Výběr a popis sledovaných škodlivin

Charakteristika škodliviny

Polétavý prach, zvláště jeho frakce PM10 je ze zdravotního hlediska významný faktor, charakterizující úroveň imisní zátěže sledované lokality. Polétavý a sedimentace schopný prach je totiž vzhledem ke svým fyzikálním vlastnostem (velký povrch často nesoucí elektrický náboj) v celé řadě případů také ideálním nosičem řady specifických polutantů mnohdy s vysokým potenciálem rizikovosti. Vedle vlastního chemického složení prachových částic a na povrch fixovaných škodlivin je mimořádné důležitý i tvar částic. Částice jehlicovitého tvaru nejsnáze pronikají do buněk epitelů kryjících dolní cesty dýchací, kde mohou vyvolávat vznik mikronekróz. Ty pak mohou být následně vstupní branou sekundárních infekcí či v důsledku neustálého mechanického dráždění mohou vyvolat i zhoubné bujení, jak je tomu např. u azbestových částic.

Polétavý prach je z pohledu velikosti jednotlivých částic posuzován jako TSP – celkový polétavý prach (zahrnující částice do cca 20 μm v průměru), dále jako frakce PM10 s částicemi do 10 μm aerodynamického průměru a frakce PM2,5 s částicemi do průměru 2,5 μm. Částice menší než 2,5 μm se postupným zmenšováním své velikosti a tedy i hmotnosti začínají chovat jako plynné molekuly. Jednotlivým frakcím odpovídají konvence pro odběr vzorků ovzduší s ohledem na aerodynamické průměry částic.

Rozměr částice také určuje její čas, který může strávit v atmosféře. Zatímco sedimentace odstraňuje hrubší frakce PM10 z atmosféry během několika hodin po jejich emisi, částice PM2,5 zde může setrvat několik dnů až týdnů. V konečném důsledku tyto zejména malé částice mohou být atmosférou transportovány na dlouhé vzdálenosti. 

Prach má několik cílových struktur průniku do lidského organismu. Větší částice jsou postupně distribuovány do zažívacího traktu a pokud obsahují toxikologicky významné látky, jsou tyto metabolizovány stejně jako při orálním požití. Dalším cílovým orgánem jsou sliznice, zejména řasinkový epitel. Z hlediska retence aerosolu v plících, jsou nejnebezpečnější částice s efektivním průměrem menším než 2,5 μm, protože jsou z 90-ti i více procent zachycovány v plícním epitelu. Při posuzování zdravotního rizika inhalace prachu je tedy důležitá jeho koncentrace a velikost částic (např. PM10, PM2,5), ale i tvar a jejich chemické složení. Pokud nemá prach specifické biologické účinky jedná se o prach biologický inertní. V opačném případě se jedná o prach biologicky agresivní a v důsledku jeho inhalace vznikají zdravotní projevy, které mohou obsahovat celou škálu zánětlivých stádií poškození dýchacích cest s možností přechodu do chronického stádia.

Po pečlivém prověření současných vědeckých poznatků, dospěli experti WHO k závěru, že existuje-li nějaká prahová koncentrace pro PM, pak leží v nižším koncentračním pásmu než jsou imisní koncentrace v Evropě nyní běžně limitované.

Systematické posouzení dat naznačuje že :

• prachové částice v ovzduší obecně způsobují vzrůst rizika úmrtí na respirační choroby zejména u dětí do 1 roku života, ovlivňují u dětí rychlost vývoje plic, zhoršují astma a způsobují další respirační symptomy jako kašel a bronchitidu
•  frakce PM10 má vliv na nárůst incidence respiračních chorob, což je zřejmé z počtů hospitalizací v důsledku nemocí dýchacích cest
•  frakce PM2,5 vážně ovlivňuje zdraví, zvyšuje počty úmrtí na kardiovaskulární symptomy, chronická onemocnění dolních cest dýchacích a rakoviny plic.

Obecně výsledky naznačují, že krátkodobé změny koncentrací PM10 ve všech koncentračních úrovních vedou ke krátkodobým změnám akutních zdravotních následků jako zánětlivé plicní reakce, respirační symptomy, nepříznivý vliv na kardiovaskulární systém a nárůsty spotřeby léků, hospitalizací.

