Indagine magnetica e microscopica sulle nanoparticelle di ossido di ferro disperse nell'aria nella metropolitana di Londra

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20298 (2022) Citare questo articolo

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I livelli di concentrazione di particolato (PM) nella metropolitana di Londra (LU) sono superiori ai livelli di fondo di Londra e oltre i limiti definiti dall’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS). L'abrasione di ruote, cingoli e freni sono le fonti primarie di particolato, producendo prevalentemente particelle ricche di Fe che rendono il microambiente LU particolarmente adatto allo studio utilizzando il magnetismo ambientale. Qui combiniamo proprietà magnetiche, microscopia elettronica ad alta risoluzione e tomografia elettronica per caratterizzare la struttura, la chimica e le proprietà morfometriche delle particelle LU in tre dimensioni con risoluzione su scala nanometrica. I nostri risultati mostrano che il PM LU è dominato da particelle di maghemite da 5–500 nm, che si presentano come cluster aggregati di 0,1–2 μm, distorcendo artificialmente la concentrazione di PM frazionata in base alle dimensioni a dimensioni più grandi quando misurata con monitor tradizionali. Le proprietà magnetiche sono in gran parte indipendenti dalla dimensione del filtro PM (PM10, PM4 e PM2,5) e dimostrano la presenza di superparamagnetico (< 30 nm), dominio singolo (30–70 nm) e vortice/pseudo-dominio singolo (70–700 nm) solo segnali (ovvero, nessuna particella multidominio > 1 µm). La natura ossidata delle particelle suggerisce che l'esposizione al PM nella LU è dominata dalla risospensione delle particelle di polvere invecchiata rispetto alle particelle metalliche appena abrase provenienti dal sistema ruota/cingolo/freno, suggerendo che la rimozione periodica della polvere accumulata dai tunnel sotterranei potrebbe fornire un strategia economicamente vantaggiosa per ridurre l’esposizione. L’abbondanza di particelle ultrafini qui identificate potrebbe avere impatti particolarmente negativi sulla salute poiché le loro dimensioni più piccole rendono possibile il passaggio dai polmoni al flusso sanguigno. È stato dimostrato che i metodi magnetici forniscono una valutazione accurata delle caratteristiche del PM ultrafine, fornendo un valido percorso di monitoraggio e potenzialmente mitigando questo pericolo.

La metropolitana di Londra (LU) è una scelta di trasporto popolare per londinesi e visitatori, trasportando 2 milioni di passeggeri al giorno. La concentrazione di particolato (PM10, PM2,5 e PM1) nella LU risulta essere significativamente più elevata rispetto ai livelli di PM di fondo di Londra. Un precedente studio di monitoraggio dell’inquinamento atmosferico sulla LU ha suggerito che livelli più elevati di particolato potrebbero essere associati all’età e alla profondità delle piattaforme e agli scadenti sistemi di ventilazione1. È stato segnalato che le concentrazioni di PM2,5 nei sistemi metropolitani simili a LU superano le linee guida sulla qualità dell'aria dell'OMS per il PM. Tuttavia, il livello del PM in LU ha attirato meno attenzione. Sebbene alcune linee della LU siano sopra la superficie, il sistema di trasporto è considerato un ambiente interno per il quale il Dipartimento per l'Ambiente, l'Alimentazione e gli Affari Rurali (DEFRA UK) non ha limiti guida per il PM. Studi precedenti hanno riportato che le composizioni chimiche del PM2,5 nella LU sono prevalentemente ossido di Fe (47–67%), 1–2% quarzo, altri metalli pesanti, 18% carbonio (carbonio elementare e carbonio organico) e 14% metallico e ossidi minerali1,2. Le fonti di PM ricco di Fe nel LU provengono da diversi componenti del sistema ruota-binario-freno. Precedenti studi condotti a Londra1,2,3 e Seul4 hanno identificato che il particolato ricco di Fe è generato dall'usura di componenti e rotaie in acciaio dovuta all'attrito, dall'usura di parti del treno come i pattini di raccolta, che sono realizzati in ghisa, e da materiali contenenti Fe ceppi dei freni. Attualmente in LU, gli aspiratori a emissione localizzata (LEV) catturano una parte dei fumi di saldatura generati quando i metalli vengono riscaldati al di sopra del loro punto di fusione, vaporizzano e si condensano in aerosol. Pertanto, è probabile che la maggior parte delle particelle ricche di Fe provengano dall'abrasione del sistema di frenatura del binario (sebbene tutte, tranne le linee Bakerloo e Piccadilly, abbiano una frenata rigenerativa).

