Polétavý prach (PM2,5)

 * Nejedná se o skupinu látek, ale o soubor všech částic určité velikosti. Proto neexistuje číslo CAS, chemický vzorec, ani R a S věty.

Atmosférický aerosol je všudypřítomnou složkou atmosféry Země. Je definován jako soubor tuhých, kapalných nebo směsných částic o velikosti v rozsahu 1 nm – 100 μm. Významně se podílí na důležitých atmosférických dějích, jako je vznik srážek a teplotní bilance Země. Z hlediska zdravotního působení atmosférického aerosolu na člověka byly definovány velikostní skupiny aerosolu označované jako PM_x (Particulate Matter), které obsahují částice o velikosti menší než x μm. Běžně se rozlišují PM₁₀, PM_2,5 a PM_1,0. Takto malé částice mohou mezi sebou aglomerovat nebo na jejich površích mohou kondenzovat páry a tak je zvětšovat. Jemná frakce obvykle obsahuje sírany, dusičnany, amoniak, elementární uhlík, organické sloučeniny, těžké kovy a stopové prvky. Částice PM_2,5 mají průměr 2,5 μm nebo méně (nikoli celoplošně) a jsou schopny volného pohybu v atmosféře. Pevné částice často obsahují popílek, saze a horniny. Částice se testují i na obsah polyaromatických uhlovodíků (PAH), polychlorovaných bifenylů (PCB), pesticidů (jako např. DDT) a těžkých kovů, protože tyto látky se snadno váží právě na tyto pevné částice obsažené v ovzduší, vodě a půdě. Součástí PM_2,5 je i černý uhlík, o kterém je pojednáno v samostatné kapitole.

Atmosférický aerosol vzniká také jako negativní produkt lidské činnosti, proto nemá smysl mluvit o jeho použití.

Atmosférický aerosol může být přirozeného i antropogenního původu. Hlavním přirozeným zdrojem jsou výbuchy sopek, lesní požáry a prach unášený větrem. Významné jsou také kapičky mořské vody, třebaže většina z nich spadne poměrně brzy zpět do oceánu. Přirozeného původu je i tzv. bioaerosol, zahrnující organismy jako jsou viry, bakterie, houby a případně jejich části a živočišné a rostlinné produkty (spory a pyl). Odlišení PM₁₀ a PM_2,5 je používáno proto, že hrubší frakce PM₁₀ proniká do oblasti horních cest dýchacích a jemná frakce PM_2,5 hlouběji do dýchacího ústrojí, čímž se jeho nebezpečnost zvyšuje. Hrubá frakce je obvykle produkována mechanickými procesy – důlní činností, otěrem pneumatik, resuspenzí dopravou nebo větrem, utrháváním aerosolu z hladiny moří větrem, uvolněním nehořlavého materiálu při spalovacích procesech apod. Částice jemné frakce typicky vznikají procesy nukleace – kondenzace, chemickými reakcemi z plynných prekurzorů nebo málo těkavých látek vzniklých při spalování či vypařených při vysokých teplotách.

Mezi nejvýznamnější antropogenní zdroje emisí PM_2,5 patří:

• vysokoteplotní procesy, především spalovací (energetika, domácí topeniště, doprava);
• cementárny, vápenky, lomy a těžba;
• odnos částic větrem ze stavebních ploch, z nevhodně uloženého popílku a z ploch zbavených vegetace.

Z ovzduší se aerosol dostává do ostatních složek životního prostředí pomocí suché nebo mokré atmosférické depozice. V principu platí, že čím menší průměr částice má, tím déle zůstane v ovzduší. Částice menší než 2 µm mohou v atmosféře setrvávat týdny, než jsou mokrou depozicí spláchnuty a stávají se pak součástí půd, jezerních a říčních sedimentů.

Částice jemného a hrubého aerosolu mají odlišné složení. Materiál zemské kůry (částice půd, zvětraných hornin a minerálů, prach) a bioaerosol tvoří většinu hmotnosti hrubého aerosolu, zatímco jemný aerosol je tvořen hlavně sírany, amonnými solemi, organickým a elementárním uhlíkem a některými kovy. Dusičnany jsou významnou složkou jak hrubého, tak jemného aerosolu. Prašný aerosol může také sloužit jako absorpční medium pro těkavé organické látky.

Aerosol může působit na organismy mechanicky zaprášením. Zaprášení listů rostlin snižuje jejich aktivní plochu, u živočichů a člověka prach vstupuje do dýchacích cest. Dalším problémem je toxické působení látek obsažených v aerosolu. Některé z nich vykazují karcinogenní či mutagenní riziko.

