런던 지하철에서 공기 중의 산화철 나노입자에 대한 자기 및 현미경 조사

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20298(2022) 이 기사 인용

4943 액세스

682 알트메트릭

측정항목 세부정보

런던 지하철(LU)의 입자상 물질(PM) 농도 수준은 런던 배경 수준보다 높으며 세계보건기구(WHO)가 정의한 한도를 초과합니다. 휠, 트랙 및 브레이크 마모는 미립자 물질의 주요 원인이며 주로 Fe가 풍부한 입자를 생성하여 LU 미세 환경을 환경 자기를 사용하여 연구하는 데 특히 적합하게 만듭니다. 여기에서는 자기 특성, 고해상도 전자 현미경 및 전자 단층 촬영을 결합하여 나노 수준 해상도를 사용하여 LU 입자의 구조, 화학 및 형태학적 특성을 3차원으로 특성화합니다. 우리의 연구 결과에 따르면 LU PM은 0.1-2μm 집합 클러스터로 발생하는 5-500nm의 마그헤마이트 입자에 의해 지배되며 기존 모니터로 측정할 때 PM의 크기 분할 농도를 인위적으로 더 큰 크기로 왜곡합니다. 자기 특성은 PM 필터 크기(PM10, PM4 및 PM2.5)와 크게 무관하며 초상자성(< 30nm), 단일 도메인(30~70nm) 및 소용돌이/유사 단일 도메인의 존재를 보여줍니다. (70-700 nm) 신호만 나타납니다(즉, 1 µm보다 큰 다중 도메인 입자 없음). 입자의 산화된 특성은 LU의 PM 노출이 바퀴/트랙/브레이크 시스템에서 새로 마모된 금속 입자에 비해 오래된 먼지 입자의 재현탁에 의해 지배된다는 것을 암시하며, 이는 지하 터널에 축적된 먼지를 주기적으로 제거하면 노출을 줄이기 위한 비용 효율적인 전략입니다. 여기에서 확인된 초미세 입자의 풍부함은 크기가 작아 폐에서 혈류로 전달될 수 있기 때문에 특히 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 자기 방법은 초미세 PM 특성에 대한 정확한 평가를 제공하고 모니터링을 위한 강력한 경로를 제공하며 잠재적으로 이러한 위험을 완화하는 것으로 나타났습니다.

런던 지하철(LU)은 하루에 200만 명의 승객을 수송하는 런던 시민과 방문객에게 인기 있는 교통수단입니다. LU의 미립자 물질(PM10, PM2.5 및 PM1) 농도는 런던 배경 PM 수준보다 훨씬 높은 것으로 나타났습니다. LU에 대한 이전 대기 오염 모니터링 연구에서는 PM 수준이 높을수록 플랫폼의 수명 및 깊이, 환기 시스템 불량과 관련이 있을 수 있다고 제안했습니다1. LU와 유사한 지하철 시스템의 PM2.5 농도는 PM에 대한 WHO 대기질 지침을 초과하는 농도를 갖는 것으로 보고되었습니다. 그러나 LU의 PM 수준은 관심을 덜 끌었습니다. LU의 일부 라인이 표면 위에 있지만 운송 시스템은 DEFRA UK(Department for Environment, Food & Rural Affairs)에서 PM에 대한 지침 제한이 없는 실내 환경으로 간주됩니다. 이전 연구에서는 LU의 PM2.5 화학적 조성이 주로 Fe-산화물(47~67%), 1~2% 석영, 기타 중금속, 18% 탄소(원소 탄소 및 유기 탄소), 14% 금속으로 보고되었습니다. 및 무기 산화물1,2. LU의 Fe가 풍부한 PM의 출처는 휠 트랙 브레이크 시스템의 다양한 구성 요소에서 발생합니다. 런던1,2,3 및 서울4의 이전 연구에서는 Fe가 풍부한 PM이 마찰로 인한 강철 부품 및 레일의 마모, 주철로 만들어진 수집 신발과 같은 열차 부품의 마모, Fe 함유로 인해 생성되는 것으로 확인되었습니다. 브레이크 블록. 현재 LU에서는 국소 배출 진공 장치(LEV)가 금속이 녹는점 이상으로 가열되어 기화하고 에어로졸로 응축될 때 생성되는 용접 연기의 일부를 포착합니다. 따라서 대부분의 Fe가 풍부한 입자는 휠-트랙-브레이크 시스템의 마모로 인해 발생할 가능성이 높습니다(Bakerloo 및 Piccadilly 라인을 제외한 모든 라인에는 회생 제동이 있지만).

