Μελέτη σχηματισμού οργανοθειϊκών και οργανονιτρικών ενώσεων στην ατμόσφαιρα

Abstract

The purpose of this PhD thesis is to study the formation and distribution of organic compounds in atmospheric aerosol, and to study their oxidative action in the human body. Εmphasis was placed on the fraction of organosulfate and organonitrates compounds, and their correlation with organic acids. In the context of the thesis, two analytical methods were developed and validated: one method of liquid chromatography coupled with a quadrupole time-of-flight analyzer, for the determination of compounds and a spectrophotometric method for the determination of their oxidative potential. The methods were applied to airborne particulate matter (PM) samples with a diameter of 1, 2.5 and 10 μm, from three regions of Cyprus with different characteristics. The distribution of compounds in the fractions of PM, and their spatial and seasonal distribution in the various areas were studied. The background area was mainly characterized by high levels of biogenic organic compounds and their derivatives, in all PM fractions, however secondary compounds of low volatility, of anthropogenic origin, were also detected during the winter months. The urban area showed lower levels for all compounds. There were some exceptions for specific categories of compounds of anthropogenic origin, such as organonitrates, which are significantly affected by anthropogenic emissions of exhaust gases and biomass combustion. In the urban area of increased traffic, compounds of anthropogenic origin dominated during the cold period and biogenic compounds during the warm period. In addition, the effect of meteorological parameters, such as temperature and relative humidity, on the formation of the secondary aerosol was studied, as well as the effect of conventional pollutants, such as O3, nitrogen and sulfur oxides. Statistically significant correlations of the parameters with specific classes of compounds were found, indicating the contribution of each to the formation of the aerosol. Finally, the study of the oxidative potential of the particles showed statistically significant correlations mainly with anthropogenic compounds, despite their lower concentrations in the samples.

Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη του σχηματισμού και της κατανομής οργανικών ενώσεων στο ατμοσφαιρικό αερόλυμα, και η μελέτη της οξειδωτικής δράσης αυτών στον ανθρώπινο οργανισμό. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στο κλάσμα των οργανοθειικών και οργανονιτρικών ενώσεων, και στη συσχέτισή τους με τα οργανικά οξέα. Στο πλαίσιο της διατριβής, αναπτύχθηκαν και επικυρώθηκαν δύο αναλυτικές μέθοδοι για τον προσδιορισμό των μελετούμενων ενώσεων: μία μέθοδος υγρής χρωματογραφίας συζευγμένη με τετραπολικό αναλυτή χρόνου πτήσης και μια φασματοφωτομετρική για τον προσδιορισμό του οξειδωτικού δυναμικού τους. Οι μέθοδοι εφαρμόστηκαν σε δείγματα αιωρούμενων σωματιδίων (ΑΣ) διαμέτρου 1, 2,5 και 10 μm, από περιοχές της Κύπρου με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Μελετήθηκε η κατανομή των ενώσεων στα κλάσματα των ΑΣ, και η χωρική και εποχιακή κατανομή τους στις διάφορες περιοχές. Η περιοχή υποβάθρου χαρακτηρίστηκε κυρίως από υψηλά επίπεδα βιογενών οργανικών ενώσεων και παραγώγων τους σε όλα τα κλάσματα ΑΣ, ωστόσο εντοπίστηκαν και δευτερογενείς ενώσεις χαμηλής πτητικότητας, ανθρωπογενούς προέλευσης, κατά τους χειμερινούς μήνες. Η αστική περιοχή έδειξε χαμηλότερα επίπεδα για το σύνολο των ενώσεων. Εξαίρεση αποτέλεσαν συγκεκριμένες κατηγορίες ενώσεων ανθρωπογενούς προέλευσης, όπως οι οργανονιτρικές, που επηρεάζονται σημαντικά από ανθρωπογενείς εκπομπές καυσαερίων και καύσης βιομάζας. Στην αστική περιοχή αυξημένου κυκλοφοριακού φορτίου, κυριάρχησαν οι ενώσεις ανθρωπογενούς προέλευσης κατά την ψυχρή περίοδο και οι βιογενούς κατά την θερμή. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση διαφόρων μετεωρολογικών παραμέτρων, καθώς και διαφόρων συμβατικών ρύπων, όπως το Ο3, τα οξείδια αζώτου και θείου στο σχηματισμό των μελετούμενων ενώσεων. Βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές συσχετίσεις των παραμέτρων με συγκεκριμένες κατηγορίες ενώσεων, υποδεικνύοντας την συνεισφορά του καθενός στο σχηματισμό του αερολύματος. Τέλος, η μελέτη του οξειδωτικού δυναμικού των σωματιδίων, έδειξε στατιστικά σημαντική συσχέτιση κυρίως με τις ανθρωπογενείς ενώσεις, παρά τις χαμηλότερες συγκεντρώσεις τους στα δείγματα.