Land use and air quality in urban environments

שימוש בקרקע ואיכות האוויר בסביבות אורבאניות: אומדן הסיכון הבריאותי כתוצאה משאיפת חלקיקים הנישאים באוויר

תקציר

חומר חלקיקי (PM) והתרכובות הקשורות שלו מהווים בעיה רצינית עבור איכות האוויר האורבאני ואיום על בריאות האדם. במחקר הנוכחי, אמדנו את השונות התוך-אורבאנית של PM, ואפיינו את הסיכון הבריאותי הקשור בשאיפת חלקיקים שנמדדו בעזרת מסנני PM, תוך בחינת אזורי שימוש קרקע שונים באזור האורבאני של קורדובה (ארגנטינה) ובקרב קבוצות גיל שונות. בכדי לבחון את השונות התוך-אורבאנית של PM, ביססנו רשת ניטור ביולוגי של T. capillaris ב- 15 אתרי דגימה עם שימושי קרקע שונים ואמדנו את ההצטברות הביולוגית של קובלט (Co), נחושת (Cu), ברזל (Fe), מנגן (Mn), ניקל (Ni), עופרת (Pb) ואבץ (Zn). לאחר מכן, נאספו חלקיקים באמצעות מוניטורים שמוקמו באתרי הדגימה המייצגים ביותר של כל קטגוריית שימוש בקרקע וחושב סיכון השאיפה. נמצא הבדל תוך-אורבאני משמעותי בתכולת המתכות הכבדות שנמדדו בביו-מוניטורים, ביחס לאתר הדגימה והשימוש בקרקע. הכמות הגדולה ביותר נמצאה באזורים תעשייתיים, וכמו גם באתרים עם תנועה רבה של כלי רכב. רמות ממוצעות של PM10 עלו על התקן המוצע על ידי ה- EPA בכל אזורי השימוש בקרקע, מלבד מרכז העיר. ערכי מדד המפגע היו מתחת לגבול הבטיחות של ה- EPA בכל האזורים ובקבוצות הגיל השונות. באופן נגדי, ניתוח הסיכון הקרצינוגני הראה כי כל האזורים האורבאניים חרגו מהגבול המקובל (1 x 10-6), בעוד שאתרי הדגימה התעשייתיים וקבוצת הקשישים הציגו סיכון קרצינוגני החורג מהגבול הבלתי-מקובל. ממצאים אלו מאששים את השימוש ב- T. capillaris למדידת איכות האוויר התוך-אורבאנית ומראים כי קיימת שונות תוך-אורבאנית חשובה בסיכון הבריאותי הקשור בשימושי קרקע שונים.

1. מבוא

זיהום אוויר נחשב בתור אחת הבעיות הסביבתיות הגדולות ביותר, במיוחד בסביבות אורבאניות עם גידול אוכלוסייה קבוע וירידה באיכות האוויר הפרופורציונאלית לגידול זה. מאז שנות ה- 90, כימות החומר החלקיקי, PM10 או PM2.5, גדל אקסופננציאלית כתוצאה ממחקרים רבים המראים כי ריכוזים גבוהים של PM קשורים בתוצאות שליליות לבריאות האדם. החלקיקים מורכבים מליבה שהרכבה תלוי במקור הפליטה שלהם ומספר גדול של חומרים נבלעים, כמו מתכות כבדות, תרכובות אורגניות, חומרים ביולוגיים, יונים, גזים ריאקטיביים ורכיבים מינראליים. בסביבות אורבאניות, הנוכחות של מתכות במקטע האי-אורגני של החלקיקים הנישאים באוויר מגיע בעיקר מפעילויות של עיבוד מתכות, אבק דרכים, ייצור מלט, תרחיף-חוזר של אדמה, שריפת פסולת ולעתים גם שריפת פחם. כלי רכב מהווים מקור עיקרי נוסף של פליטת חלקיקי מתכת באמצעות תהליכי בערה, תחבורה, שחיקת חלקי מתכת ומפלטים של כלי רכב.

מספר מחקרים אישרו כי קיים קשר בין חשיפה של בני אדם לחלקיקים לבין שיעור תמותה גבוה. בנוסף, מחקרי טוקסיקולוגיה ואפידמיולוגיה שנערכו בשנים האחרונות מצאו ראיות חזקות לקיומו של קשר בין חלקיקי מתכות לבין השפעות בריאותיות טוקסיקולוגיות אפשריות. אכן, חלקיקי מתכות נמצאו קשורים להשפעות בריאותיות מזיקות כמו סרטן ראיות, נזק לכלי הדם, טרשת עורקים, לחץ דם גבוה, ומחלות אחרות. לפיכך, חשוב ביותר לבצע ניטור זהיר של חלקיקי מתכות בסביבות אורבאניות על מנת להשיג מידע הקשור לחשיפת האוכלוסייה. לפיכך, עבור הערכה ראשונית לגבי ההשפעות הבריאותיות האפשריות של מזהמים אלו, אסטרטגיות של אומדן סיכונים מהוות גישה מעניינת, השוקלת את הטוקסיות של המזהמים לצד דרכי חשיפה שונות. אסטרטגיות של אומדן סיכונים מיושמות באופן נרחב על ידי הרשויות הממשלתיות כדי להגדיר את הערכים המנחים במדינות מפותחות.

