Магнитное и микроскопическое исследование переносимых по воздуху наночастиц оксида железа в лондонском метро.

Oct 23, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20298 (2022) Цитировать эту статью

4939 Доступов

681 Альтметрика

Подробности о метриках

Уровни концентрации твердых частиц (PM) в лондонском метрополитене (LU) выше фоновых уровней в Лондоне и выходят за пределы, установленные Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). Истирание колес, гусениц и тормозов являются основными источниками твердых частиц, образуя преимущественно частицы, богатые железом, что делает микроокружение LU особенно подходящим для изучения с использованием магнетизма окружающей среды. Здесь мы объединяем магнитные свойства, электронную микроскопию высокого разрешения и электронную томографию, чтобы охарактеризовать структуру, химические и морфометрические свойства частиц LU в трех измерениях с наномасштабным разрешением. Наши результаты показывают, что в LU PM преобладают частицы маггемита размером 5–500 нм, образующие агрегированные кластеры размером 0,1–2 мкм, что искусственно искажает фракционированную по размеру концентрацию PM до более крупных размеров при измерении с помощью традиционных мониторов. Магнитные свойства в значительной степени не зависят от размера ФМ-фильтра (РМ10, ПМ4 и ПМ2,5) и демонстрируют наличие суперпарамагнитных (< 30 нм), однодоменных (30–70 нм) и вихревых/псевдооднодоменных Только сигналы (70–700 нм) (т. е. отсутствие многодоменных частиц размером > 1 мкм). Окисленная природа частиц позволяет предположить, что воздействие твердых частиц в LU происходит в основном за счет ресуспендирования старых частиц пыли по сравнению со свежеистертыми металлическими частицами из системы колесо/гусеница/тормозная система, что позволяет предположить, что периодическое удаление накопленной пыли из подземных туннелей может обеспечить экономически эффективная стратегия снижения воздействия. Обилие ультрамелких частиц, выявленных здесь, может иметь особенно неблагоприятные последствия для здоровья, поскольку их меньший размер позволяет проникать из легких в кровоток. Показано, что магнитные методы обеспечивают точную оценку характеристик ультрадисперсных твердых частиц, обеспечивая надежный путь для мониторинга и потенциально снижая эту опасность.

Лондонское метро (LU) — популярный вид транспорта среди лондонцев и гостей Лондона, перевозящий 2 миллиона пассажиров в день. Установлено, что концентрация твердых частиц (PM10, PM2,5 и PM1) в LU значительно превышает фоновые уровни твердых частиц в Лондоне. Предыдущее исследование по мониторингу загрязнения воздуха на LU показало, что более высокие уровни твердых частиц могут быть связаны с возрастом и глубиной платформ, а также с плохими системами вентиляции1. Сообщается, что концентрации PM2,5 в системах метро, ​​аналогичных LU, превышают рекомендации ВОЗ по качеству воздуха для твердых частиц. Однако уровень ПМ в LU привлек меньше внимания. Хотя некоторые линии LU находятся над поверхностью, транспортная система считается внутренней средой, для которой Министерство окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства (DEFRA UK) не имеет нормативных ограничений для твердых частиц. Предыдущие исследования показали, что химический состав PM2,5 в LU состоит преимущественно из оксида железа (47–67%), 1–2% кварца, других тяжелых металлов, 18% углерода (элементарного углерода и органического углерода) и 14% металлического углерода. и минеральные оксиды1,2. Источниками богатых железом ТЧ в ЛУ являются различные компоненты колесно-гусеничной тормозной системы. Предыдущие исследования, проведенные в Лондоне1,2,3 и Сеуле4, показали, что богатые железом ТЧ образуются в результате износа стальных компонентов и рельсов из-за трения, износа деталей поездов, таких как башмаки коллекторов, которые изготовлены из чугуна, и железосодержащих тормозные колодки. В настоящее время в LU вакуумы с локализованной эмиссией (LEV) улавливают часть сварочных дымов, которые образуются, когда металлы нагреваются выше точки плавления, испаряются и конденсируются в аэрозоли. Таким образом, большинство частиц, богатых железом, вероятно, образуются в результате истирания системы колес, гусениц и тормозов (хотя все линии, за исключением Бейкерлоо и Пикадилли, имеют рекуперативное торможение).

Воздействие ультрамелких частиц загрязнения окружающего воздуха связано с риском для здоровья, связанным с астмой, повреждением головного мозга5, деменцией6, раком легких, сердечно-сосудистыми заболеваниями, снижением когнитивных способностей7. В частности, воздействие магнетита ТЧ на здоровье человека было связано с болезнью Альцгеймера8, а наночастицы магнетита также были обнаружены в мозге, что может иметь серьезные последствия9,10. Тем не менее, были проведены ограниченные и неубедительные исследования потенциального воздействия на здоровье систем метрополитена11,12, богатых ТЧ-оксидами железа. На данный момент нет убедительных доказательств того, что воздействие частиц в подземной железнодорожной среде более опасно, чем загрязнение окружающего воздуха. Кроме того, ранее утверждалось, что подземная железнодорожная среда вряд ли будет представлять риск для здоровья рабочих и пассажиров из-за различного воздействия на здоровье оксидов железа и частиц, образующихся при горении, а также более безопасных концентраций твердых частиц ниже рекомендуемых стандартов на рабочем месте2. Предыдущие токсикологические исследования, проведенные в стокгольмском метро (микросреда, богатая железом), не выявили повышенного риска инфаркта миокарда у водителей метро по сравнению с другими работниками физического труда в Стокгольме13. Тем не менее, недавнее исследование in vitro, проведенное14 с использованием ТЧ с линий Бейкерлоо и Джубили станции Бейкер-стрит в ЛУ, действительно выявило доказательства повышенного риска пневмококковой инфекции и смертности. Другое исследование in vitro PM10 в стокгольмском метро также показало, что воздух в 40–80 раз более генотоксичен и в 20–40 раз более эффективен в возникновении окислительного стресса по сравнению с городской уличной средой15. Аналогичным образом, исследование загрязнения подземных железных дорог показало, что PM2,5 и PM1,8 обладают большей способностью производить активные формы кислорода (АФК), чем более крупные PM10; эти частицы могут проникать через слизистый слой, вызывая антиоксидантную реакцию16. Уже известно, что ни один уровень воздействия твердых частиц не может считаться безопасным для здоровья пределом17, а плохая вентиляция на платформах и в туннелях означает, что пассажиры подвергаются воздействию высоких уровней твердых частиц во время поездок.