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26 DE MARZO DE 2019

PERFIL TOXICOLÓGICO DEL MATERIAL PARTICULADO Este informe brinda las herramientas necesarias para que los lectores de la comunidad académica que no se encuentra especializada, tengan una orientación clara y precisa de la problemática en la salud y otros tópicos, relacionada con el material particulado en el ambiente.

LINA GUTIERREZ PÁGINA

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PERFIL TOXICOLÓGICO DEL MATERIAL PARTICULADO

Partículas

INTRODUCCION

Fuentes fijas y móviles las partículas que contaminan el aire se generan por emisiones de fuentes fijas y móviles.

Figura 2.Fuentes de emisión de partículas contaminantes del aire en el mundo. Fuente: Promedio de 8 ciudades (Sao Paulo, ciudad de México, Belo Horizonte, Rio de Janeiro, Santiago de Chile, Bogotá, Buenos Aires y Medellín), con datos de Banco Mundial, 1997; AMVA 2015; SDA 2014; PROAIRE México 2011 - 2020

FUENTES DE EMISION Las partículas atmosféricas pueden ser emitidas por una gran variedad de fuentes de origen natural o antropogénico. Respecto a los mecanismos de formación, las partículas pueden ser emitidas como tales a la atmósfera (primarias) o bien ser generadas por reacciones químicas (partículas secundarias). Dichas reacciones químicas pueden consistir en la interacción entre gases precursores en la atmósfera para formar una nueva partícula por condensación, o entre un gas y una partícula atmosférica para dar lugar a un nuevo aerosol por adsorción o coagulación (Warneck,1988).

Figura 3.Contaminantes del aire que respiramos Como resultado de esta variabilidad de fuentes y transformaciones, el material particulado atmosférico consiste en una mezcla compleja de compuestos de naturaleza orgánica e inorgánica con diferentes distribuciones granulométricas y composición química, ambas condicionadas por la composición de los gases que las rodean.

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Figura 1Particulate matter

MATERIAL PARTICULADO El material particulado se define como un conjunto de partículas sólidas y/o líquidas (a excepción del agua pura) presentes en suspensión en la atmósfera (Mészáros, 1999). Generalmente, el término aerosol atmosférico se utiliza como sinónimo de partículas atmosféricas, aunque esta definición no es estricta. Es necesario considerar que el término material particulado atmosférico es un concepto amplio que engloba tanto las partículas en suspensión como las partículas sedimentables (diámetro > 20 µm), caracterizadas por un corto tiempo de residencia en la atmósfera (varias horas).

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Los niveles de material particulado atmosférico se suelen expresar en forma de concentración de masa o número de partículas por unidad de volumen de aire (µg/m3 o n/cm3).

contaminación atmosférica por material particulado

PRINCIPALES TIPOS DE PARTÍCULAS ATMOSFÉRICAS

Alteración de la composición natural de la atmósfera como consecuencia de la entrada en suspensión de partículas, ya sea por causas naturales o por la acción del hombre. La presencia de las partículas en la atmósfera, así como su posterior deposición, puede generar efectos tanto en el clima, en los ecosistemas como en los seres vivos.

MATERIAL MINERAL El material particulado mineral de origen natural constituye la fracción mayoritaria en cuanto a masa del aerosol atmosférico (44% de las emisiones globales a nivel terrestre, Duce, 1995; IPCC, 1996). La emisión de partículas minerales se genera por medio de la acción de los vientos sobre la superficie terrestre, en forma de emisiones fugitivas. La mayor emisión a escala global de este tipo de partícula se produce en regiones áridas o semi-áridas, que se concentran en las latitudes comprendidas aproximadamente entre 1035°N (donde se incluyen el Norte de África, Oriente Medio y Asia Central, Prospero et al., 2002) A pesar de que la mayor parte de las emisiones de materia mineral es de origen natural, es necesario considerar la existencia de un número limitado de fuentes de material particulado mineral de origen antropogénico. Así, actividades como la construcción, la minería o la fabricación de cerámicas o cementos generan partículas minerales, ya sea a través de la propia actividad o durante los procesos de manipulación y transporte de materias primas (emisiones fugitivas). El tráfico puede constituir también una fuente de partículas minerales, a través de la erosión del firme de rodadura (Querol et al, 2001).