אוכלוסיית כדור הארץ מרוכזת באזורים אורבאניים, עובדה המצביעה על הצורך בניטור זיהום האוויר בסביבות אלו. עם זאת, הזמינות של אמצעי ניטור במדינות מתפתחות לעתים קרובות הינה נדירה, בעיקר בשל העלויות הגבוהות שלהם. אחת החלופות לאמצעי ניטור אלו הוא השימוש בביו-מוניטורים, כלומר, השגת מידע לגבי רמות המזהמים וההשפעות שלהם באמצעות אורגניזמים חיים. בנוסף, השימוש בניטור ביולוגי אקטיבי וזיהוי ביו-מארקרים יעילים הוצע ככלי משלים חיוני לניטור אינסטרומנטלי. בנוסף, לניטור ביולוגי יש שלל יתרונות על פני ניטור אינסטרומנטלי: ניתן באמצעותו לאמוד מספר גדול של אתרי דגימה שונים באופן סימולטני, ביו-מוניטורים הם זולים בהרבה, והם מספקים מידע לגבי השפעות המזהמים על אורגניזם חי. צמחים אפיפיטיים הם אחד הביו-מוניטורים האטמוספריים הנפוצים ביותר, מכיוון שהם משיגים את הנוטריאנטים שלהם מהאטמוספרה תוך הימנעות מההשפעות של מזהמי קרקע. בפרט, מינים שונים של הגנוס טילנדסיה נמצאו כביו-מוניטורים מתאימים של מתכות כבדות הקשורות בחלקיקים הנישאים באוויר ברחבי אזורים גדולים בארגנטינה. עם זאת, ביו-מוניטורים אלו מעולם לא יושמו בקנה מידה מקומי.

למרות שידוע כי מפלטי כלי רכב הם מקור הפליטה העיקרי של חלקיקים הנישאים באוויר בקורדובה, וכי המספר שלהם עלה באופן אקספוננציאלי בשנים האחרונות, הפליטה שלהם אינה מנוטרת באופן עקבי. אחד המחקרים הקודמים בנושא אמד את ההשפעה הבריאותית של המקטע האורגני של PM בקורדובה, אך הסיכון הנובע מחלקיקי מתכות עדיין אינו ידוע. לפיכך, המטרה של המחקר הנוכחי הייתה להעריך את השונות התוך-אורבאנית של PM ביחס לאזורי שימוש קרקע שונים, תוך יישום מוניטורים ביולוגיים ואינסטרומנטליים, לצד חישוב הסיכון הקרצינוגני והלא-קרצינוגני (או טוקסיקולוגי) הקשור בשאיפת חלקיקי מתכות כבדות. בנוסף, ביקשנו לתת תוקף לשימוש ב- T. capillaris בתור ביו-מוניטור לבדיקת הבדלי איכות אוויר תוך-אורבאניים.

איור 1: מיקום אתרי הדגימה (n = 15 אתרים) בעיר קורדובה, ארגנטינה. ★ אתרי דגימה עם ביו-מוניטורים ומוניטורים אינסטרומנטליים. • ביו-מוניטורים בלבד.

טבלה 1: מינון הייחוס המתבטא בתור ריכוז הייחוס (RfC) וגורם עוצמת הסרטן מתבטא בתור סיכון יחידת שאיפה (IUR) עבור אלמנטים שנקבעו ב- PM10.

טבלה 2: הפרמטרים שיושמו עבור אומדני סיכון מסרטנים ולא-מסרטנים בקבוצות גיל שונות.

Ira,b: קצב שאיפה; ET- זמן החשיפה; EF – תדירות החשיפה; ED – משך החשיפה; BW – משקל גוף; AT – זמן חשיפה ממוצע במשך כל החיים. a נחשב בתור חשיפה של אנשים למזהמים בכל יום במהלך השנה. b תוחלת החיים הצפויה של גברים ונשים.

טבלה 3: תנאים מטאורולוגיים במשך תקופת הניטור הביולוגי והאינסטרומנטלי.

איור 2: bi-plot המייצג קשרים בין מתכת כבדות המצטברות ב- T. capillaris וקטגוריות אתרי הדגימה (MMI – תעשיות מכאניות-מתכתיות; MI – תעשיות מתכת; CP – מפעל מלט; ST – תנועה איטית במרכז העיר; FT – תנועה זורמת בשדרות; NR – מגורים צפוניים; SR – מגורים דרומיים; A – חקלאות).

איור 3: ריכוז PM10 (μg/m3) יומי ממוצע (n = 6) באזורי שימוש קרקע שונים. (A – חקלאות; CP – מפעל מלט; MI – תעשיית מתכת; MMI – תעשיות מכאניות-מתכתיות; NR – מגורים צפוניים; SR – מגורים דרומיים; FT – תנועה זורמת בשדרות; ST – תנועה איטית במרכז העיר). הקו האדום הוא התקן העיקרי של PM10 (150 μg/m3) שנקבע ב- NAAQS (USEPA).

