program (PM Center and Supersite)

- California Air Resources Board (CARB)

- National Institutes of Health (NIH)- National Institutes of Health (NIH)

- South Coast Air Quality Management District (AQMD)

9 millones de conductores a diario- 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,

2. Dilución Atmosférica• Transformación de Fase• Volatilización de SVOC

3. Envejecimiento Atmosférico y Reacciones Fotoquímicas• Reacciones Fotoquímicas de SVOC

f O idPuertos, Centrales Térmicas

• Mezcla de PM no volátil, Compuestos Orgánicos

primarios y transformación de fase particulada a fase gas

en fase gas con O3 y gases oxidantes• Formación de Aerosoles Secundarios Orgánicos (SOA)

Dilución Atmosférica

Formación de aerosoles

Compuestos Orgánicos Semi-Volátiles (PM y fase vapor), Compuestos Orgánicos Volátiles y gases primarios Atmosférica de aerosoles

secundariosgases primarios

hv +hv +O3, HO.

Emisiones Partículas primariasPM no volátilEspecies orgánicas semi-volátiles (S OC) ( OC)(SVOC) y Volátiles (VOC) de la PMPartículas secundarias

La fecha muestra la dirección de viento predominante

Emisiones FondoAerosoles SecundariosDilutionDilución Dilución + Fotoquímica

3.4 µg/m3 2.5 µg/m3 3.7 µg/m3

Emisiones

28 %8 %4 % 1 % 6 % 2 %

15 %

7 %2 % 1 %8 %

11 %4 % 2 % 7 %

Dilución q

8 %

8%

14 %

45 %65 %

8 %54 %

EC OCNitrate SulfateAmmonium Trace elementsOthers

10

100

pb (O

3) CO Ozone

1

ppm (C

O), pp

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 2001Environ, 2001

Debido a su carácter semi-volátil, las UFP (Partículas ultrafinas) se pueden d fi i i d d

Datos Usados por la Legislación del Estado de California Senate

definir operativamente- representan vapores super saturados que condensan durante el enfriamiento del la emisión

Datos Usados por la Legislación del Estado de 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-710I-710

- Las partículas del Diesel en generalLas 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)Emisiones Primarias (Directas)

Tendencias en las Emisiones de PM de Camiones Pesados N A iNuevos vs Antiguos e implicaciones sobre la toxicidadimplicaciones sobre la toxicidad de la PM

Emisiones de PM de las Tecnologías Modernas4 vehículos, 7 configuraciones, 3 ciclos de circulación4 vehículos, 7 configuraciones, 3 ciclos de circulación

Vehículo Post-tratamiento AbreviaturaNA

Veh#1

Base

CRT®

1998 Cummins Diesel 11L, 360,000 millas,

V-SCRT®*, , ,

VEHÍCULO BASE

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

• With the reduction of

1000g/

km)

Línea Base

Al reducirse la masa de PM podemos ver un claro incremento en el número de With the reduction of

mass EF, we see enhancement of number EF

100icos

(mg Línea Base

partículas debido a la nucleación de los vapores orgánicos semi-volátiles

100

ión

Más

i

UDDSCruise

Línea Base

10de E

mis

i

CRT V-SCRT

acto

res

d

Z-SCRT

CRTDPX

11E+14 1E+15 1E+16

Fa DPX Z-SCRT

Biswas et al. Atmos. Environ, 2008

1E+14 1E+15 1E+16Factores de Emisión de Número (particles /km)

Actividad Redox (experimento DTT) de PM Semi-volátil y Total de Camiones Diesel Modernos

Muestras que incluyen PM semivolátil

Muestras con denuders

Muestras con denuders térmicos

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 Fracción semi-volátil 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 l l i2º Paso en la Evolución

Atmosférica desde el punto deAtmosférica desde el punto de Emisión hasta la Atmósfera-Emisión hasta la Atmósfera

Dispersión Atmosférica de E i i P i i (di t )Emisiones Primarias (directas)

0.16

La Actividad Redox por masa de PM Disminuye con la Dilución Atmosférica

Caldecott B10.14

Cho et al. 2005Ntziachristos et al. 2007aHu et al. 2008

Tunnel Environment

Caldecott B2

0.1

0.12

min

-1)