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Figura 4.Formación de partículas de aerosol marino por ruptura de burbujas de aire en la superficie de mares y océanos (según Warneck, 1988). El diámetro de las Jet drops oscila entre 2-4 µm, mientras que la Film drops son de diámetro < 1 µm

AEROSOL MARINO el aerosol marino es el segundo tipo de partícula con mayor importancia en cuanto al volumen total de emisiones a escala global (38% de las emisiones globales a nivel terrestre, ipcc, 1996). al igual que el material particulado mineral, las partículas de aerosol marino poseen en su mayoría origen natural y son emitidas directamente a la atmósfera (partículas primarias). Existen dos mecanismos principales de formación de este tipo de partícula: a) la ruptura de burbujas de aire que alcanzan la superficie de los océanos (Figura 4), y b) la agitación de la superficie de los mares y océanos por acción del viento.

Las partículas gruesas son mayormente partículas primarias y se forman básicamente por la disgregación de partículas de mayor tamaño por procesos de rotura, molturación, abrasión y por procesos de evaporación. Las partículas finas pueden ser primarias o secundarias. Las primarias pueden proceder de los procesos de combustión o de explosión de burbujas en la superficie de los mares y océanos. Las secundarias se forman por procesos de nucleación de especies gaseosas, condensación, coagulación o reacciones en la fase liquida.

Figura 5.Particulas gruesas y finas

COMPUESTOS DE N Los compuestos de N en la atmósfera (principalmente NO3- y NH4+), al igual que los sulfatos, son de origen mayoritariamente secundario y provienen de la reacción de precursores gaseosos naturales y antropogénicos. Estos compuestos representan aproximadamente el 2-5% de las emisiones globales a nivel terrestre (IPCC, 1996). Los compuestos nitratados de origen natural se suelen originar a partir de las emisiones de los suelos (nitrificación, N2O), los incendios forestales (NO2, NO), las descargas eléctricas (NO) y las emisiones biogénicas (NH3) (Seinfeld y Pandis, 1998). Las emisiones naturales de NO y NOx a escala global constituyen sólo la tercera parte de las emisiones antropogénicas (Mészáros, 1993).

COMPUESTOS DE C Los compuestos carbonosos comprenden una amplia variedad de especies naturales y antropogénicas de composición y estructura diversa, cuya característica común es la presencia de C en su composición. Para su estudio, se distingue generalmente entre carbono elemental (EC) y materia orgánica (OM), y se expresa la masa de carbono total (TC) como la suma de OM + EC. Con frecuencia, y debido a su máxima capacidad de absorción de la radiación emitida (Sloane et al., 1991), el carbono elemental (grafítico) puede ser denominado black carbon (BC). Esta fracción suele ser emitida directamente a la atmósfera (partículas primarias) por procesos de combustión incompleta (gas, carbón y/o fuel-oil), y por tanto su origen es esencialmente antropogénico. Los compuestos de carbono orgánicos, por otra parte, pueden ser emitidos directamente a la atmósfera (por fuentes naturales y antropogénicas) o formarse por condensación de compuestos orgánicos volátiles (COVs, también de origen natural o antropogénico).

CARBONO ELEMENTAL Según Hansen y Rosen (1990), los motores diesel constituyen la principal fuente de carbono elemental antropogénico en la atmósfera. Por otra parte, en estudios europeos (Berlín) se ha observado que entre el 11-17% de PM10 está constituido por EC (John et al., 2003). El ratio EC/TC es muy variable en función del área de estudio, ya que alcanza solamente 0.15-0.20 en zonas rurales (donde predomina el carbono orgánico) y entre 0.4-0.8 en entornos urbanos (Wolff et al., 1982; Fraser et al., 2003). Las partículas de EC presentan una granulometría fina, generalmente ≈ 0.1 µm.

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Como se ha indicado anteriormente, el material particulado se clasifica, según su génesis, en partículas primarias y secundarias:  Las partículas primarias son emitidas directamente a la atmosfera desde la fuente de emisión.  Las partículas secundarias son aquellas generadas a partir de un precursor gaseoso mediante procesos físicoquímicos.

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Mecanismos de formación

COMPUESTOS DE S los sulfatos presentes en la atmósfera son generalmente partículas de origen secundario, ya que no son emitidos directamente a la atmósfera, sino que se generan mayoritariamente como resultado de la oxidación de precursores gaseosos (principalmente SO2). También existen fuentes naturales y antropogénicas de sulfatos primarios, como los yacimientos yesíferos o los procesos industriales de producción de ácido sulfúrico y la producción y manipulación de productos minerales tales como el yeso. los compuestos de s representan aproximadamente el 7-10% de las emisiones globales a nivel terrestre (ipcc, 1996).