Protože výsledkem dlouhodobé expozice PM je podstatné snížení předpokládané délky dožití, má tato expozice jasně větší vliv na lidské zdraví než expozice krátkodobá. Vlivy dlouhodobé expozice PM zahrnují vzrůst chorob dolních cest dýchacích, chronické obstrukční plicní onemocnění, redukce plicních funkcí jak u dětí tak i u dospělých a snížení předpokládané délky dožití zejména vlivem kardiopulmonární mortality a pravděpodobně i rakovinou plic.
Polétavý prach (prašnost) je tedy významným polutantem zatěžujícím ovzduší. Jeho rizikovost pro lidskou populaci je definována zákonnými limitními koncentracemi, jejichž překračování je indikací zvýšeného rizika sledovaného místa. 

Analyza suspendovaných částic PM10 kontinuálně probíhá analyzátorem Thermo ESM Andersen FH 62 I-R využívající radiometrickou metodu na bázi absorpce beta-záření.

Prašné aerosolové částice jsou zachycovány pomocí podtlaku na filtrační pásku ze skelného vlákna, která se automaticky odvíjí mezi BETA zářičem a Geiger-Müllerovým počítačem. Rozdíl mezi radiací před a po zachycení částic představuje množství prašných aerosolových částic zachycených na filtru. Prašné aerosolové částice jsou nasávány pomocí vakuové pumpy s odběrovou hlavicí připojenou k vrchní části analyzátoru s průtokem 1m3/hod.

Ke kontinuálnímu měření bude též využito i mobilního měřícího systému HORIBA umístněného na náměstí a využívajícího analyzátor APDA-351E pro odběr TSP firmy Horiba s odběrovou hlavou pro frakci PM10 a pracujícím na stejném principu. 

Pro kontinuální měření bude rovněž využit analyzátor Grimm Aerosol Technik, GmbH Co. KG – Model 365, pracující na odlišném principu měření, jehož základem je počítání částic prašného aerosolu různých velikostních frakcí pomocí metody ortogonální nefelometrie (měření rozptylu světla v úhlu 90°).

Charakteristika škodliviny

Nejvýznamnější z oxidů dusíku je ve vztahu k lidskému zdraví oxid dusičitý (NO2). Hlavním zdrojem antropogenních emisí oxidů dusíku do ovzduší je spalování motorových paliv v motorových vozidlech a fosilních paliv ve stacionárních emisních zdrojích. Ve většině případů je emitován do ovzduší oxid dusnatý (NO), který je transformován na oxid dusičitý. Oxidace oxidu dusnatého atmosférickými oxidanty, např. ozonem, probíhá velmi rychle i při velmi nízkých koncentracích obou reakčních složek v ovzduší.
Průměrné roční koncentrace oxidu dusičitého ve městech na celém světě se obecně pohybují v rozmezí 20 až 90 µg.m-3. Ve městech se koncentrace oxidu dusičitého ve venkovním ovzduší mění v závislosti na denní době, na ročním období a na meteorologických podmínkách. Průměrné hodinové koncentrace v blízkosti silně zatížených silnic často přesahují stovky µg.m-3. Proto mohou být maximální průměrné hodinové hodnoty 3 až 10krát vyšší, než jsou střední roční hodnoty. Dlouhodobé monitorování ovzduší v posledních dvou dekádách prokazuje zvýšenou koncentraci oxidů dusíku v městských oblastech ČR.
Oxid dusičitý se nachází v životním prostředí ve formě plynu. Proto je jedinou relevantní cestou expozice lidí vdechování, ať už je zdrojem venkovní či vnitřní ovzduší nebo cigaretový kouř. Při vdechování může být absorbováno 80 až 90% oxidu dusičitého. Významná část vdechnutého oxidu dusičitého je zachycována a odstraňována v nosohltanu. Experimentální studie ukázaly, že i oxid dusičitý a jeho chemické produkty však mohou zůstávat v plicích velmi dlouho. Po expozicích oxidu dusičitému byly v krvi a v moči pozorovány kyselina dusičná a dusitá a jejich soli
NO2 působí jako silný oxidant oxidující polysaturované mastné kyseliny buněčných membrán stejně dobře jako funkční skupiny proteinů, ať už rozpustných bílkovin v buněčné cytoplazmě či proteinové komplexy v buněčných membránách. Tyto oxidační reakce (zprostředkované volnými radikály) jsou mechanismem, při kterém NO2 uplatňuje přímou toxicitu na plicní buňky. Dále NO2 ovlivňuje funkční a biochemickou aktivitu plicních buněk, alveolárních mikrofágů uplatňujících se při plicní clearence, imunologickou způsobilost včetně náchylnosti k respiračním chorobám a stupeň mukociliárního clearence.
Podle epidemiologických studií dlouhodobě zvýšená expozice oxidu dusičitému vede k redukci plicní funkce u dětské populace a u astmatiků zvyšují počet bronchitických symptomů. Početná vyšetření vlivu oxidu dusičitého na funkci plic u normálních, bronchitických i astmatických jedinců provedená za kontrolovaných podmínek jasně ukázala, že krátké expozice oxidu dusičitému (trvající 10 až 15 minut) při koncentracích 3000 až 9400 µg.m-3 vyvolávají změny funkce plic u obou skupin populace. Koncentrace pohybující se kolem 2800-3800 µg.m-3 po dobu 2-3h jsou spojována se zvýšenou citlivostí dýchacích cest na bronchokonstriktory a koncentrace nad 3800 µg.m-3 s expozicí 1 až 3 h již způsobují změny plicní funkce jako např. zvýšený odpor dýchacích cest. Nicméně početné toxikologické studie sledující vliv krátkodobé (1h) expozice NO2 spojují již koncentrace nad 500 µg.m-3 s akutními zdravotními komplikacemi respiračního systému . A ačkoliv nejnižší hodinové koncentrace NO2 mající přímý vliv na plicní funkci u astmatiků se pohybují kolem 560 µg.m-3, pak některé studie týkající se bronchiální citlivosti mezi astmatiky naznačují zvýšení citlivosti i při koncentracích nad 200 µg.m-3. Na základě těchto studií je Světovou zdravotnickou organizací (WHO) doporučena maximální 1 h koncentrace NO2 rovna
200 µg.m-3 a průměrná roční koncentrace 40 µg.m-3.
V současné době převládá názor, že pro dlouhodobé účinky vzhledem k přítomnosti dalších interferujících škodlivin jako je PM10, O3, SO2 neexistují dostatečné podklady pro spolehlivé stanovení nejnižší prahové koncentrace, při kterých lze pozorovat účinky na zdraví. 

