[PDF]    http://dx.doi.org/10.3952/lithjphys.48407

Open access article / Atviros prieigos straipsnis

Lith. J. Phys. 48, 349–355 (2008)


HEAVY METAL PENETRATION INTO THE HUMAN RESPIRATORY TRACT IN VILNIUS
D. Valiulis, J. Šakalys, and K. Plauškaitė
Institute of Physics, Savanorių 231, LT-02300 Vilnius, Lithuania
E-mail: sakalys@ar.fi.lt

Received 28 August 2008; revised 19 November 2008; accepted 4 December 2008

The peculiarities of the aerosol particle deposition in the human respiratory tract depending on the particle size and the breathing rate have been analysed. The highest deposition efficiency (0.85) was determined for the largest particles (10–20 μ\mum) and the lowest efficiency (0.28) for the finer particles (0.3 μm). The heavy metal amount penetrating into the human respiratory tract at a different breathing rate in Vilnius has been evaluated. It has been determined that the deposition efficiency of heavy metals in the human respiratory tract changes insignificantly with the increase in the breathing rate, and when the breathing rate increases threefold (from 10 to 30 L min1) the efficiency decreases only by about 10%. On the average, about 60% of heavy metals in the inhaled air penetrate into the respiratory tract. The comparison of Pb, V, and Zn concentrations in Vilnius city with those at the Preila background station has shown that they differ up to two times. It means that the contribution to the pollution with these metals in Vilnius city is insubstantial, and there is no considerable threat to human health.
Keywords: heavy metals, concentration, air, aerosol particles, human respiratory tract, efficiency
PACS: 92.60.Mt, 92.20.Bk, 87.19.xg


SUNKIŲJŲ METALŲ PATEKIMAS Į ŽMOGAUS KVĖPAVIMO TAKUS VILNIUJE
D. Valiulis, J. Šakalys, K. Plauškaitė
Fizikos institutas, Vilnius, Lietuva

Dėl intensyvios antropogeninės žmogaus veiklos ir miestų transporto gausos pasaulyje padidėjo oro tarša aerozolio dalelėmis. Šių dalelių sudėtyje yra įvairios kilmės toksinių medžiagų, alergenų ir sunkiųjų metalų, todėl ore esančios smulkios aerozolio dalelės yra žalingos žmogaus sveikatai. Patekusios į plaučius jos gali sukelti kvėpavimo takų ir kitas ligas. Priklausomai nuo gyvenimo būdo, suaugęs žmogus vidutiniškai įkvepia per dieną 15000 litrų oro. Darbo tikslas buvo įvertinti sunkiųjų metalų kiekius, su aerozolio dalelėmis patenkančius į žmonių kvėpavimo takus Vilniuje. Aerozolio dalelių bandiniai sunkiųjų metalų analizei buvo imami prie Vilniaus televizijos bokšto 1999 m. spalio 28 d. – gruodžio 20 d. ir Vilniaus senamiesčio užterštumo tyrimo stotelėje 2001 m. balandžio 28 d. – gegužės 17 d. Imant bandinius buvo registruojamas ir aerozolio dalelių dydžių spektras. Buvo nustatyta aerozolio dalelių sulaikymo žmogaus kvėpavimo takuose efektyvumo priklausomybė nuo dalelių dydžio ir kvėpavimo greičio. Atliekant eksperimentą buvo ištirti šeši 20–60 metų amžiaus atsitiktinai parinkti žmonės. Tyrimai buvo atliekami įkvepiant orą pro nosį ir iškvepiant pro burną skirtingais greičiais intervale nuo 10 iki 32 l min1. Efektyvumas kito nuo 0,85 didžiosioms (10–20 μ\mum) iki 0,28 mažosioms (0,3 μ\mum) dalelėms. Iš šių duomenų nustatytas sunkiųjų metalų kiekis, galintis patekti į žmogaus kvėpavimo takus Vilniuje. Lyginant Pb, V ir Zn koncentracijas Vilniuje su šių metalų koncentracijomis Preilos foninėje stotyje matyti, kad jos skiriasi daugiausia iki dviejų kartų. Tai rodo, kad Vilniuje šių metalų šaltiniai nebuvo stiprūs ir žymesnio pavojaus žmonių sveikatai nekėlė. Nustatyta, kad didėjant kvėpavimo greičiui, sunkiųjų metalų nusėdimas mažėja nedaug, o kvėpavimo greičiui išaugus trigubai, efektyvumas sumažėja tik apie 10 %. Vidutiniškai apie 60 % (σ\sigma = 6 %) sunkiųjų metalų, esančių įkvepiamame ore, patenka į kvėpavimo takus.


