EA-IRMS: Using isotope fingerprints to track sources of PM2.5 in air pollution

Význam tématu

Částice jemného prachu (PM2.5) představují závažný globální problém ovlivňující kvalitu ovzduší, viditelnost, klimatické podmínky a lidské zdraví. Identifikace zdrojů těchto částic je klíčová pro cílená opatření ke zlepšení ovzduší a zmírnění dopadů na životní prostředí a veřejné zdraví.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo sledovat původ PM2.5 částic v průmyslově i dopravně zatíženém prostředí Soulu (Jížní Korea) za období listopad 2016 – leden 2017. Metodou bylo stanovení stabilních izotopových poměrů uhlíku (δ13C), dusíku (δ15N) a síry (δ34S) v zachycených aerosolech, které se následně srovnávaly s literárními hodnotami známých antropogenních a přírodních zdrojů.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky PM2.5 se sbíraly na křemíkových filtrech vysokovýkonným impactorem. Pro současné stanovení δ13C, δ15N a δ34S byly filtry analyzovány technikou EA-IRMS systémem (Thermo Scientific EA IsoLink IRMS System) s MAS Plus autosamplerem. Postup: vážení 5–6 mg filtru do cínových kapslí, spalování s O2, redukce NOx na N2, odstraňování přebytku O2, detekce N2, CO2 a SO2. Doba analýzy jedné vzorku činila přibližně 10 min při průtoku helia 1,4 l/min.

Hlavní výsledky a diskuse

Průměrné hodnoty izotopových poměrů během sezóny:

• δ13C: –26,8 ± 0,5 ‰ (rozsah –26,3 až –27,6 ‰)
• δ15N: 6,7 ± 1,5 ‰ (rozsah 4,2 až 8,6 ‰)
• δ34S: 5,8 ± 1,2 ‰ (rozsah 4,0 až 7,4 ‰)

Tyto hodnoty jasně indikují převážně fosilní zdroje: spalování uhlí pro zimní vytápění a emise z dopravy. Nízké δ34S vylučují významný podíl mořských aerosolů či biogenní síry. Vzrůstající δ15N a celkový obsah N souvisí především s intenzivním spalováním uhlí.

Přínosy a praktické využití metody

EA-IRMS analýza stabilních izotopů nabízí rychlý, automatizovaný a neinvazivní přístup k aporciaci zdrojů PM2.5 bez potřeby chemického čištění vzorků. Metoda šetří čas i pracovní sílu a zajišťuje přesné hodnoty porovnatelné s publikovanými daty.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření přístupu na více lokalit a rozšíření škály sledovaných izotopů (např. vodík, kyslík). Integrace s reálným časem odběru a pokročilými modely pro kvantitativní aporciaci zdrojů, využití strojového učení pro automatizované zpracování dat a kombinace s dalšími neizotopovými metodami zvýší prostorový a časový rozlišení emisních zdrojů.

Závěr

Izotopový přístup pomocí EA-IRMS pro analýzu PM2.5 poskytuje efektivní a spolehlivou metodu pro identifikaci antropogenních a přírodních zdrojů jemných částic. V případě Soulu se ukázala dominantní role spalování uhlí a dopravy během zimního období.

Reference

1. Han X., et al. (2016) Using Stable Isotopes to trace sources and formation processes of sulfate aerosols from Beijing, China. Nature Scientific Reports, 6, 29958.
2. Beyn F., et al. (2015) Do N-isotopes in atmospheric nitrate deposition reflect air pollution levels? Atmospheric Environment, 107, 281–288.
3. Dai X., et al. (2015) Chemical and stable carbon isotopic composition of PM2.5 from on-road vehicle emissions in the PRD region and implications for vehicle emission control policy. Atmospheric Chemistry and Physics, 15, 3097–3108.
4. IPCC (2007) Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report. Cambridge University Press.
5. Masalaite A., Garbaras A., Remeikis V. (2012) Stable Isotopes in Environmental Investigations. Lithuanian Journal of Physics, 52, 261–268.
6. Park Y.-M., et al. (2018) Characterizing isotopic compositions of TC–C, NO3−–N, and NH4+–N in PM2.5 in South Korea: Impact of China’s winter heating. Environmental Pollution, 233, 733–744.
7. Xiao H.-Y., Liu C.-Q. (2011) The elemental and isotopic composition of sulfur and nitrogen in Chinese coals. Organic Geochemistry, 42, 84–93.
8. Shaheen R., et al. (2014) Large sulfur-isotope anomaly in nonvolcanic sulfate aerosol and its implication for the Archean atmosphere. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111, 11979–11983.