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

Význam tématu

Identifikace zdrojů jemných prachových částic PM2.5 je klíčová pro pochopení příčin zhoršené kvality ovzduší, vlivu na klima a na lidské zdraví. Izotopové otisky uhlíku, dusíku a síry poskytují unikátní informace o původu složek aerosolů a umožňují přesné rozlišení antropogenních a přírodních emisních zdrojů.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo sledovat původ PM2.5 v Seulu (použití vzorků ze zimních měsíců 2016–2017) pomocí kombinované analýzy stabilních izotopů C, N a S. Autoři se zaměřili na určení relativity emisí z fosilních paliv (uhlí, motorová vozidla, lodní doprava) vůči biogenním či mořským zdrojům.

Použitá metodika

Vzorky PM2.5 byly zachyceny na křemíkových mikrofibrových filtrech za pomoci vysokorozsahového impactorového vzorkovače. Z každého filtru bylo odváženo 5–6 mg částic do cínových kapslí. Vzorky byly automatizovaně spalovány v EA IsoLink systému, přičemž vzniklé plyny (N2, CO2, SO2) procházely redukčními a sušícími články před analýzou v IRMS.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific EA IsoLink IRMS System
• Thermo Scientific MAS Plus Autosampler
• High-volume PM2.5 impactor sampler (Seoul)
• Quartz microfiber filters (254×203 mm, 2,2 μm)

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza δ13C vykázala úzký rozsah -26,33‰ až -27,59‰ (průměr -26,8‰), což odpovídá emisím fosilních paliv (motorová doprava). Hodnoty δ15N (4,19‰ až 8,58‰; průměr 6,7‰) narůstaly s koncentrací PM2.5, což poukazuje na významné podíly spalování uhlí (zimní topení) a příspěvek emisí vozidel. Izotopová skladba δ34S (4,01‰ až 7,35‰; průměr 5,8‰) koreluje s emisemi ze spalování fosilních paliv a vylučuje významný vliv mořského aerosolu či biogenní síry.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá a přímá identifikace emisních zdrojů bez nutnosti chemického předčištění vzorků
• Automatizace procesu s vysokým průtokem vzorků a minimální potřebou pracovních zásahů
• Nákladová úspora díky eliminaci složitých chemických operací
• Vysoká kvalita a porovnatelnost dat s literaturou

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření na sloučeninově specifickou izotopovou analýzu (CSIA)
• Integrování vícerozměrných modelů šíření emisí s izotopovými daty
• Vyšší prostorové a časové rozlišení odběrů pro sledování lokálních emisních anomálií
• Zapojení dalších nuklidových systémů (např. 17O, H) pro komplexní charakterizaci aerosolů

Závěr

Studie prokázala, že kombinovaná analýza C, N a S izotopových otisků z filtrů umožňuje rychlé a spolehlivé určení hlavních zdrojů PM2.5. V zimních podmínkách v Seulu dominují fosilní emisní zdroje, zejména spalování uhlí při vytápění a doprava.

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? Atmos. Environ., 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. Atmos. Chem. Phys., 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. Lith. J. Phys., 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. Environ. Pollut., 233:733–744.
7. Xiao H.-Y., Liu C.-Q. (2011) The elemental and isotopic composition of sulfur and nitrogen in Chinese coals. Org. Geochem., 42:84–93.
8. Shaheen R., et al. (2014) Large sulfur-isotope anomaly in nonvolcanic sulfate aerosol and its implication for the Archean atmosphere. Proc. Natl. Acad. Sci., 111:11979–11983.