References / Nuorodos


[1] J.E. Fergusson, The Heavy Elements: Chemistry, Environmental Impact, and Health Effects (Pergamon Press, Oxford, England, 1990),
https://www.amazon.co.uk/Heavy-Elements-Chemistry-Environmental-Effects/dp/0080402755/
[2] J. Šakalys, K. Kvietkus, and D. Valiulis, Variation tendencies of heavy metal concentrations in the air and precipitation, Environ. Chem. Phys., 26(2), 61–67 (2004)
[3] C. Barbante, G. Cozzi, G. Capodaglio, K. van de Velde, C. Ferrari, A. Veysseyre, C.F. Boutron, G. Scarponi, and C. Paolo, Determination of Rh, Pd and Pt in polar and alpine snow and ice by double-focusing ICPMS with microconcentric nebulization, Anal. Chem. 71, 4125–4133 (1999),
http://dx.doi.org/10.1021/ac981437g
[4] Aerosols: Research, Risk Assesment and Control Strategies, eds. S.D. Lee, T. Schneider, L.D. Grant, and P.J. Verkerk (Lewis Publishers, Chelsea, MI, USA, 1986) pp. 521–549,
https://www.amazon.co.uk/Aerosols-Research-Assessment-Control-Strategies/dp/0873710517/
[5] P. Žebrauskas and J. Valiūnienė, Human Anatomy and Physiology (Vilnius, 1987) [in Lithuanian]
[6] M. Berico, A. Luciani, and M. Formignani, Atmospheric aerosol in an urban area measurements of TSP and PM10 standards and pulmonary deposition assessments, Atmos. Environ. 31(21), 3659–3665 (1997),
http://dx.doi.org/10.1016/S1352-2310(97)00204-5
[7] L. Gradon and A. Podgorski, Kinetics of particle retention in the human respiratory tract, Ann. Occup. Hyg. 35(3), 249–259 (1991),
http://dx.doi.org/10.1093/annhyg/35.3.249
[8] O.G. Raabe, Comparision of the criteria for sampling inhalable and respirable aerosols, Ann. Occup. Hyg. 26(1), 33–44 (1982),
http://dx.doi.org/10.1093/annhyg/26.1.33
[9] E.J. Calabrese and E.M. Kenyon, Air Toxics and Risk Assessment (Lewis Publishers, 1991),
https://www.amazon.co.uk/Toxics-Assessment-Toxicology-Environmental-Health/dp/0873711653/
[10] D. Valiulis, D. Čeburnis, J. Šakalys, and K. Kvietkus, Estimation of atmospheric trace metal emissions in Vilnius city, Lithuania, using vertical concentration gradient and road tunnel measurement data, Atmos. Environ. 36(39–40), 6001–6014 (2002),
http://dx.doi.org/10.1016/S1352-2310(02)00764-1
[11] V. Ulevičius, A. Juozaitis, and D. Šopauskienė, A high efficiency virtual impactor: Design and performance, Environ. Phys. 20(2), 20–26 (1998)
[12] D. Čeburnis and D. Valiulis, Fast, accurate and reliable analysis of trace metal air samples involving ultrasonic shaking and graphite furnace atomic absorption spectroscopy, in: Proceedings of the 4th European Furnace Symposium and XV Slovak Spectroscopic Conference, Podbanske, Slovakia, June 12–16, 2000, p. 125
[13] L. Armbruster and H. Breuter, Investigations into defining inhalable dust, Ann. Occup. Hyg. 26(1), 21–32 (1982),
http://dx.doi.org/10.1093/annhyg/26.1.21
[14] M.R. Bailey, F.A. Fry, and A.C. James, The long-term clearance kinetics of insoluble particles from the human lung, Ann. Occup. Hyg. 26(2), 273–290 (1982),
http://dx.doi.org/10.1093/annhyg/26.2.273
[15] A.R. Martin and W.H. Finlay, The effect of humidity on the size of particles delivered from metered-dose inhalers, Aerosol Sci. Technol. 39(4), 283–289 (2005),
http://dx.doi.org/10.1080/027868290929314
[16] J.H. Seinfeld and S.N. Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change (John Wiley & Sons, 1998),
http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-0471720186.html
[17] K. Okada and J. Heintzenberg, Size distribution, state of mixture and morphology of Urbam aerosol, J. Aerosol Sci. 34(11), 1539–1553 (2003),
http://dx.doi.org/10.1016/S0021-8502(03)00192-7
[18] Transboundary Particulate Matter in Europe, NILU: EMEP Report 4/2008,
http://www.nilu.no/projects/ccc/reports/emep4-2008.pdf
[19] Controlling Fine Particulate Matter Under the Clean Air Act: A Menu of Options (STAPPA, ALAPCO, Washington, 2006),
http://www.mjbradley.com/reports/controlling-fine-particulate-matter-under-clean-air-act-menu-options
[20] G. Mordas, The development of aerosol spectrometry and application in the investigation of aerosol dynamics, Ph.D. thesis (Institute of Physics, Vilnius, Lithuania, 2003)
[21] Optical Aerosol Spectrometer LAS 15M (Academy of Sciences of Lithuania, Institute of Physics, Vilnius, 1990) [in Russian]