Pevné částice v atmosféře ovlivňují energetickou bilanci Země, protože rozptylují sluneční záření zpět do prostoru. Podnebí ovlivňují tyto částice také svým účinkem na tvorbu oblaků. Jsou-li při tvorbě oblaků přítomny pevné částice ve velkém množství, bude výsledný oblak sestávat z velkého množství menších kapek. Takový oblak bude odrážet sluneční záření mnohem více, než oblak sestávající z částic větších. Vlivy na klima se však projevují spíše v regionálním měřítku.

Částice atmosférického aerosolu se usazují především v dýchacích cestách. Místo záchytu závisí na jejich velikosti. Částice menší než 2,5 µm (PM_2,5) se mohou usazovat v průduškách či plicích a způsobovat místními reakcemi zdravotní problémy. Částice menší než 1 µm (PM₁) mohou vstupovat přímo do plicních sklípků či průdušinek, odkud se nesnadno dostávají zpět, proto jsou tyto částice nejnebezpečnější. Částice navíc často obsahují adsorbované karcinogenní či mutagenní sloučeniny. Vliv pevných prachových částic na lidské zdraví tedy také závisí na přesném složení, protože na povrch částic se mohou sorbovat např. těžké kovy nebo polycyklické aromatické uhlovodíky s jejich deriváty (o kterých je pojednáno v samostatných kapitolách) a tím by docházelo k synergickému efektu a toxicita by se výrazně zvyšovala. Přesné složení částic se významně liší podle způsobu jejich vzniku.

Obecně lze však konstatovat, že inhalace částic PM_2,5 poškozuje především dýchací soustavu. Účinek těchto částic na lidský organismus závisí na době expozice (délce vystavení organismu jejich působení). Při krátkodobé expozici může docházet k vyššímu počtu zánětlivých onemocnění plic či průdušek, dle některých studií i k nepříznivým účinkům na srdečně cévní systém. Při dlouhodobé expozici může docházet k snížení plicních funkcí, snížení imunity (častá nemocnost), k vyššímu počtu chorob dolních cest dýchacích a k zvýšení výskytu chronické obstrukční plicní nemoci (CHOPN) či k vzniku astmatu.

Toxicky působí také chemické látky obsažené v aerosolu (sírany, amonné ionty). V důsledku adsorpce organických látek s mutagenními a karcinogenními účinky může expozice PM_2,5 způsobovat rakovinu plic (IARC – skupina 1), avšak mechanismy působení komplexních směsí nejsou dosud dobře popsány.  

Prachové částice v ovzduší přinášejí především zdravotní rizika pro člověka a ostatní živé organismy. Toxicitu částic PM_2,5 způsobují hlavně chemické látky obsažené v aerosolu. V roce 2013 zařadila Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) prašný aerosol mezi prokázané lidské karcinogeny skupiny 1.

Analýza ovzduší a odpadních plynů zaměřená na aerosolové částice sleduje několik různých cílů s ohledem na komplexní povahu této skupiny analytů. Je to dáno skutečností, že aerosolové částice představují významnou znečišťující látku samy o sobě (především pevné částice minimální velikosti) a dále jsou substrátem obsahujícím řadu dalších významných složek, které jsou adsorbovány na jeho povrchu. Výčet zmiňovaných cílů je rozsáhlý, největší význam však patrně mají následující charakteristiky:

• hmotnostní nebo početní koncentrace aerosolových částic rozlišené velikosti;
• hmotnostní koncentrace látek vázaných na aerosolové částice nebo látek rozpuštěných v kapalných aerosolových částicích;
• distribuce velikosti aerosolových částic;
• distribuce chemického složení podle velikosti částic;
• vliv fyzikálních procesů (např. působení gravitačních nebo elektrostatických sil, elektromagnetického záření, sorpce plynů a par apod.) a chemických procesů (např. reakce s oxidujícími složkami atmosféry, reakce plynných složek za vzniku sekundárních aerosolových částic apod.) na chování aerosolových částic.