2. חומרים ושיטות

2.1. אזור המחקר ואתרי הדגימה

המחקר נערך בעיר קורדובה, העיר השנייה בגודלה בארגנטינה הממוקמת באזור המרכזי, עם אוכלוסייה של 1.3 מיליון איש. העיר ממוקמת בתוך שקע הגורם לסירקולציה גרועה של אוויר, וכתוצאה מכך מתרחשות אינוורסיות תרמיות אינטנסיביות רבות גם בסתיו וגם בחורף, התקופות בהן מתועדות אפיזודות זיהום האוויר הגבוהות ביותר. האקלים הוא חצי-יובשני (sub-humid), עם כמות גשם שנתית ממוצעת של 790 mm המתרכזת בעיקר בקיץ. הטמפרטורה השנתית הממוצעת היא 17.4oC, עם רוחות המגיעות מצפון-מזרח, דרום ודרום-מזרח. במהלך העונה הקרה, 21 ביוני עד 21 בדצמבר 2013, הצבנו רשת ניטור ביולוגי ב- 15 אתרי דגימה אורבאניים שסווגו לפי שימוש הקרקע שלהם, לפי חקלאות (A), תעשייה (I), מגורים (R) ואזור אורבאני עם תנועת כלי רכב אינטנסיבית (T). לאחר מכן ערכנו סיווג מפורט יותר בהתאם למיקום של אתרי המגורים, סוג התעשייה ותנועת כלי רכב. לפיכך, ניטרנו 4 אתרים עם תנועה כבדה, ששניים מהם ממוקמים בשדרות גדולות עם תנועה אינטנסיבית וזורמת (FT), והשניים האחרים ממוקמים במרכז העיר עם תנועה אינטנסיבית ואיטית (ST); אתר דגימה נוסף מוקם ליד אזור חקלאי (A); 3 אתרי תעשייה מוקמו קרוב לתעשיות מתכת (MI), תעשיות מכאניות-מתכתיות (MMI), ומפעל מלט (CP); ושני אתרי דגימה הממוקמים באזורי מגורים בצפון (NR) ובדרום (SR) העיר (איור 1). מוניטורים אינסטרומנטליים מוקמו, מ- 21 ביוני עד 21 בספטמבר 2014, ב- 10 מתוך 15 אתרי הדגימה שהיו המייצגים ביותר של כל קטגוריית שימוש קרקע, ובנוסף היו בטוחים מספיק בכל הנוגע להימנעות מוונדליזם. אנו מכירים בכך שבסביבות אורבאניות קיימת חפיפה רבה בין אזורי שימוש קרקע, ולפיכך, בכדי להימנע מאפקט זה, בחרנו רק אתרי דגימה שהיו מוקפים באותה קטגוריה של שימוש קרקע.

טבלה 4: הרכב PM10 (μg/m3) ± סטיית תקן (SD) (n = 6) בקטגוריות שימוש קרקע שונות (A – חקלאות; CP – מפעל מלט; MI – תעשיית מתכת; MMI – תעשיות מכאניות-מתכתיות; NR – מגורים צפוניים; SR – מגורים דרומיים; FT – תנועה זורמת בשדרות; ST – תנועה איטית במרכז העיר) ותוצאות ANOVA (ערכי p). * p < 0.05 ** p < 0.01 *** p < 0.001, ns – אינו מובהק, nd – אין נתונים.

2.2. ניטור ביולוגי

2.2.1. חומרים ביולוגיים, הכנת הדגימות וניטור ביולוגי אקטיבי

צמחי T. capillaris (איור S1 נספחים) נאספו מגזעי עצים באזור טבעי, לה-קבראדה, הממוקם 38 ק”מ צפון-מזרחית לעיר. אזור זה (שמורת טבע הידרידית) נחשב בתור נקודה בלתי-מזוהמת. הדגימות נערכו רק כאשר עברו 5 ימים רצופים ללא גשם. האיסוף התבצע באמצעות כפפות פלסטיק כדי למנוע זיהום של הדגימות. במעבדה, הופרד חלק מחומר הצמח, יובש עד קבלת משקל קבוע, ונשמר בטמפרטורה של -15oC בחושך עד הניתוח. דגימות אלו שימשו בתור בקרה (קו-בסיס).

שאר החומר הונח בשקיות רשת (30 cm x 15 cm), 10-12 צמחים בכל אחת (200 g בכל שקית בקירוב), ונשתל באתרי הדגימה השונים (n = 3 שקיות/אתר) לפי המחקר של וואנאז ופיגנטה ואבריל ועמיתיו. השקיות מוקמו 3 מטר מעל פני הקרקע בענפי עצים שנחשפו במשך 6 חודשים. לאחר תקופה זו הצמחים נאספו, הונחו בשקיות נייר ויובשו עד קבלת משקל קבוע.

2.2.2. כימות מתכות כבדות

דגימות עלים בלתי-שטופות (2.5 g DW) של T. capillaris נטחנו לאפר ב- 450oC במשך 4 שעות ולאחר מכן עוכלו עם HNO3 מרוכז בחושך במשך 24 שעות. לאחר מכן הדגימות סוננו ותמיסות החומצה נותחו על ידי ספקטרוסקופיית בליעה אטומית (AAS) באמצעות ספקטרופוטומטר Perkin Elmer דגם AA3110 על מנת לכמת את התכולה של Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, ו- Zn. כל התוצאות הללו בוטאו ב- μg g-1 DW.

2.2.3. בקרת איכות

על מנת לאמת את מידת הדיוק של תהליך זה,  בלנקים של עיכול ושתי דגימות משוכפלות של חומר ייחוס מאושר של עלי טבק אוריינטלי (“CTA-OTL-1”, INCT) הוכנו על פי אותו טיפול והורצו כל 10 דגימות על מנת לשלוט בשיטת הניתוח. הערכים של כל דגימות הבלנק היו מתחת לגבול הזיהוי של AAS, עם אחוזי התאוששות בין 85.18% (Cu) ל- 97.33% (Mn) (טבלה S2).