Boyle Heights

Downey0.08

n-m

ole g

-1

USC

CA-110 freewayLong Beach

0.04

0.06

DTT

(n

Ambient Condition

0.02

Biswas et al ES&T 2009

0100 1000 10000

Dilution Ratio • El ratio de dilución afecta al contenido de especies semi-volátiles en la PM• 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

5 LPMVersatile Aerosol ConcentrationEnrichment System (VACES)

Desecador por difusiónoBiosamplerTM

I t d

Kim et al 2001

Impactadores Virtuales

105 LPM

Bomba 2067Tubos deEntrada de Salida de Refrigerante

Bomba 2067Tubos de Condensaciónaire

Entrada de Refrigerante Entrada y Salida

Saturador Refrigerador

yde Refrigerante

Saturador

Calefactor

g

Exposición de Ratones a

control PM fino PM Ultrafino Partículas Concentradas (CAPS)(CAPS)

Araujo et al, Ci l tiCirculation, 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 20 µg/m3

30 %3 % 11 % EC

6 %20 %

12 %

19 %1 %5 % OC

Nitrate

S lf20 %

15 %

8 %Sulfate

Ammonium

Trace elements

250 s)

50 %Trace elements

others

150

200

250

C), ng/mg (PAHs

WSOC PAHs

0

50

100

µg/m

g (W

SOC

0

Ultrafine AccumulationLas PM Ultrafinas tienen un contenido mucho más elevado de Carbono Elemental y Carbono

Refs: Sardar et al JGR 2005; Sardar et al ES&T 2007; Verma et al Atmos Environ 2009.

Orgánico (EC-OC), Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAH) y Carbono Orgánico soluble OC

Li et al, EHP, 20092009

Ratones expuestos lpor vía nasal a:

- Salino (control)

- Ovalbumina (OVA, un alérgeno ( , gexperimental)

- OVA +OVA Partículas UF

La exposición a PM ultrafinas ambientales inducía sensibilización a la povalbumina (OVA) e inflamación alérgica de la vías respiratorias. La inflamación afectaba desde las fosas nasales hasta las vías pulmonares distales.

Exposición crónica In vivo de ratones a nanopartículas ultrafinas (nPM) en concentraciones similares a la de unaultrafinas (nPM) en concentraciones similares a la de una autovía indujeron respuestas inflamatorias (asociadas con envejecimiento prematuro y enfermedad de Alzheimer)envejecimiento prematuro y enfermedad de Alzheimer)

En el cortex cerebral, nPM causa niveles elevados de mRNA en: (a) i t i t CD14 (b) d CD68 ( ) d GFAPinmuno receptor innato CD14 (b) marcador CD68, (c) marcador GFAP-

Morgan et al, Environ Health, Perspect 2011

L i ió di t t d PM li d l l li (10 / LLa exposición a un medio tratado con nPM y aplicado a celulas gliares (10 μg/mL 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 Atmosférica-

Formación Fotoquímica de AerosolesFormación Fotoquímica de Aerosoles Orgánicos Secundarios y Comparación de las Propiedades Tóxicas con respecto a los AerosolesTóxicas con respecto a los Aerosoles Primarios

El papel del Envejecimiento Atmosférico y los Procesos Fotoquímicos

Muestras en verano durante periodos fotoquímicos para distinguir efectos dedistinguir efectos de aquellos creados por la PM principalmente emitida por fuentes móviles asociadas alfuentes móviles asociadas al tráfico

Recogida de muestras de 6-9 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 Verma et alindicator of SOA

CO used as

Verma et al, Atmos. Environ, 2009

CO used as indicator of atmospheric dilutiondilution

Concentraciones de WSOC mucho mas elevadas por la tarde debido l f ió d á i d i la la formación de compuestos orgánicos secundarios polares 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 quede 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

0.16

El Envejecimiento Fotoquímico Modifica la Relación Entre la Actividad Redox y la dilución Atmosférica (Verma et al, Atmos Environ 2010)

Caldecott B10.14

Cho et al. 2005Ntziachristos et al. 2007aHu et al. 2008

Tunnel Environment

1. EmisiónCaldecott B2

0.1

0.12

min

-1)

SOA UFP

3.