Způsob odběru 

Kontinuální měření NO2

K monitorování koncentrace NO2 bude využito na 3 měřících místech moderních kontinuálních měřících analyzátorů založených na principu chemiluminiscence.
Reakce oxidu dusnatého (NO) a ozónu (O3) v plynné fázi vydává charakteristickou luminiscenci s intenzitou přímo úměrnou koncentraci oxidu dusnatého podle rovnice:

NO + O3 -> NO2 + O2 + záření (600-3000 nm)

Emise záření je vyvolána přechodem vybuzených molekul NO2 na nižší energetické stavy a je měřena pomocí fotonásobiče. Oxid dusičitý (NO2) musí být, dříve než je ho možné měřit na základě chemiluminiscenční reakce, přeměněn na oxid dusnatý (NO). K přeměně NO2 na NO je použit vyhřívaný molybdenový konvertor . Přeměna probíhá podle reakce:

2 NO2 -> 2 NO + O2 

Kontinuální měřící analyzátor založený na principu chemiluminiscence. 

Měření je prováděno v následujících cyklech:

Cyklus NO – vzorek plynu prochází přímo měřící komorou, kde dochází k oxidaci NO molekulami ozónu. Výstupní signál fotonásobiče je úměrný koncentraci NO v měřeném vzorku.
Cyklus NOx – vzorek plynu prochází molybdenovým konvertorem a poté je smíchán s ozónem uvnitř reakční komory. Výstupní signál fotonásobiče je pak úměrný koncentracím NO + NO2 v měřeném vzorku.
Referenční cyklus (jen u AC32M a TEI42S) – Vzorek plynu prochází předreakční komorou, kde je smíchán s ozónem. Molekuly NO obsažené v měřeném vzorku jsou oxidovány na NO2 před vstupem do reakční komory. Výstupní signál z fotonásobiče je použit jako nulový referenční signál.
Koncentrace NO2 je rozdílem naměřených hodnot NOx a NO.
Koncentrace NO2 jsou kontinuálně ukládány do paměti analyzátorů. 