MATERIA ORGÁNICA La materia orgánica de origen antropogénico está compuesta por una compleja mezcla de compuestos orgánicos. Generalmente, la concentración de OM se suele expresar como el contenido en carbono orgánico (OC), aunque de esta forma se desprecia la contribución de otros elementos como O, N y H. Con objeto de evitar esta pérdida de masa, la concentración de OC se suele multiplicar por un factor de 1.5 (Wolff et al., 1991) o 1.4 (White y Macias, 1989) para estimar la concentración de materia orgánica (OM). A continuación, se presenta en la tabla 1 las principales fuentes de emisión del material particulado presente en la atmosfera

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Tabla 1. Principales fuentes de emisión del M.P

TAMAÑO DE PARTÍCULA material particulado depositado en hojas de una planta. avenida el poblado, Medellín. la barra roja tiene una distancia equivalente a 2.7 µm.

El tamaño del MP viene definido por el diámetro equivalente ya que la forma de las partículas es irregular. El más utilizado es el diámetro aerodinámico el cual se define como el diámetro de una esfera de densidad unidad con la misma velocidad de depósito gravitacional que la partícula que está siendo medida. El diámetro de las partículas en suspensión varía desde nanómetros hasta decenas de micras. Todos los aerosoles están constituidos por una gran variedad de tamaños. La distribución de tamaños hace referencia a la variación de la concentración con el tamaño de partícula. La concentración de un aerosol puede expresarse en función de diferentes parámetros de las partículas: número, área superficial, masa, volumen... Aunque la propiedad más considerada comúnmente de un aerosol, por sus efectos en la salud y el medio ambiente es la concentración en masa (masa de material particulado por unidad de volumen). Las unidades normalmente usadas son g/m3, mg/m3 y μg/m3.

ejemplos de formas de partículas ambientales, colectadas en un filtro

Figura 6.Tamaño de la partícula del material particulado.

EMISIONES DE MATERIAL PARTICULADO ATMOSFÉRICO

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Las emisiones a escala global de material particulado atmosférico según Brasseur et al. (1999), se reflejan en la Tabla 2 . Los resultados se expresan en millones de toneladas/año, y se han dividido en emisiones de fuentes antropogénicas y naturales, primarias y secundarias, de partículas de diámetro <25 µm y <1 µm. Según estos datos, anualmente se emiten a la atmósfera entre 2.428 y 4.875·106 toneladas de material particulado de diámetro <25 µm, de las cuales entre 962 y 2.030·106 toneladas (alrededor del 40%) poseen un diámetro <1 µm.

Tabla 2. Emisiones a escala global de material particulado atmosférico (modificado de

MECANISMOS Y RUTAS DE EXPOSICION PERSONAL Tabla 3.Mecanismos y rutas de exposición MECANISMOS ADQUISICION Inhalación

RUTAS PAUSIBLES DE EXPOSICION AMBIENTAL    

Ingestión    Dérmica

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Gases y partículas en combustiones externas Gases y partículas transferidos desde ambientes externos a los domésticos. Frutas, vegétales y cereales contaminados por transferencia atmosféricas. Pescados contaminados por depósito directo de los contaminantes en el agua o secundariamente desde el suelo a las aguas por arrastre. Carne, leche y huevos contaminados pro ingesta de vegetales de los animales inferiores. Leche materna de madres expuestas. Agua potable o recreacional contaminada por depósito directo o indirecto. Depósito directo atmosférico. Deposito indirecto por contacto con la tierra o aguas contaminadas.

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Tabla 4. Principales características de las partículas ambientales que influyen en su permanencia en la atmósfera

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vías de ingreso del material particulado al cuerpo

Un ciclista y un peatón andando por la 26 en Bogotá en hora pico respiran:

EFECTOS DEL MATERIAL PARTICULADO ATMOSFÉRICO El material particulado atmosférico es, tal como se ha descrito anteriormente, un conjunto heterogéneo de partículas emitidas por muy diversas fuentes, que incluye componentes de distinta naturaleza. Consecuentemente, los efectos del material particulado sobre el entorno son también muy variados, y los más importantes entre ellos se describen a continuación.

La atmósfera es la parte del medio ambiente en la cual el ser humano está permanentemente en contacto, por lo tanto, el sistema respiratorio constituye la principal vía de entrada al organismo para el material particulado atmosférico. El grado de penetración dependerá del tamaño de partícula, ya que, a menor tamaño, la partícula podrá eludir más fácilmente los mecanismos de defensa del sistema respiratorio. Posteriormente, los efectos que puede inducir el material particulado en el organismo dependen de la granulometría, la morfología y la composición química de las partículas, el tiempo de exposición y la susceptibilidad de cada persona. En la Tabla 5 se resumen los criterios médicos y los establecidos por la norma EN-12341 (1999) en lo referente a la capacidad de penetración de las distintas fracciones del material particulado atmosférico en el organismo.