טבלה 5: מנות מפגע (HQ) ומדד מפגע (HI) עבור מתכות לא-קרצינוגניות שנמדדו בדגימות PM10 שנאספו בקטגוריות שימוש קרקע שונות בקורדובה, לפי קבוצות גיל.

a R – מגורים; A  – חקלאות; CP – מפעל מלט; MI – תעשיית מתכת; MMI – תעשיות מכאניות-מתכתיות; FT – תנועה זורמת בשדרות; ST – תנועה איטית במרכז העיר. nd – אין נתונים.

2.3. ניטור אינסטרומנטלי

2.3.1. מדידות PM

החלקיקים נאספו במשך 24 שעות (בשלושה ימים רצופים ללא גשם במשך תקופת הדגימה ולפחות יום אחד ללא גשם לפני תחילת הניטור) בכל אתר דגימה, פעמיים במשך תקופת החורף (21 יוני עד 30 באוגוסט 2014), באמצעות סמפלרים Handi-Vol בנפח בינוני עבור סך החלקיקים באוויר (TSP) המצוידים עם מסנני סיבי זכוכית (גודל נקבובית 0.6 μm וקוטר 10 mm). הסמפלר הוצב בגובה 7 מטר מעל פני הקרקע בכל אתר דגימה ופעל בקצב זרימה של 0.2 m3 min-1 בכדי לקבל נפח דגימה כולל מעל 300 m3 במשך תקופת 24 השעות. כל המסננים שנחשפו עברו מיצוב בדסיקטור במשך 24 שעות בכדי להיפטר מהלחות. מסנני החשיפה קופלו לאחר מכן ונארזו ברדיד אלומיניום ואוחסנו בשקיות פלסטיק אטומות עד הניתוח. ריכוז ה- TSP (μg m-3) נקבע באופן גרווימטרי באמצעות מאזני-מיקרו אלקטרוניים עם רזולוציה של 0.01 mg, בהתחשב בנפח האוויר המסונן. נתוני ה- TSP עברו טרנספורמציה ב- PM10 תוך שימוש בגורם ההמרה (PM1- = 0.83 x TSP) שהוצע על ידי הנחיות המועצה של הנציבות האירופית משנת 1999.

2.3.2. נתונים מטאורולוגיים

נתוני מזג האוויר נאספו מהתחנה המטאורולוגית של השירות המטאורולוגי הלאומי הממוקמת בנמל התעופה של קורדובה, 9.5 ק”מ צפונית למרכז העיר, הנחשבת כמקור הנתונים האמין ביותר באזור. עבור המחקר הנוכחי, אמדנו את ההשפעה של הטמפרטורה הממוצעת (oC), לחות יחסית (%), לחץ אטמוספרי (hPa), Pa) מהירות הרוח (km h-1), וכמות הגשם (mm).

2.3.3. ההרכב האי-אורגני של PM

ההרכב האי-אורגני (As, Ba, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb ו- Zn) של החלקיקים שנאספו במסננים נותח באמצעות פלורוסנטיות X-ray בהחזרה מלאה (TXRF). כל דגימה עוכלה עם 25 mL של HNO3 (20%) ועברה צנטריפוגה במשך 15 דקות ב- 3000 rpm. מנה של 0.9 mL של הסופרנטנט נלקחה ו- 0.1 mL של 110 ppm תמיסת Ge הוספו בתור הכיול הפנימי. לבסוף, מנות של 5 μl נלקחו מתמיסה זו ויובשו בתנור ב- 60 ± 2oC בתמיכה אקרילית. הדגימות נמדדו במשך 200 s, באמצעות מערך ההחזרה המלאה שהוצב על קו-קרן ה- X-ray הפלורוסנטי של מעבדות LNLS. קרן פולי-כרומטית ברוחב 5 mm ובגובה 0.1 mm שימשה עבור העירור. לצורך גילוי ה- X-ray, השתמשנו בגלאי Si (Li) עם רזולוציית אנרגיה של 165 eV ב- 5.9 keV. התמיסות הסטנדרטיות עם ריכוזים ידועים של כל האלמנטים אותם יש לקבוע (Ge ככיול פנימי) הוכנו עבור הכיול של המערכת.

איור 4: A) מדד המפגע; B) הסיכון הקרצינוגני הכולל עבור קטגוריות שימוש הקרקע השונות וקבוצת הגיל.

2.4. אומדן סיכונים

אומדן הסיכון הבריאותי לאדם הינו הערכה של האופי וההסתברות של השפעות בריאותיות מזיקות על בני אדם העשויים להיחשף לכימיקלים, בהווה או בעתיד. ניתן לסווג סיכון זה בתור אומדן סיכון סרטני או לא-סרטני, בהתאם להשפעות של הכימיקלים על בריאות האדם. הסיכון לסרטן נחשב כתגובה סטוכסטית, כלומר עלייה במינון אין פירושה בהכרח עלייה בחומרת התגובה, אלא בהסתברות של ההתרחשות. מצד שני, אומדן סיכון לא-סרטני נחשב כדטרמיניסטי, כלומר, כאשר המינון עולה, צפויה תגובה חמורה יותר.

