Investigação magnética e microscópica de nanopartículas de óxido de ferro transportadas pelo ar no metrô de Londres

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 20298 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os níveis de concentração de material particulado (PM) no metrô de Londres (LU) são mais altos do que os níveis normais de Londres e além dos limites definidos pela Organização Mundial da Saúde (OMS). A abrasão de rodas, trilhos e freios são as principais fontes de material particulado, produzindo partículas predominantemente ricas em Fe que tornam o microambiente LU particularmente adequado para estudar usando magnetismo ambiental. Aqui combinamos propriedades magnéticas, microscopia eletrônica de alta resolução e tomografia eletrônica para caracterizar a estrutura, química e propriedades morfométricas das partículas LU em três dimensões com resolução em nanoescala. Nossas descobertas mostram que LU PM é dominado por partículas de 5–500 nm de maghemita, ocorrendo como aglomerados agregados de 0,1–2 μm, desviando a concentração fracionada por tamanho de PM artificialmente para tamanhos maiores quando medidos com monitores tradicionais. As propriedades magnéticas são amplamente independentes do tamanho do filtro PM (PM10, PM4 e PM2.5) e demonstram a presença de superparamagnético (< 30 nm), domínio único (30–70 nm) e vórtice/pseudodomínio único (70–700 nm) apenas sinais (ou seja, sem partículas multidomínio > 1 µm). A natureza oxidada das partículas sugere que a exposição ao PM no LU é dominada pela ressuspensão de partículas de poeira envelhecidas em relação a partículas metálicas recém-desgastadas do sistema de roda/trilho/freio, sugerindo que a remoção periódica de poeira acumulada de túneis subterrâneos pode fornecer um estratégia econômica para reduzir a exposição. A abundância de partículas ultrafinas identificadas aqui pode ter impactos particularmente adversos à saúde, pois seu tamanho menor possibilita a passagem dos pulmões para a corrente sanguínea. Métodos magnéticos são mostrados para fornecer uma avaliação precisa das características de PM ultrafinas, fornecendo uma rota robusta para monitoramento e potencialmente mitigando esse risco.

O metrô de Londres (LU) é uma opção de transporte popular para londrinos e visitantes, transportando 2 milhões de passageiros por dia. A concentração de material particulado (PM10, PM2.5 e, PM1) no LU é significativamente maior do que os níveis de PM de Londres. Um estudo anterior de monitoramento da poluição do ar no LU sugeriu que níveis mais altos de MP podem estar associados à idade e profundidade das plataformas e aos sistemas de ventilação deficientes1. As concentrações de PM2.5 em sistemas de metrô semelhantes ao LU foram relatadas como tendo concentrações que excedem as diretrizes de qualidade do ar da OMS para PM. No entanto, o nível de PM na LU tem atraído menos atenção. Embora algumas linhas da LU estejam acima da superfície, o sistema de transporte é considerado um ambiente interno para o qual o Departamento de Meio Ambiente, Alimentos e Assuntos Rurais (DEFRA do Reino Unido) não tem limites de diretrizes para PM. Estudos anteriores relataram composições químicas de PM2,5 no LU como sendo predominantemente óxido de ferro (47–67%), 1–2% de quartzo, outros metais pesados, 18% de carbono (carbono elementar e carbono orgânico) e 14% metálico e óxidos minerais1,2. As fontes de MP rico em Fe no LU se originam de diferentes componentes do sistema roda-trilho-freio. Estudos anteriores em Londres1,2,3 e Seul4 identificaram que MP rico em Fe é gerado pelo desgaste de componentes de aço e trilhos devido ao atrito, desgaste de peças do trem, como sapatas coletoras, que são feitas de ferro fundido, e materiais contendo Fe blocos de freio. Atualmente no LU, os vácuos de emissão localizada (LEVs) capturam uma proporção dos fumos de soldagem que são gerados quando os metais são aquecidos acima de seu ponto de fusão, vaporizam e condensam em aerossóis. Portanto, a maioria das partículas ricas em Fe provavelmente vem da abrasão do sistema de freio da roda (embora todas, exceto as linhas Bakerloo e Piccadilly, tenham frenagem regenerativa).

A exposição a partículas ultrafinas de poluição do ar ambiente tem sido associada a riscos à saúde associados a asma, danos cerebrais5, demência6, câncer de pulmão, doenças cardiovasculares, capacidade cognitiva reduzida7. Em particular, os efeitos da magnetita PM na saúde humana foram associados ao mal de Alzheimer8 e nanopartículas de magnetita também foram encontradas no cérebro, o que pode ter sérias implicações9,10. No entanto, foram realizados estudos de saúde limitados e inconclusivos sobre os impactos potenciais na saúde dos sistemas de trens subterrâneos11,12, que são ricos em Fe-óxido PM. Ainda não há evidências definitivas de que a exposição a partículas em um ambiente ferroviário subterrâneo seja mais perigosa do que a poluição do ar ambiente. Além disso, foi argumentado anteriormente que é improvável que o ambiente ferroviário subterrâneo represente um risco à saúde dos trabalhadores e passageiros devido aos diferentes efeitos à saúde dos óxidos de Fe e partículas geradas pela combustão e concentrações de PM mais seguras abaixo dos padrões recomendados para o local de trabalho2. Estudos toxicológicos anteriores realizados no metrô de Estocolmo (microambiente rico em Fe) não observaram um risco aumentado de infarto do miocárdio em motoristas de metrô em comparação com outros trabalhadores manuais em Estocolmo13. No entanto, um estudo in vitro recente de 14 usando PM das linhas Bakerloo e Jubilee da estação Baker Street no LU encontrou evidências de aumento do risco de infecção pneumocócica e mortalidade. Outro estudo in vitro de PM10 do metrô de Estocolmo também descobriu que o ar era 40 a 80 vezes mais genotóxico e 20 a 40 vezes mais potente em causar estresse oxidativo quando comparado com um ambiente de rua urbana15. Da mesma forma, um estudo de poluição ferroviária subterrânea descobriu que PM2.5 e PM1.8 têm maior capacidade de produzir espécies reativas de oxigênio (ROS) do que PM10 mais grosseiro; essas partículas podem penetrar na camada mucosa, causando uma resposta antioxidante16. Já se sabe que nenhum nível de exposição a PM pode ser considerado como um limite seguro para a saúde17 e a má ventilação em plataformas e túneis significa que os passageiros ficam expostos a altos níveis de partículas durante suas viagens.

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>