Charakteristika škodliviny

V důsledku změn emisních zdrojů jsou nyní průměrné roční koncentrace oxidu siřičitého v městech evropských zemí hluboce pod hladinou 50 µg.m-3. Podobně poklesly i hodnoty maximálních denních koncentrací.
Údaje o koncentracích oxidu siřičitého a dalších sloučenin síry v Evropě, a tedy i v ČR, jsou založeny na datech z národních monitorovacích sítí. Přirozené koncentrace oxidu siřičitého jsou obvykle nižší než 5 µg.m-3. Roční průměrné koncentrace SO2 ve většině venkovských oblastí Evropy jsou 5 až 25 µg.m-3.
Absorpce oxidu siřičitého na povrchu nosních sliznic a sliznic horních cest dýchacích je důsledkem jeho rozpustnosti ve vodném prostředí. Tato absorpce závisí na koncentraci: v nosní dutině dochází k 85% - 99% absorpci SO2. Pouze minimální množství oxidu siřičitého pronikne až do dolních cest dýchacích. Z dýchacích cest se oxid siřičitý dostává do krve. Vylučování oxidu siřičitého se děje hlavně močí.
Při porovnávání údajů z různých měst několika zemí bylo zjištěno kolísání mortality v důsledku všech možných příčin a zvláště v důsledku kardiorespiračních chorob. Lze sice říci, že existují roz1išitelné účinky dlouhodobé expozice vůči komplexní směsi typu suspendované částice – oxid siřičitý při relativně nízkých ročních koncentracích, avšak převládá názor, že na zák1adě vztahů tohoto typu nelze spolehlivě stanovit nejnižší koncentrace, při kterých lze pozorovat účinky na zdraví.
Při využívání údajů o nejnižších úrovních s pozorovanými účinky je nutno použít určitý bezpečnostní (ochranný) faktor pro ochranu zvláště citlivých astmatických pacientů. V souvislosti se stanovením nejnižší koncentrace spojené s pozorovatelnými účinky z hlediska ochrany zdraví na hodnotu 350 µg.m-3 (po dobu 1 hodiny) se zdá přiměřené k ochraně zdraví použít koncentraci až do 50 µg.m-3 pro trvalou nejméně celoroční zátěž. 

Způsob odběru 

Vzhledem k obvykle nízkým imisním koncentracím oxidu siřičitého v oblasti Jihlavy je pouze jedna automatická stanice imisního monitoringu (Jihlava – ZŠ Demlova) osazena analyzátorem stanovující koncentraci SO2 UV fluorescenční metodou.
Měření je založeno na excitaci molekuly SO2 absorpcí ultrafialového (UV) záření vhodné vlnové délky a následné emisi záření přesně známé vlnové délky při přechodu molekuly do základního stavu. Specificky:

SO2 + hv1 -> SO2* -> SO2 + hv2 

Zde hv1 je energetické kvantum, které je molekulami SO2 absorbováno a hv2 je energetické kvantum, které molekula SO2 vyzáří při přechodu na nižší energetický stav.
Intenzita tohoto záření je přímo úměrná koncentraci SO2 ve vzorku a je měřena pomocí fotonásobiče, jehož signál je zpracován elektronikou analyzátoru a předán na výstup.

Dávkové měření imisních koncentrací SO2

Na všech 10ti místech monitorování byly v týdenních cyklech instalovány pasivní dosimetry umožňující odběr a následnou laboratorní analýzu koncentrace SO2. 

Po první sérii analyzovaných vzorků na koncentraci NO2 a SO2 v ovzduší průmyslové zóny byl experimentálně v laboratoři zjišťován ukazatel výtěžnosti vzorku NO2 a SO2 z cartrige Radiello. Po ukončení celé epizody měření (září 2008 – únor 2009) byly také upřesněny i průměrné teploty v jednotlivých měřených týdenních epizodách. Tyto informace nám umožnily ve shodě s firemním doporučeným postupem výrobce pasivních dosimetrů korigovat výsledky naměřených dat na reálnou výtěžnost a také upřesnit difúzní koeficient těchto látek na přesné klimatické podmínky, čímž došlo k dalšímu zpřesnění výsledků naměřených dat a k celkovému snížení mezí detekce jednotlivých metod. Mez citlivosti analytické metody na stanovení SO2 a NO2 z jednoho dosimetru metodou UV-VIS byla stanovena ve srovnání s reálnými měřenými koncentracemi SO2 poskytnutými kontinuálním analyzátorem příliš vysoko <5 µg.m-3. Pro orientační stanovení koncentrací SO2 se jako vhodnější ukázala varianta stanovení síranových aniontů z absorpční cartrige jejíž náplní je silikagel. Návaznost naměřených dat metodou IC v souvislosti s různými typy záchytů SO2 v absorpčních cartrigiích byla experimentálně otestována, přičemž výsledky se lišily v akceptovatelném intervalu do ± 20%.
Vzhledem k tomu, že citlivost metody stanovení SO2 metodou UV-VIS byla příliš nízká, uvádíme v protokolu o měření výsledky naměřených dat stanovení síranových iontů metodou IC po předchozím navázání a ověření shodnosti výsledků pocházejících ze dvou různých sorbentů. Naměřená data uvádíme v protokolu o měření jako orientační koncentrace SO2 metodou IC, která disponuje nižší mezí detekce. V grafické závislosti jsou vyneseny orientační koncentrace SO2 a koncentrace SO2 naměřené kontinuálním automatickým analyzátorem, které ukazují u obou metod společné trendy nárůstu a poklesu koncentrací SO2. 

