Análisis de la composición elemental del material particulado fino en alta resolución temporal en un sitio urbano de la ciudad de Santiago, Chile: evaluación de fuentes e implicancias en el riesgo a la salud de las personas

Abstract

El deterioro de la calidad del aire por material particulado (MP) en centros urbanos es una tendencia global con impactos adversos en la salud humana, cuyo mecanismo de toxicidad aún no se comprende completamente. En base al paradigma del estrés oxidativo, el potencial oxidativo (PO) surge como una métrica clave para evaluar la toxicidad del MP, ya que su capacidad para generar estrés oxidativo a nivel celular está intrínsecamente ligada a sus características fisicoquímicas y a sus fuentes de emisión. Esto resalta la necesidad de realizar una evaluación detallada de la composición y origen del MP. Este estudio busca responder la siguiente pregunta: ¿cómo cambia la concentración elemental y las fuentes de MP2.5 y cómo afecta esta variabilidad en el posible riesgo para la salud de las personas? A partir del análisis bibliométrico se evidenció un interés creciente en el estudio del PO, reflejado en un aumento significativo en la producción científica durante la última década. Este campo emergente destaca la importancia de la colaboración internacional para avanzar en el conocimiento sobre los mecanismos de toxicidad del MP y sus implicancias en la salud. En cuanto a la caracterización de los elementos ligados al MP2.5, se presentan los resultados de la primera campaña de medición continua de multi-metales realizada en Santiago de Chile, con una alta resolución temporal sin precedentes en el país. Esto permitió evaluar la variabilidad de la composición elemental del MP en diferentes escalas temporales, detectando alzas agudas que no eran observables mediante métodos tradicionales. Estos patrones reflejan la influencia de fuentes locales y condiciones atmosféricas específicas. La utilización del modelo receptor PMF permitió identificar siete fuentes de los elementos ligados al MP2.5, ordenadas de mayor a menor contribución: polvo resuspendido, sulfatos secundarios, aerosol marino, quema de biomasa, fuente de Cu, vehicular y fundición de cobre. Estas fuentes mostraron una variabilidad marcada por el horario laboral e influenciadas por cambios en el régimen de vientos y el transporte atmosférico a escala regional. El PO del MP2.5, cuantificado mediante el ensayo de DTT, destacó por una mayor actividad diurna, en concordancia con la actividad de fuentes antropogénicas. El PO mostró correlaciones significativas con las fuentes identificadas y sus trazadores. Destaca la fuente de quema de biomasa, cuyo trazador, el K, aunque no tiene actividad REDOX, indica indirectamente la influencia de compuestos orgánicos en los niveles de PO. La evaluación de riesgos para la salud indicó que, si bien ningún elemento representa por sí solo un riesgo no-carcinogénico significativo, el efecto combinado supera el umbral de riesgo a partir de los 11 a 16 años de exposición. En cuanto al riesgo carcinogénico, los elementos As, Cd y Cr superan los límites aceptables, implicando un riesgo significativo para la población acumulado durante el ciclo de vida completo (81 años). El riesgo, no carcinogénico y carcinogénico, es mayor durante el día, destacando la contribución del As y el Cd, así como de las fuentes vehiculares y fundición de cobre. Cabe destacar que los índices de riesgo y el PO ofrecen perspectivas complementarias sobre la capacidad del MP para generar efectos adversos en la salud, evidenciando la importancia de una evaluación integral. Este estudio evidencia la relevancia de la alta resolución temporal, la identificación precisa de fuentes y el uso del PO como métrica clave. Los resultados reflejan la necesidad de incorporar estas métricas en estrategias de gestión de la calidad del aire, contribuyendo a mitigar los impactos en la salud de la población y mejorar la calidad del aire en Santiago y otros centros urbanos del país.

The deterioration of air quality due to particulate matter (PM) in urban centers represents a global issue with adverse effects on human health. However, the mechanisms underlying its toxicity remain poorly understood. In the context of oxidative stress, oxidative potential (OP) has emerged as a key metric for assessing PM toxicity. Its capacity to induce oxidative stress at the cellular level is closely linked to its physicochemical properties and emission sources. This emphasizes the necessity for a comprehensive analysis of PM composition and source. This study seeks to address the following question: How do elemental concentrations and sources of PM2.5 change, and what impact does this variability have on the potential health risks posed to people?. A bibliometric analysis revealed a growing interest in OP research, as evidenced by a significant increase in scientific publications over the past decade. This emerging field highlights the necessity of international collaboration to advance the understanding of PM toxicity mechanisms and their associated health implications. This study presents the characterization of elements associated with PM2.5, with findings derived from the first continuous multi-metal measurement campaign conducted in Santiago, Chile. The temporal resolution of this campaign is unparalleled in the country, offering a unique insight into the temporal variability of elemental composition of PM2.5. This approach permitted the evaluation of temporal variability in the elemental composition of PM, thereby revealing acute spikes that were undetectable using traditional methods. These patterns highlight the impact of local sources and specific atmospheric conditions. The utilization of the PMF receptor model led to the identification of seven sources of PM2.5-bond elements, with their relative contributions ranked as follows: resuspended dust, secondary sulfates, marine aerosol, biomass burning, copper-related sources, vehicular emissions, and copper smelting. These sources demonstrated notable variability, which was influenced by work schedules, fluctuations in wind patterns, and regional atmospheric transport. The OP of PM2.5, quantified through the DTT assay, showed higher activity levels during daytime hours, which correlated with increased activity of anthropogenic sources. Significant correlations were observed between OP levels and the identified sources and their tracers. It is noteworthy that biomass burning, with K as its tracer, although not REDOX-active, indirectly indicated the role of organic compounds in influencing OP levels. A health risk assessment revealed that, while no single element posed a significant non carcinogenic risk, the cumulative risk exceeded the threshold after 11 to 16 years of exposure. Regarding carcinogenic risk, As, Cd, and Cr were found to exceed acceptable limits, indicating the presence of significant health risks over the lifetime (81 years). Both non-carcinogenic and carcinogenic risks were found to be higher during the daytime, with substantial contributions from As, Cd, vehicular emissions, and copper smelting. The utilization of risk indices and OP provides supplementary insights into the potential adverse health effects of PM, emphasizing the necessity of an integrated evaluation approach. This study highlights the importance of high temporal resolution, precise source identification, and the use of OP as a novel metric. The results reflect the need to incorporate these metrics into air quality management strategies, helping to mitigate the impacts on the health of the population and improve air quality in Santiago and other urban centers in the country.