אומדני סיכון לגבי חשיפה לחלקיקים דרך שאיפה מהווים כלי התורם לניהול איכות האוויר, במיוחד במדינות מתפתחות בהן קיים מידע מועט לגבי ההרכב והריכוז של החלקיקים. בנוסף, מספר רב של מחקרים מראים כי קבוצות גיל מסוימות עלולות להיות רגישות יותר למזהמי אוויר בהשוואה לקבוצות אחרות. מחקר זה מנסה לאמוד סיכון בריאותי לא-קרצינוגני בהתבסס על ריכוזים של 7 מתכות כבדות (Ba, Co, Cr, Cu, Mn, Pb ו- Zn) לצד סיכון קרצינוגני הנגרם מחשיפה למתכות קרצינוגניות (Co, Cr, Ni ו- As) דרך שאיפה בקרב מספר קבוצות גיל שונות באמצעות השיטות הסטנדרטיות של ה- EPA. סיווג המתכות לקרצינוגניות או לא-קרצינוגניות מבוסס על מערכת המידע IRIS של USEPA.

הסיכונים הקרצינוגניים הספציפיים-למתכת חושבו על בסיס מינון יומי במיצוע-חיים (LADD, mg (kg day)-1) וגורם השיפוע (SF,   mg-1(kg day-1) ) (משוואה 1).

(1) סיכון קרצינוגני ספציפי-למתכת = [LADD] x SF.

(2) סיכון קרצינוגני ספציפי-למתכת = [CA x IF] x SF.

(3) סיכון קרצינוגני ספציפי-למתכת = .

ה- LADD הוא הקליטה היומית הכרונית של חומרים קרצינוגניים וניתן לחשבו על פי משוואה (2) באמצעות ריכוז ההרכב (Ca, mg m-3) וגורם הקליטה (IF, m-3 kg – 1 day-1) כאשר LADD = [CA x IF]. ה- IF  חושב מפרמטרים פיזיולוגיים ופרמטרי חשיפה ספציפיים-לגיל (משוואה (3)), כאשר IRa הינו קצב הנשימה המתבטא בתור m3 h-1; תדירות החשיפה (EF) היא המספר של חשיפות בכל שנה; משך החשיפה (ED) הוא משך החשיפה בשנים; זמן החשיפה (ET) הוא מספר השעות לכל חשיפה; משקל הגוף (BW) הוא משקל המחדל של הגוף הרצפטורי (kg) והזמן הממוצע (AT) הוא היקף החשיפה הממוצע במשך החיים (28,489.5 ימים של חשיפה קרצינוגנית). גורם השיפוע הינו אומדן של גבול ההסתברות העליון לכך שאדם מסוים יפתח סרטן כתוצאה מחשיפה לרמות מסוימות של קרצינוגנים פוטנציאליים במשך תקופת חייו. גורם זה חושב בהתאם לסיכוני יחידות שאיפה (IUR) על סמך גורמי עוצמת סרטן עבור חשיפה בשאיפה, משקל הגוף (BW) פר 1000 (גורם המרה, μg mg-1), וקצב הנשימה IRb המתבטא בתור m3 day-1. ערכי ה- IUR שיושמו מוצגים בטבלה 1, ומתבטאים בתור m3 μg-1. מספר מחקרים מצביעים על כך שחלקים מסוימים באוכלוסייה עלולים להיות רגישים יותר למזהמי אוויר מאשר אחרים. לפיכך, השוונו את הסיכון הבריאותי ב- 4 קטגוריות גיל: ילדים (0 עד < 11 שנים), צעירים (11 עד < 21 שנים), מבוגרים (21 עד < 61 שנים), וקשישים (> 61 שנים). כל הפרמטרים שיושמו בכל קבוצה מוצגים בטבלה 2. אמת המידה של הרמה הקרצינוגנית מייצגת חשיפה המציבה גבול עליון של סיכון-יתר לסרטן במהלך כל החיים של 1 x 10-6. חשיפה שעבורה גורם הסיכון עלה על 1 x 10-6 (כלומר, התרחשות אחת לכל מיליון איש) הוגדרה כמובהקת.

על מנת לאמוד את הסיכון הלא-קרצינוגני הנגרם מחשיפה לשאיפת חלקיקים, חישבנו מנת מפגע (HQ) בהתאם למשוואה (4), האומדת את הסיכון של מזהם בודד באמצעות LADD וריכוז ייחוס ספציפי (RfC) שהוא אומדן הסיכון המותר המקסימאלי לבני אדם דרך חשיפה יומית. המטרה של ניתוח זה היא לקבוע האם החשיפה למזהם ספציפי חורגת מהגבול המייצג חשש סביבתי.

(4) HQ = LADD/RfC.

ה- RfC הוא אנלוגי לשאיפת מינון הייחוס (RfDinh) והוא מבוסס על ההנחה כי קיים סף מסוים להשפעות טוקסיות מסוימות. זהו אומדן של חשיפה יומית דרך שאיפה אותה האוכלוסייה מסוגלת לסבול במשך תקופת חיים שלמה ללא הופעת השפעות מזיקות. ה- RfC (mg kg-1 day-1) מוצגים בטבלה 2, ואלו הערכים המומלצים על ידי תוכנית IRIS של ה- EPA. ערך של HQ ≤ 1 נחשב באופן כללי בתור סיכון מתקבל על הדעת, בעוד ש –HQ העולה על 1 נחשב בתור אינדיקאטור לסיכון אפשרי עבור אינדיבידואלים מסוימים העלולים לסבול מהשפעות בריאותיות שליליות כתוצאה מהחשיפה. על מנת לאמוד את ההשפעות הלא-קרצינוגניות האפשריות המלאות הנגרמות מכל המתכות (לדוגמא, i) ערכי ה- HQ התואמים לכל מתכת סוכמו ומתבטאים בתור מדד המפגע (HI):

(5)

אם HI הוא קטן מ- 1, לא צפויה השפעה בריאותית מזיקה. לעומת זאת, כאשר HI > 1, הכימיקלים האינדיבידואליים וה- HQs שלהם ייבחנו על מנת לקבוע האם הסכום של ה- HQs של כל הכימיקלים הפועלים דרך מסלול מסוים (טוקסי-דינאמיקה זהה) הוא גדול יותר מ- 1. אם לא, אזי התחזית כי לא צפויות השפעות בריאותיות נותרת בעינה.