Charakteristika škodliviny

Troposférický (přízemní) ozon je sekundární znečišťující látkou v ovzduší, která nemá vlastní významný emisní zdroj. Vzniká za účinku slunečního záření komplikovanou soustavou fotochemických reakcí zejména mezi oxidy dusíku, těkavými organickými látkami (zejména uhlovodíky) a dalšími složkami atmosféry.

Chemické reakce vedoucí k tvorbě troposférického ozónu se skládají ze série komplexních cyklů, ve kterých jsou oxid uhelnatý resp. VOC oxidovány na vodu a oxid uhličitý. Reakce uvedeny níže jsou sestaveny s oxidem uhelnatý, ale obdobné reakce existují rovněž pro VOC.
Oxidační reakce začíná reakcí oxidu uhelnatého (CO) s hydroxylovým radikálem. Vznikající vodíkový atom velmi rychle reaguje s kyslíkem na peroxy radikál HO2. 

OH + CO → H + CO2
H + O2 → HO2

Peroxy radikál poté reaguje s oxidem dusným (NO) za vzniku oxidu dusičitého NO2, jenž je fotolyzován za vzniku atomárního kyslíku, který s molekulárním kyslíkem reaguje na troposférickýozón.

HO2 + NO → OH + NO2
NO2 + hν → NO + O
O + O2 → O3

Ozon je velmi účinným oxidantem. Poškozuje převážně dýchací soustavu, způsobuje podráždění, morfologické, biochemické a funkční změny a snižuje obranyschopnost organismu. Je prokazatelně toxický i pro vegetaci.

Nařízení vlády č. 597/2006 Sb. požaduje hodnocení koncentrace ozonu ve vztahu k ochraně lidského zdraví provádět jako průměr za poslední tři roky. Pokud nejsou tři roky k dispozici, je brán průměr za dva roky, popř. jeden rok v souladu s požadavky nařízení vlády.

Způsob odběru

Analyzátor je založen na principu pohlcování ultrafialového záření o vlnové délce 254nm molekulami ozónu (O3) . Stupeň pohlcení ultrafialového záření je přímo úměrný koncentraci ozónu podle Beer-Lambertova zákona:

I/I0=e-KLC

K-koeficient molekulární absorpce
L-délka měřící kyvety (38 cm)
C-koncentrace ozónu
I-intenzita ultrafialového záření ve vzorku s ozónem
I0-intenzita ultrafialového záření ve vzorku bez ozónu (referenční plyn)

Vzorek po přivedení do analyzátoru je rozdělen do dvou toků. Jeden prochází odstraňovačem ozónu, aby se z něho stal referenční plyn (I0). Referenční plyn pak jde do referenčního ventilu. Druhý tok proudí přímo do vzorkovacího ventilu. Ventily elektronicky po 10 sekundách přepínají toky referenčního a vzorkovaného plynu mezi měřícími kyvetami A a B. Když obsahuje měřící kyveta A referenční plyn, kyveta B obsahuje vzorkovaný plyn a naopak. Intenzity ultrafialového záření v obou kyvetách jsou měřeny detektory v měřících kyvetách A a B. Když ventily přepnou referenční a vzorkovaný plyn do opačných měřících kyvet, intenzita záření je na několik sekund ignorována, aby se mohly měřící kyvety naplnit. Analyzátor měří koncentraci ozónu pro každou měřící kyvetu. Na displeji a na výstupu analyzátoru je pak průměrná koncentrace z obou měřících kyvet.