주변 대기 오염 초미세 입자에 대한 노출은 천식, 뇌 손상5, 치매6, 폐암, 심혈관 질환, 인지 능력 저하7와 관련된 건강 위험과 관련이 있습니다. 특히, 자철석 PM이 인체 건강에 미치는 영향은 알츠하이머병과 연관되어 있으며8 자철석 나노입자도 뇌에서 발견되어 심각한 영향을 미칠 수 있습니다9,10. 그러나 Fe-산화물 PM이 풍부한 지하철 시스템11,12의 잠재적 건강 영향에 대한 제한적이고 결론이 나지 않는 건강 연구는 이루어졌습니다. 아직까지 지하 철도 환경에서 입자에 노출되는 것이 대기 오염보다 더 위험하다는 확실한 증거는 없습니다. 또한, 이전에는 철산화물과 연소로 생성된 입자가 건강에 미치는 영향이 다르고 PM 농도가 권장 작업장 기준보다 안전하기 때문에 지하철 환경이 근로자와 통근자에게 건강 위험을 초래할 가능성이 낮다고 주장한 바 있습니다2. 스톡홀름 지하철(철이 풍부한 미세 환경)에서 수행된 이전 독성학 연구에서는 스톡홀름의 다른 육체 노동자에 비해 지하철 운전자의 심근경색 위험이 증가하지 않은 것으로 나타났습니다13. 그러나 최근 LU에 있는 Baker Street 역의 Bakerloo 및 Jubilee 선에서 PM을 사용한 최근 시험관 내 연구에서는 폐렴구균 감염 및 사망 위험이 증가한다는 증거를 발견했습니다. 스톡홀름 지하철에서 실시한 PM10에 대한 또 다른 시험관 내 연구에서는 도시의 거리 환경과 비교할 때 공기가 유전독성이 40~80배 더 많고 산화 스트레스를 유발하는 데 20~40배 더 강력한 것으로 나타났습니다15. 마찬가지로, 지하 철도 오염 연구에 따르면 PM2.5와 PM1.8은 거친 PM10보다 활성 산소종(ROS)을 생성하는 능력이 더 크다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 입자는 점액층을 관통하여 항산화 반응을 일으킬 수 있습니다. 어떤 수준의 PM 노출도 안전한 건강 한계로 간주될 수 없으며17 승강장과 터널의 환기가 잘 안 되면 통근자들이 여행 중에 높은 수준의 미립자에 노출된다는 것은 이미 알려져 있습니다.

200 mT; (2) a clear vortex/pseudo-single domain (V/PSD) component (particles diameter between 70 and 700 nm); and (3) a vertically asymmetric signal at the origin that is consistent with the presence of SP particles < 30 nm). Similar features are observed in EM2 (consisting primarily, but not exclusively, of PM2.5 and PM10 air filters from train operator cabins) but with relative greater intensity for the SP component and weaker intensity for the SD and V/PSD and signals compared to EM1. Our remanence FORCs (remFORCs) measured using the irregular measurement algorithm devised by22,23 highlights both the SP, SD and V/PSD contributions. Here, the SP signal is isolated in the remFORC diagram in a region that is sensitive to viscous magnetization processes23 (see Supplementary Fig. S5).The idea that small variations in proportion of SP particles dictates the subtlety different FORC fingerprints is also confirmed by the uniform shape of the coercivity distribution for all air filter samples, with SP content influencing the height (but not the shape) of the coercivity distribution peak (Fig. 1A). The increase in coercivity from 200 mT (Fig. 1H) to 250 mT observed in the 10 K FORC diagram (Fig. 1J) is caused by the conversion of larger SP particles to stable SD particles on cooling. Low-temperature hysteresis and FORCs indicate the persistence of SP signatures at 10 K, indicating the presence of very small particles (< < 30 nm)./p> 0.3, as seen (albeit rarely) in our TEM and tomography particle size data (see Supplementary Figs. S11 and S12) or (b) the nucleation and annihilation of vortex states in metallic Fe nanoparticles (ranging from 32 nm to around 500 nm)30. The peak of the backfield coercivity distribution for all our air filter samples lie at around 65 mT (Fig. 1A), similar to coercivity values for vehicular brake residue samples and higher than vehicular exhaust emissions from a previous study31. No direct evidence of metallic Fe was found in our microscopy data. FORC signatures of brake-residue samples dominated by metallic-Fe nanoparticles typically show a bi-modal FORC signature of high-coercivity ridge and low-coercivity wings and lack the clear magnetite-like V/PSD signals observed in Lahore30. In fact, they look more similar to FORC leaf fingerprints from both Lahore and leaf and lichen FORC fingerprints observed in Rome32—likely to be because Fe-rich particles are dominated by brake wear PM and are oxidized over time. Although we cannot rule out some contribution to the high-coercivity signal from metallic Fe, the magnetic features observed here do not require metallic Fe to be present and are consistent with maghemite particles with the sizes, and shapes observed in the microscopy/tomography data, which span the SP, SD to V size range, and have the requisite aspect ratios to create high coercivity signals (see Supplementary Fig. S12). We note that the magnetic grain size distribution from HRTEM images shows an average particle diameter of 10 nm (see Supplementary Fig. S11). This is congruous with TEM analysis from a study of Shanghai subway PM. They observed ‘clumped’ submicron-sized Fe-rich particles, which was consistent with the presence of SP and SD grains revealed by magnetic techniques33. Fe-rich particles observed in this study are similar to TEM images of outdoor vehicular brake wear PM, where a prolific number of 10–50 nm sized nanoparticles form larger agglomerates34, conversely to a study in Rome35 where it was concluded that SP particles (ultrafine particles < 30 nm) occur as a result of stress in the oxidized outer shell of MD particles (particles > 700 nm). Moreover, in vehicle braking systems, magnetic PM emissions are dominated by magnetite34,36,37,38 ,however, our results suggests that the rail-wheel-brake wear airborne particles in the LU are dominated by maghemite (see Supplementary Fig. S4)./p>