1. Emisión

Boyle Heights

Downey0.08

0

mol

e g

-1 m

POA

Envejecimiento Fotoquímico

USC

CA-110 freewayLong Beach

0 04

0.06

DTT

(n-

Ambient Condition

UFP

C 0 ee ay

0.02

0.04 Ambient Condition

2. Dilución

0100 1000 10000

Dilution Ratio DTT Dil ió A l O á i P i i d d t d tDTT vs Dilución para Aerosoles Orgánicos Primarios de acuerdo con otros datosDTT vs Dilución para Aerosoles Orgánicos Secundarios mucho más altos, comparando con datos de túnel

Cardiovascular Health Air Pollution Study (IP :Ralph Delfino UCI)Delfino, UCI)

PERSONALIN & OUT25 mm QFF (PM2.5-10)

25 mm QFF (PM )(PM0.18-2.5)

37 TF37 mm TF (PM0.25) 9 lpm × 24-

hr

• 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

d hi t i d f d d ó i d ó (CHD)avanzada con historia de enfermedad crónica de corazón (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 trombosismidieron las concentraciones de distintos biomarcadores de inflamación y 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 sistémicapor aumento de intercuartil en carbono orgánico (OC) en aire ambiente:

diferencias entre las fracciones: OC primario (OC i) & OC secundario (SOC)diferencias entre las fracciones: OC primario (OCpri) & OC secundario (SOC).

Delfino et al, Epidemiology 2010Promedios de contaminantes de 1, 3 y 5 días

Se ven asociaciones significativas entre NO exhalado y marcadores de aerosoles orgánicos secundarios (WSOC y Ácidos Orgánicos) mientrasaerosoles orgánicos secundarios (WSOC y Ácidos Orgánicos) mientras que la relación con los aerosoles primarios no es significativa (Delfino et al, EHP, 2010)

La correlación positiva máspositiva más fuerte con la presión sanguínea se daba para el pcabono orgánico primario (asociado a la combustión))

Delfino et al, Epidemiology, 20102010

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 trabajoun 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 delvolumen 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 UrbanoCalidad del Aire y Planeamiento Urbano• Desarrollo de un modo de vida sostenible- mejora en el transporte público e implicaciones generales sobre la calidad del airepúblico e implicaciones generales sobre la calidad del aire

Pl i t b l á b it li l• Planeamiento urbano- repensar las áreas urbanas, revitalizar los 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

d ) lí d li (G ld Li )pesado) y en línea de tren ligero (Gold Line)

• El BC es un indicador de las emisiones de los diesel y es usado por las agencias estatales f d l l l i d i ió l di ly federales para evaluar el riesgo de cancer por exposición al diesel

• Niveles de BC menores en más de un orden de magnitud dentro de trenes ligeros

0 800,901,00

/m3 ) 4,00

METRO

0,600,700,80

ción

(ng/

3,00

3,50

/m3)

Red line

METRO Gold line

0,300,400,50

ncen

trac

2,00

2,50

ntra

tion

(ng Gold line

I-710

0 000,100,20C

on

1,00

1,50

Con

cen

I-110

0,00

0,00

0,50

TOTAL PAHs

Wilshire/Sunset

Concentración total de PAH 4-6 veces inferior en el metro y en trenes ligeros que dentro de vehículos en autovías y calles

Importancia del aumento de zonas Peatonales en Ciudades: Concentraciones de BC en tres zonas de tráfico de Milán, Italia:

a Sin restricciones de tráfico; b Ecopass (tráfico restringido); c área peatonala. Sin restricciones de tráfico; 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 i d ) d t i id l t áfi t lriesgo de cancer) de zonas no restringidas al tráfico a peatonales

(Invernizzi et al, Atmos Environ, 2011)

AgradecimientosUSCKatharine 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 k Fi h T dd M D D i Mi h l B d Ni P iDaher, Tuck Finch, Todd Morgan, Dave Davis, Michel Baudry, Nicos PetasisUniversity of Wisconsin-MadisonJamie Schauer, Rebecca Sheesley, Brian Majestic, Martin Shafer. Mike Olsony jUCLAAndre Nel, Margaret Krudysz, William Hinds, Arantza Eiguren, Arthur Cho, John Froines Dane Westerdahl Jesus Araujo Ning LiFroines, Dane Westerdahl, Jesus Araujo, Ning Li UCIRalph Delfino, Michael Kleinman, Arezoo Campbell

Patrocinadores:

US EPA STAR Program (PM Center and Supersite)- US EPA STAR Program (PM Center and Supersite)

- California Air Resources Board (CARB)

N i l I i f H l h (NIH)- National Institutes of Health (NIH)

- South Coast Air Quality Management District (AQMD)