Měření emisí aerosolových částic a látek na ně vázaných představuje jednu z nejkomplikovanějších výzev analýzy ovzduší. Prvním a nejnáročnějším krokem analýzy je shromáždění reprezentativního, celistvého a dostatečného vzorku těchto aerosolových částic, které se zpravidla provádí jejich oddělením od nosného plynu a zachycením na vhodném materiálu. Vzorkování aerosolových částic v odpadních plynech se týká všech velikostí bez výjimky. Základní metodou stanovení aerosolových částic v odpadních plynech je manuální gravimetrická metoda, která se používá jako metoda referenční. Obecně platí, že reprezentativní vzorkování aerosolových částic je nejsvízelnějším problémem analýzy odpadních plynů. Je to dáno charakterem proudění v uzavřeném profilu, charakterem aerosolových částic, vlivem gravitace a dalších faktorů spojených s proměnnou hmotností částic. Proudí-li aerosol potrubím, výslednici sil působících na částici ovlivňuje větší počet faktorů a tomu se musí přizpůsobit i technika vzorkování. Tuto techniku ovlivňuje rozhodující měrou míra izokinetického odběru vzorku aerosolových částic. I ty nejmenší aerosolové částice jsou daleko větší než molekuly plynů a jakékoli změny proudění vedou ke změnám charakteru proudění.

Množství PM_2,5 se zjišťuje pomocí čerpání analyzovaného vzduchu přes filtr o velikosti pórů 2,5 μm. Množství zachyceného aerosolu se stanovuje gravimetricky vážením.

Stanovení hmotnostní koncentrace aerosolových částic je významnou součástí hodnocení kvality ovzduší, kde se sleduje hmotnostní koncentrace aerosolových částic všech velikostí, částic thorakální frakce PM_2,5 ale i PM₁₀. Určené limity pro různé doby průměrování se pohybují v řádu desítek µm/m³.

Vedle diskontinuální metody stanovení částic PM_2,5 existují i kontinuální metody, které jsou podrobně popsány v publikaci Analýza ovzduší: Skácel, Tekáč.

V analýze odpadních plynů má určení hmotnostní koncentrace aerosolových částic nerozlišené velikosti rovněž velký význam a určené limity se pohybují v rádu desítek mg/m³. Měření mohou provést komerční laboratoře či specializovaná výzkumná pracoviště.

Na rozdíl od plynných složek ovzduší a odpadních plynů je chování aerosolových částic ovlivňováno nejvíce jejich velikostí, která určuje vliv různých sil na tyto částice. Například v mezní vrstvě atmosféry částice nejmenší velikosti jen nepatrně větší než molekuly plynů vykonávají především Brownův pohyb, zatímco větší částice velikosti několika µm jsou ovlivňovány především gravitací a inerciálními silami. Pro aerosolové částice kulového tvaru je univerzálním parametrem velikosti jejich průměr. Mnoho aerosolových částic, které byly do ovzduší emitovány z různých zdrojů emisí, má tendenci vytvářet kulové útvary vzhledem k procesu jejich vzniku kondenzací plynů a par, tuhnutí taveniny apod. V případě vláknitých částic a aglomerátů je určení jejich charakteristického rozměru obtížnější a pro ten účel se používá řada různých postupů. Nejčastější používaným pojetím charakterizace velikosti částic je představa ekvivalentního průměru označujícího velikost částice představující určenou vlastnost nebo chování zkoumaného systému.

Existují různá označení pro jednotlivé druhy aerosolu. O mlze lze hovořit v případě kapalného aerosolu, vzniklého kondenzací přesycených vodních par nebo atomizací kapaliny. Za opar se označuje obdobný aerosol, který má vliv zejména na viditelnost v atmosféře. Jako dým se označuje aerosol z pevných částic menších než 0,05 μm. Podobně lze definovat kouř, který navíc obsahuje kapalné částice a je výsledkem nedokonalého spalování. Soubor hrubých částic větších než 0,5 μm, vzniklých z pevné hmoty, se označuje jako prach. Sprej nebo tříšť vzniká působením sil na kapalinu. Smog je obecný termín označující viditelné znečistění atmosféry zejména v městských oblastech. Jemné částice (PM_2.5) jsou hlavní příčinou snížené viditelnosti (oparu).

• E.P.A., Particulate Matter (PM2.5) Trends | US EPA

Znečištění částicemi (PM) | Americká EPA

• Wikipedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Particulates

• Holoubek I.: Troposférická chemie, Masarykova Univerzita, Brno 2005
• Houghton J.: Globální oteplování, Academia, Praha 1998
• Woodruff T., Parker J., Darrow L., Slama R., Bell M., Choi H., Glinianaia S., Hoggatt K., Karr C., Lobdell D., Wilhelm M.: Methodological issues in studies of air pollution and reproductive health
• Skácel F., Tekáč: Analýza ovzduší, ISBN 978-80-7592-038-6, VŠCHT, Praha 2019