איור 5: התפלגות מרחבית לפי קריגינג של הסיכון הלא-קרצינוגני (HI) (1) והקרצינוגני הכולל (2) בעיר קורדובה.

טבלה 6: סיכון קרצינוגני עבור As, Co, Cr, ו- Ni שנמדד בדגימות PM10 שנאספו בקטגוריות שימוש קרקע שונות בקורדובה, לפי קבוצות גיל.

a R – מגורים; A  – חקלאות; CP – מפעל מלט; MI – תעשיית מתכת; MMI – תעשיות מכאניות-מתכתיות; FT – תנועה זורמת בשדרות; ST – תנועה איטית במרכז העיר. nd – אין נתונים.

2.5. ניתוח סטטיסטי

הנחות הנורמאליות נבחנו באמצעות מבחן שפירו-וילק, ומשתנים בהתפלגות לא-נורמאלית עברו טרנספורמציה LOG10; ההומוגניות של השונות נבדקה באמצעות מבחן Levene. הסטטיסטיקות התיאוריות חושבו עבור קביעת כמות המתכות הכבדות בביו-מוניטור (T. capillaris), הריכוז של המתכות שנקבעו במסננים שנאספו על ידי המוניטורים האינסטרומנטליים ומאסת ה- PM. בנוסף, נערך ניתוח קורלציית פירסון בין כל משתנים אלו. ההבדלים ברמות של המתכות הכבדות בין אתרי הדגימה נאמדו באמצעות ניתוח שונות חד-כיווני (ANOVA). כאשר השערת ה- null של ה- ANOVA נדחתה (רמת מובהקות < 0.05), בוצעו השוואות פוסט-הוק בכדי לחקור הבדלים בין זוגות של ממוצעים (LSD). ניתוח רב-משתנים (ניתוח גורמים ראשיים PCA) נערך תוך שימוש באתרי הדגימה בתור קריטריון הסיווג על מנת לאמוד את הקשר בין תכולת מתכות כבדות בביו-מוניטור לבין מקורות הפליטה העיקריים. בנוסף, אומדני הסיכון מופו בעזרת Surfer 11.6.

3. תוצאות ודיון

הפרמטרים המטאורולוגיים במהלך חשיפת הביו-מוניטורים והמוניטורים האינסטרומנטליים מוצגים בטבלה 3. לא נמצאו הבדלים מובהקים בין שתי תקופות הדגימה.

3.1. ניטור ביולוגי: תכולת מתכות כבדות ב- T. capillaris

תכולת המתכות הכבדות שהצטברה בדגימות של T. capillaris מראה הבדלים מובהקים בין קטגוריות שימושי הקרקע, ממצא המצביע על שונות משמעותית באיכות האוויר התוך-אורבאנית (טבלה S1 בנספחים). ה- PCA הורץ עם מתכות כבדות בתור משתנים תלויים וקטגוריות שימושי הקרקע בתור קריטריון הסיווג, והראה כי הגורם הראשון והשני (CP1 ו- CP2) הסבירו 83.4% מהשונות הכוללת (איור 2).

מספר הגורמים הראשיים נקבע עם ערכי-אייגן הגדולים מ- 1 המסבירים יותר מ- 75% מהשונות. הגורם הראשון מיוצג על ידי Cu, Ni, Fe ו- Mn, עם קשר חזק לתנועה במרכז העיר ואתרי דגימה הקרובים לתעשיות מכאניות-מתכתיות. כל האלמנטים הללו מצביעים על נוכחות של מקורות אנתרופוגניים, גם כלי רכב וגם תעשיות; בעוד ש- Fe ו- Cu יכולים להצביע בנוסף על תרחיף-חוזר של אדמה. הגורם השני אושר על ידי Pb, Co ו- Zn, שנפלטו בעיקר על ידי מפלטים של כלי רכב, המסוגלים לשקוע ולאחר מכן לעבור תרחיף-חוזר בצורת אבק, או יכולים להגיע מחלקים אחרים של כלי רכב כמו צמיגים, בלמים, גלגלים או שחיקת ביטומן. יש לציין כי לכל האלמנטים הללו יש השפעות בריאותיות מזיקות מוכחות, ממצא המצביע על הצורך בניתוח סיכונים בריאותיים לאוכלוסייה.

3.2. ניטור אינסטרומנטלי

איור 3 מציג ריכוז PM10 ממוצע (μg/m3). להוציא את התנועה במרכז העיר, רמות PM10 ממוצעות בכל קטגוריות שימושי הקרקע היו גבוהות יותר מהתקן העיקרי של USEPA (≤ 150 μg/m3) ותקן 24 השעות של WHO (50 μg/m3). ההשוואה לערכי PM שנמדדו בערים אחרות עם טופוגרפיה דומה מראה כי הרמות שתועדו בקורדובה הן גבוהות ביותר. לדוגמא, פרז ורייס מדדו ערכים מקסימאליים של 220 μg/m3 בזמן החורף בסביבת סנטיאגו, צ’ילה; בבוגוטה, ערכי ה- PM10 הגבוהים ביותר לא הגיעו ל- 100 μg/m3, ובמקסיקו סיטי תועדו ערכים הקרובים ל- 130 μg/m3 רק בעונת הקור היבשה.

