Determinación espacial y temporal de metales en PM2.5 en el Área Metropolitana de la Ciudad de México

• Autores: Rodrigo Garza Galindo Flores
• Directores de la Tesis: Ofelia Morton Bermea (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Nacional Autónoma de México ( México ) en 2020
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: ru.dgb.unam.mx
• Resumen
  • español

    La contaminación del aire es una preocupación de salud pública ya que causa daños a la población. En años recientes, diversas investigacionesepidemiológicas hanasociado morbilidady mortalidadcon partículassuspendidas(material particulado [PM])en la atmósfera. Losestudiosde la caracterización química, la distribución espacio-temporal, la identificación de fuentes de PM en ambientes urbanos hacobrado relevancia en las ciencias ambientales,ya que sonherramientasclavespara tomadores de decisiones.Además, estos estudios pueden impactar positivamente en la calidad del aire y en la salud de las poblaciones.Este trabajopresenta los resultados delconjunto de acciones que permitieron:caracterizarla composición químicade metales y metaloides en la fracción fina del material particulado(PM2.5) en concentraciones traza;identificar las fuentes de emisión y realizar un prorrateodel aporte de dichas fuentes. Además,este trabajodemuestra la distribución, dispersión y acumulamientode los metales en el PM2.5por efectos meteorológicos dentro de la cuenca de la Zona Metropolitana de la Ciudad de Mexico(ZMCM).La caracterización elementalse llevó a cabo mediante la técnicaanalitica instrumentalICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) enmuestras colectadas de PM2.5de dos campañas de muestro(2011 y 2013).Se aseguró la calidad analítica mediante materiales de referenciacertificados (MRC):1649a (polvo urbano), 1648a(material particulado urbano)y BCR 723 (polvo de camino). El métododesarrolladoincluyó digestión ácida asistida por microondas.Las muestras disponibles sometidas al protocolo de digestión y análisis pertenecen a dos campañas de colecta de PM2.5efectuadas en 2011 y 2013. Las características de ejecución de las campañas de muestreo fueronsimilares: simultáneamente se colectó PM2.5en cinco sitiosde la ZMCM pertenecientes a la infraestructura de monitoreo de la SEDEMA (Secretaria de Medio Ambiente de la Ciudad de México): Tlalnepantla (TLA-NW, northwest), San Agustín (SAC-NE northeast), La Merced(MER-C, Center), Coyoacán(COY-SW, southwest), Universidad Autónoma Metropolitana campus Iztapalapa (UAM-I, SE, southeast) una vez cada 6 días durante un mes representativo de las temporadas seca (abril–Dry Warm -DW), lluvias(agosto–Rainy-R ) y fría(noviembre–Dry Cold -DC). ElPM2.5se colectó conmuestreadores de altos volúmenes (Hi-vol) por 24h.Las bases de datos anuales conformadaspor las concentraciones de los metales distinguiendolos sitios y temporadas fueronevaluadasmediantelos programascomputacionalesStatistica10.1, Wind Ploty Rcon lapaqueteríade Open Air. Los elementosestudiados fueron: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Rb, Sr, Cd, Sb, Cs, Th, Pb, Tl,La, Ce, Sm y Eu;también Pt y Hg.Los elementos con mayor concentración fueron FeyTi, asociados a emisiones geogénicas. Las concentraciones significativamente (p<0.05) másaltas para la mayoría de los metales se encontraron en NW o NE, y durante DW.Esta tendencia se observóen los resultados de la campaña de 2011 y se corroborócon los correspondientes de 2013. A pesar de las similitudes entre 2011 y 2013 se observó un aumento del 17% en la concentración enmasa de PM2.5.Se destacóla importancia de la intensidad del viento en el impacto de las fuentes de emisión. El efecto de la intensidad del viento se reveló mediante wind plotssiendo esteel mecanismo de control para elaumentode las concentraciones de los metales. Esto permitió concluir que los episodios de alta velocidad (>5 ms-1) sonlos responsables de elevar las concentraciones de metales geogénicos.Mediante factoresde enriquecimiento (EF) y análisis de componentes principales (PCA) fue posible atribuir a los metalesanalizados con susfuentes:geogénicas oantropogénicasrespectivamente;de igual manera sepudoidentificar metalescon fuentesde procedencia mixta.Lasmediciones de concentración Pten PM2.5se han empleado para monitorear las emisionesvehiculares, debido a que son producto de la emisiónpor desgaste de los convertidores catalíticosincorporados en vehículos automotores con el propósito de disminuirla emisión de gases de combustión incompleta tal comoCO. La comparación con información previa en la zona confirma un aumento del 19.6% en las concentraciones de Pt.Este aumentocorresponde con el de la flota vehicularentre 2011 y 2013. Mostraresta tendencia es importante para contribuir con información para que los tomadores de decisiones construyanpolíticas públicas favorables al medio ambiente y su relación con la salud de los habitantes.Se presentan también lasconcentraciones de Hg en PM2.5.Seinvestigó la variabilidad estacional y temporal por primera vez en este tamaño de partícula para la ZMCM.Se logró identificar episodioslocalizadosde altas emisiones,lo que confirmó los sitios donde se encuentran susfuentes. La evaluación de los datos permitiómostrarla tendencia decrecientede Hg. La información obtenida permite conocer la evolución en el tiempo de las emisiones de este contaminante; estocobra importanciatrasla firma y promulgación del convenio deMinamata por parte de las autoridades mexicanas.