L’esposizione alle particelle ultrafini dell’inquinamento atmosferico è stata collegata a rischi per la salute associati ad asma, danni cerebrali5, demenza6, cancro ai polmoni, malattie cardiovascolari e ridotta capacità cognitiva7. In particolare, gli effetti della magnetite PM sulla salute umana sono stati collegati all'Alzheimer8 e nanoparticelle di magnetite sono state trovate anche nel cervello, il che potrebbe avere gravi implicazioni9,10. Tuttavia, sono stati condotti studi sanitari limitati e inconcludenti sui potenziali impatti sulla salute dei sistemi di metropolitana11,12 che sono ricchi di ossido di Fe PM. Non esiste ancora alcuna prova definitiva che l’esposizione alle particelle in un ambiente ferroviario sotterraneo sia più pericolosa dell’inquinamento atmosferico. Inoltre, in precedenza si è sostenuto che l’ambiente della metropolitana difficilmente rappresenta un rischio per la salute dei lavoratori e dei pendolari a causa dei diversi effetti sulla salute degli ossidi di Fe e delle particelle generate dalla combustione e delle concentrazioni di PM più sicure inferiori agli standard raccomandati sul posto di lavoro2. Precedenti studi tossicologici condotti nella metropolitana di Stoccolma (microambiente ricco di Fe) non hanno rilevato un aumento del rischio di infarto miocardico negli autisti della metropolitana rispetto ad altri lavoratori manuali a Stoccolma13. Tuttavia, un recente studio in vitro condotto da 14 utilizzando il PM dalle linee Bakerloo e Jubilee della stazione di Baker Street nel LU ha trovato prove di un aumento del rischio di infezione e mortalità da pneumococco. Un altro studio in vitro sul PM10 della metropolitana di Stoccolma ha inoltre scoperto che l’aria era 40-80 volte più genotossica e 20-40 più potente nel causare stress ossidativo rispetto all’ambiente stradale urbano15. Allo stesso modo, uno studio sull’inquinamento della metropolitana ha rilevato che il PM2,5 e il PM1,8 hanno una maggiore capacità di produrre specie reattive dell’ossigeno (ROS) rispetto al più grossolano PM10; queste particelle possono penetrare nello strato mucoso, provocando una risposta antiossidante16. È già noto che nessun livello di esposizione al particolato può essere considerato un limite sicuro per la salute17 e la scarsa ventilazione sui marciapiedi e nei tunnel fa sì che i pendolari siano esposti a livelli elevati di particolato durante i loro viaggi.

200 mT; (2) a clear vortex/pseudo-single domain (V/PSD) component (particles diameter between 70 and 700 nm); and (3) a vertically asymmetric signal at the origin that is consistent with the presence of SP particles < 30 nm). Similar features are observed in EM2 (consisting primarily, but not exclusively, of PM2.5 and PM10 air filters from train operator cabins) but with relative greater intensity for the SP component and weaker intensity for the SD and V/PSD and signals compared to EM1. Our remanence FORCs (remFORCs) measured using the irregular measurement algorithm devised by22,23 highlights both the SP, SD and V/PSD contributions. Here, the SP signal is isolated in the remFORC diagram in a region that is sensitive to viscous magnetization processes23 (see Supplementary Fig. S5).The idea that small variations in proportion of SP particles dictates the subtlety different FORC fingerprints is also confirmed by the uniform shape of the coercivity distribution for all air filter samples, with SP content influencing the height (but not the shape) of the coercivity distribution peak (Fig. 1A). The increase in coercivity from 200 mT (Fig. 1H) to 250 mT observed in the 10 K FORC diagram (Fig. 1J) is caused by the conversion of larger SP particles to stable SD particles on cooling. Low-temperature hysteresis and FORCs indicate the persistence of SP signatures at 10 K, indicating the presence of very small particles (< < 30 nm)./p> 0.3, as seen (albeit rarely) in our TEM and tomography particle size data (see Supplementary Figs. S11 and S12) or (b) the nucleation and annihilation of vortex states in metallic Fe nanoparticles (ranging from 32 nm to around 500 nm)30. The peak of the backfield coercivity distribution for all our air filter samples lie at around 65 mT (Fig. 1A), similar to coercivity values for vehicular brake residue samples and higher than vehicular exhaust emissions from a previous study31. No direct evidence of metallic Fe was found in our microscopy data. FORC signatures of brake-residue samples dominated by metallic-Fe nanoparticles typically show a bi-modal FORC signature of high-coercivity ridge and low-coercivity wings and lack the clear magnetite-like V/PSD signals observed in Lahore30. In fact, they look more similar to FORC leaf fingerprints from both Lahore and leaf and lichen FORC fingerprints observed in Rome32—likely to be because Fe-rich particles are dominated by brake wear PM and are oxidized over time. Although we cannot rule out some contribution to the high-coercivity signal from metallic Fe, the magnetic features observed here do not require metallic Fe to be present and are consistent with maghemite particles with the sizes, and shapes observed in the microscopy/tomography data, which span the SP, SD to V size range, and have the requisite aspect ratios to create high coercivity signals (see Supplementary Fig. S12). We note that the magnetic grain size distribution from HRTEM images shows an average particle diameter of 10 nm (see Supplementary Fig. S11). This is congruous with TEM analysis from a study of Shanghai subway PM. They observed ‘clumped’ submicron-sized Fe-rich particles, which was consistent with the presence of SP and SD grains revealed by magnetic techniques33. Fe-rich particles observed in this study are similar to TEM images of outdoor vehicular brake wear PM, where a prolific number of 10–50 nm sized nanoparticles form larger agglomerates34, conversely to a study in Rome35 where it was concluded that SP particles (ultrafine particles < 30 nm) occur as a result of stress in the oxidized outer shell of MD particles (particles > 700 nm). Moreover, in vehicle braking systems, magnetic PM emissions are dominated by magnetite34,36,37,38 ,however, our results suggests that the rail-wheel-brake wear airborne particles in the LU are dominated by maghemite (see Supplementary Fig. S4)./p>