בהתחשב ברמות ה- PM10 בקורדובה בשנים האחרונות, אולקסה וטוסלי מדדו 80 μg/m3 במרכז העיר ו- 120 μg/m3 באזור הפרברים במהלך 1995-1996; במהלך תקופה זו נרשמו רק מספר חריגות מהתקן של USEPA. לופז ועמיתיו חקרו שתי נקודות דגימה בתוך העיר במהלך 2009-2010 ותיעדו 107 μg/m3 ו- 101 μg/m3 באתר דגימה תעשייתי וחצי-אורבאני, בהתאמה. התוצאות שלנו מראות עלייה משמעותית בריכוז PM10 במהלך השנים האחרונות, שניתן לשייכו חלקית לעלייה עצומה במספר כלי הרכב הפרטיים והתחבורה הציבורית.

ההשוואה בין הקטגוריות (טבלה 4) מראה כי התעשיות המכאניות-מתכתיות היוו את אתרי הדגימה עם הריכוזים הגבוהים ביותר של PM10, בעוד שהערכים הנמוכים ביותר נמצאו באזור מרכז העיר. תוצאה זו מוסברת במידה חלקית על ידי השיעור הנמוך של תרחיף-חוזר של האדמה במרכז העיר בהשוואה לשולי העיר, כפי שכבר הוזכר על ידי אולקסה וטוסלי. רמות ה- Ba ו- Zn היו דומות בכל אתרי הדגימה, בעוד שנמצאו הבדלים מובהקים ברמות של Co, Cr, Cu, Mn ו- Pb. הרמות הגבוהות ביותר של Co ו- Cr נמצאו בסמוך למפעל המלט והתעשיות המכאניות-מתכתיות שהיו גם המקור העיקרי של Cu ו- Mn לצד התנועה בשדרות מרכזיות ואזורים חקלאיים. ריכוזים גבוהים של Co, Cr ו- Cu נמצאו באזורי תעשייה ובאתרים עם תנועה רבה של כלי רכב. למרות מיקומם באזורים שונים של העיר, אתרי המגורים הציגו ריכוז והרכב דומה של PM10.

רמות גבוהות של Mn נמצאו ליד מפעל המלט, תעשיות מכאניות-מתכתיות ואתרים חקלאיים. אלמנט זה מהווה את אחד מרכיבי הקרקע העיקריים בארגנטינה, ולפיכך הנוכחות של Mn בדגימות אוויר עשויה לנבוע מסחיפת קרקע כתוצאה מפרקטיקות חקלאיות וכמו גם משימוש תכוף בדשנים וחומרי הדברה באזורים חקלאיים שהרכבם כולל Mn. מתכת זו נמצאת בנוסף בפליטות תעשייתיות הקשורות בהתכה וייצור מתכות. רמות ה- Pb היו גבוהות יותר בסדר גודל אחד ליד מפעל המלט, ממצא התואם את המחקרים הקודמים של אבריל ועמיתיו ובולדנוטי ועמיתיו, שמצאו רמות Pb גבוהות בסמוך למפעל מלט בקורדובה ובסלרנו (איטליה), בהתאמה. אתרי דגימה עם תנועה כבדה של כלי רכב ותעשיות כללו גם הם רמות גבוהות של Pb בהשוואה לאזורי מגורים או חקלאות. למרות שמתכת זו אינה משמשת בדלקים מאז שנות ה- 90, ייתכן ותנועת כלי רכב עדיין מהווה מקור חלקי בשל פליטות הקשורות בבערה הכוללות ציפויי עופרת של מיכלי דלק ו- Pb בצינורות דלק מגופרים, ציפוי בוכנות, תושבות שסתומים ופלאגים. בנוסף, תרחיף-חוזר של אבק רחוב יכול להוות מקור פליטה נוסף בסביבות אורבאניות. בנוגע לאזורי תעשייה, Pb ידוע בתור מארקר טוב של מקורות תעשייתיים הנובעים מבערה של נפט ופחם.

3.3. אומדן הסיכון הבריאותי

מכיוון ששני אזורי המגורים לא הציגו הבדלים מובהקים בריכוז החלקיקים או ברמות המתכת, הם קובצו בקטגוריה אחת (R). תוצאות ה- HQ וה- HI  עבור ניתוח הסיכון הלא-קרצינוגני של כל מתכת, קבוצת גיל ושימוש קרקע, מוצגות בטבלה 5. ה- HQs הממוצעים של חלקיקי המתכות סודרו באופן הבא: Mn > Ba > Co > Cr > Pb > Zn > Cu. תוצאות אלו הן עקביות לעובדה כי Ba, Mn ו- Zn היו המתכות הנפוצות ביותר שנאספו במסננים, ו- Mn הייתה אחד האלמנטים הנפוצים ביותר ב- T. capillaris. בהתחשב בקטגוריות שימושי הקרקע, ה- HI הגבוה ביותר התאים לתעשיות מכאניות-מתכתיות, ואחריהן מפעל המלט, אזורים חקלאיים, תעשיות מתכת ואזורי מגורים. למרות שגם ה- HQ וגם ה- HI לא חרגו מערך של 1 בכל אחת מהקטגוריות, לאוכלוסייה המתגוררת בסמוך למפעל המלט יש את ההסתברות הגבוהה ביותר לסיכון לא-קרצינוגני, מכיוון שאתר זה הציג ערכים הקרובים יותר ל- 1 (איור 5A). בהתחשב בפגיעות הנובעת מגיל, מצאנו סיכון גבוה יותר בקרב קבוצת הקשישים (איור 4A), ממצא עקבי לעובדה כי הסיכון הטוקסיקולוגי עולה יחד עם החשיפה למזהמים.