  • English

    Polluted airis a public health concern because it causes damage to the population. In recent years, various epidemiological investigations have been able to associate high morbidity and mortality with atmospheric particulate matter (PM). Studies of chemical characterization, spatio-temporal distribution, identification of PM sources in urban environments have gained relevance in environmental sciences as they are key tools for decision makers.Inaddition, these studies maypositively impact the quality of the air and health of populations.In this work, a set of actions were carried out that allowed: To characterize the elementalcomposition of metals and metalloids in trace concentrations in the fine fraction of the particulate material (PM2.5); to identify the sources of emission and make apportionmentof that contribution sources. In addition, an interpretation of the distribution, dispersion and accumulation of metals in PM2.5is provided by meteorological effects within thebasin ofMexico City Metropolitan Area (MCMA).The chemical characterization was carried out using the instrumental analytical methodology ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) in PM2.5collected samples. Analytical quality was assured by validating the method based on certified reference materials (CRM): 1649a (urban dust), 1648a (urban particulate material) and BCR 723 (road dust). The method developed and validated for this characterization included microwave-assisted acid digestion of the samples.The available samples fordigestion and analysis protocolswere obtained fromtwo PM2.5collection campaigns carried out in 2011 and 2013. The execution characteristics of the sampling campaigns are similar: PM2.5was simultaneously collected atfive sampling siteswithin the MCMA that belongsto the monitoring infrastructure of the SEDEMA (Secretary of Environment of Mexico City): Tlalnepantla (TLA-NW, northwest), San Agustín (SAC-NE northeast), La Merced (MER-C, Center), Coyoacán (COY-SW, southwest), Metropolitan Autonomous University Iztapalapa campus (UAM-I, SE, southeast). The samples were takenonce everyothersixdays duringa representative month of the dry-warmseason (April -DW), rainy season(August -Rainy-R) and dry-coldseason(November -DC). The PM2.5samples werecollected with high volume samplers (Hi-vol) during24 h.The annual databases formed by the concentrations of the metals considering the sampling sites and seasons were evaluated using the Statistica 10.1, Wind Plot computer programs;R with Open Air package.The metals studied were: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Rb, Sr, Cd, Sb, Cs, Th, Pb, Tl, La, Ce, Sm and Eu, as well asPt and Hg.The elements with the highest concentrations were Feand Ti, which are associated with geogenic emissions. By statistical analysis it can be determined that significantly higher concentrations (p<0.05) for most metals were found in the NW or NE locations during DW. This trend was observed in the 2011PM2.5campaign sampling and was corroborated with that of 2013. Despite the similarities between 2011 and 2013, a 17% increase in the mass concentration of PM2.5was observed. The importance of wind intensity in the impact of emission sources washighlighted. The effect of wind intensity was revealed by wind plots, as the control mechanism for this increase. This enablesto conclude thathigh-speed episodes (5 ms-1) were responsible for raising the concentrations of geogenic metals. Through the enrichment factor (EF) and principal component analysis (PCA), it was possible to attribute the analyzed elements to geogenic and anthropogenic sources, as well as identify a group of elements with sources of mixed origin.Pt concentration measurements in PM2.5have been used to monitor vehicle emissions, asthey are the result of the emission of catalytic converters incorporated in motor vehicles with the purpose of reducing gas emissions such as CO. The comparison with previous information in the area confirms 19.6% of increase in Pt concentrations. This correspondsto the increase in the vehicle fleet between 2011 and 2013 that sampling campaign were carried out. Publicizing these increasing trendsin the MCMA is important for the construction of public policies favorable to the environment and its relationship with the health of the inhabitants.Hg concentrations are also determinatedin PM2.5. Seasonal and temporal variability is investigated for the first time in this particle size for the MCMA. It was possible to identify localized high-emission episodesthat confirmed the sites where the emission sources are located. The decreasingtendency ofHg was shown bycomparing theresultsfrom this workwith those available. To know the evolution in time of the emissions of this pollutant becomes important with the signing and promulgation of the Minamata agreement by the Mexican authorities.