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El más reciente modelo de la OMS afirma que el 92% de la población mundial habita en lugares donde la calidad del aire excede los límites determinados por esta organización (ver tabla 7). Así mismo, la OMS calcula que, en 2015, entre 3.7 y 4.2 millones de personas murieron debido a enfermedades relacionadas con la mala calidad del aire exterior. China e India aportan el 55% de estas muertes a las estadísticas mundiales que han aumentado notablemente con respecto al año 2005.

EFECTOS SOBRE LA SALUD La interpretación de las reacciones que produce la contaminación atmosférica por MP en la salud humana se fundamenta en estudios toxicológicos y epidemiológicos.

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La OMS

Figura 7.Material Particulado en el sistema respiratorio

Tabla 5. Criterios médicos y UNE (EN 12341, 1999) con respecto a las partículas de diámetro

El proceso de urbanización está asociado con el decrecimiento en la calidad del aire, por lo tanto, se estima que la contaminación del aire será para el 2050 la principal causa de muerte infantil a nivel mundial debido principalmente a la inhalación de material particulado (Fig. 8). Figura 8. Muertes prematuras globales por riesgos ambientales seleccionados. Fuente: OECD Environmental Outlook Baseline; Output from IMAGE.

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Figura 9. Efectos sobre la salud debido al material particulado.

SOBRE LA VISIBILIDAD La visibilidad puede definirse como el grado al cual la atmósfera es transparente a la luz visible. Su degradación es producida principalmente por la dispersión (scattering) y absorción de la luz por partículas finas suspendidas en el aire SOBRE LOS MATERIALES La contaminación atmosférica produce daños tanto estéticos como físicos en los materiales de forma que edificios, monumentos y obras de arte pueden verse perjudicadas por la deposición seca o húmeda del MPA. Figura 10. Interacción entre el material particulado atmosférico y el clima, considerando la influencia del factor antropogénico (según Arimoto, 2001).

Los daños físicos se producen por la deposición húmeda de contaminantes como material particulado (principalmente sulfatos y nitratos) y SO2. que aceleran los procesos normales de degradación por agentes atmosféricos. (EPA, 2004). Los efectos corrosivos producidos por MPA y el SO2 dependen del tipo de material. Los efectos producidos por los contaminantes en los metales han de sumarse a la corrosión que de forma natural producen los agentes atmosféricos. SOBRE EL CAMBIO CLIMÁTICO Y LOS ECOSISTEMAS Desde un punto de vista de cambio climático y efecto del MPA sobre los ecosistemas, las partículas atmosféricas alteran la cantidad de radiación solar trasmitida a través de la atmósfera terrestre.

Figura 11.Formación de partículas atmosféricas secundarias a partir de núcleos de condensación en las nubes.

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La absorción de radiación solar por partículas atmosféricas junto a la captura de radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre por parte de ciertos gases, intensifica el calentamiento de la superficie terrestre y la baja atmósfera, es el conocido efecto invernadero. Los efectos producidos por el MPA, incluye la alteración de la cantidad de radiación ultravioleta procedente del Sol que llega a alcanzar la superficie terrestre lo que puede ejercer efectos en la salud humana, la biota y otros componentes ambientales.

La contaminación del aire ha generado diversos efectos negativos tales como:

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La OMS

NORMATIVA Como consecuencia de todas las consideraciones antes mencionadas, el control del material particulado atmosférico es vital. En el mundo el 87% de la población vive en lugares donde los niveles de calidad del aire son perjudiciales para la salud (ver figura 12). en Colombia el 76% de los 78 municipios con sistema de vigilancia de calidad de aire alcanzan niveles perjudiciales para la salud (ver figura13).las normas de calidad del aire han establecido limites cada vez más estrictos sobre concentración de partículas contaminantes(tabla 6 y 7)

Figura 12

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Figura 13

Tabla 6. Concentraciones limites según la RES

Tabla 7. concentraciones límites de la OMS

CONCLUSIONES Las consecuencias relacionadas con la presencia de altos niveles de material particulado en la atmósfera, están altamente relacionadas con enfermedades cardiorrespiratorias en el hombre, deterioro de materiales y otros efectos. De su estudio depende identificar el aporte de las fuentes reales que deterioran la calidad de vida del hombre y su entorno. Es notorio, entonces, resaltar los avances de la ingeniería en estudiar los fenómenos asociados con el comportamiento en la atmósfera del material particulado, con el objeto de predecir los riesgos e impactos a los que el hombre se encuentra expuesto por la presencia de partículas en el medio y de esta manera desarrollar medidas de control para mejorar la gestión pública ambiental y con ello mejorar la calidad del aire.

BIBLIOGRAFIA https://www.atsdr.cdc.gov/ www.dnp.gov.co. Calidad del aire: una prioridad de política pública en Colombia -2018

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