בנוגע לאומדן הסיכון הבריאותי הקרצינוגני, הערכים הגבוהים ביותר נמצאו עבור Cr, ואחריו Co, As ו- Ni (טבלה 6), ממצא התואם מספר מחקרים קודמים. הסיכון הקרצינוגני הכולל היה גבוה יותר מהערך הבטיחותי (> 1 x 10-6) בכל קטגוריות שימושי הקרקע, עם ערכים גבוהים יותר באתרי הדגימה של מפעל המלט והתעשיות המכאניות-מתכתיות (איור 5B). בנוגע לקבוצות הגיל, המבוגרים והקשישים הציגו ערכים בלתי-מקובלים בקטגוריות הנ”ל ובאזורי המגורים (איור 4B). בהתחשב בתוצאות אלו, אנו יכולים לאשר את קיומו של סיכון גבוה יותר עבור האוכלוסייה המתגוררת בסמוך לאתרים תעשייתיים הנגרם משאיפת חלקיקים. מצד שני, מדאיג לגלות ערכי סיכון בלתי-מקובלים באתרי המגורים, שבהם מרוכזת רוב האוכלוסייה האורבאנית.

4. מסקנות

מחקר זה מציג שילוב של ניטור ביולוגי ואמצעים אינסטרומנטליים המאפשר לא רק זיהוי של “נקודות חמות” בתוך האזור האורבאני של קורדובה, אלא גם אומדן של הסיכון הבריאותי הנגרם לאוכלוסייה כתוצאה מחשיפה לחלקיקים הנישאים באוויר. מצאנו כי אפילו בתוך העיר קיימים הבדלים מובהקים באיכות האוויר. מצד שני, מצאנו כי קטגוריות שימושי קרקע עם שיעור גבוה של אדמה חשופה כללו את מספר החלקיקים הגבוה ביותר, אך לא בהכרח את הריכוז הגבוה ביותר של מתכות טוקסיות.

היישום של T. capillaris מאפשר זיהוי של הבדלי איכות אוויר תוך-אורבאניים, כלומר, הם מראים כי אזורי תעשייה היו בעלי איכות האוויר הגרועה ביותר, ממצא שאומת גם על ידי המוניטורים האינסטרומנטליים. עובדה זו מלמדת כי T. capillaris הינו כלי רב-ערך ליישום בערים החסרות מערכות ניטור אינסטרומנטליות.

ידוע לנו כי אוכלוסיית המדינות המתפתחות הינה פגיעה יותר להתרחשות של אירועים קיצוניים. עם זאת, מחקרי אומדן סיכונים אינם שכיחים במדינות מתפתחות בהשוואה למדינות מפותחות. במחקר זה אנו עורכים אומדן סיכונים ראשוני בעיר בינונית של מדינה מתפתחת, החושף אזורים בקרב העיר עם רמות סיכון בלתי-מקובלות, בהתחשב בחשיפה לאלמנטים קרצינוגניים ולא-קרצינוגניים. בנוסף, מצאנו רמות בלתי-מקובלות של סיכון לסרטן באזורי מגורים המאוכלסים בצפיפות, ממצא המצביע על הצורך בהמשך הניטור של אזורים אלו. כצפוי, מצאנו כי מבוגרים וקשישים הם הקבוצות הרגישות ביותר המושפעות משאיפת חלקיקים, כתוצאה מהחשיפה הארוכה שלהן. לפיכך, הדגמנו כי ניתוח אומדן הסיכונים מהווה כלי רב-ערך להשגת מידע לגבי חשיפה של בני אדם, במיוחד בכל הנוגע לסביבות אורבאניות החסרות רשתות של ניטור איכות האוויר או מלאי פליטות. למרות שאומדני סיכון קרצינוגני ולא-קרצינוגני בקרב אזורים אורבאניים אינם חד-משמעיים, הם עדיין הכלי הטוב ביותר לסייע לקובעי מדיניות להגיע להחלטות רציונאליות כאשר לא קיים מידע זמין אחר לגבי איכות האוויר. בנוסף, על ידי אפיון הסיכון הבריאותי בהתאם לשימוש בקרקע, אנו מסוגלים לבחון שתי תופעות נפוצות המתרחשות במדינות מתפתחות. הראשונה היא כי שעות העבודה הן ארוכות ביותר והאנשים מבלים את רוב חייהם בעבודה במקום בבתיהם; התופעה השנייה היא כי חלק גדול מהאוכלוסייה עובדים באותו מקום בו הם מתגוררים, בעיקר כתוצאה משיעור האבטלה הגבוה.

העובדה כי מדדנו ריכוזי מתכות באוויר הגבוהים מהממוצע מלמדת כי קיים סיכון אמיתי לאוכלוסייה העירונית, ולפיכך, דרושים מחקרים נוספים בכדי לבדוק האם מדובר באירועים נדירים, או אירועים שכיחים המתרחשים יותר מפעם אחת בשנה. נתונים אלו יסייעו להבנה טובה יותר של הבעיות הבריאותיות הנגרמות מאיכות האוויר בקורדובה.