Wykaz Projektów
Streszczenie

Ocena składu chemicznego ultradrobnych cząstek stałych frakcji spalin biodiesla i ich właściwości toksycznych metodami in vitro dla celów profilaktyki

Kierownik projektu: dr Małgorzata Szewczyńska

Streszczenie projektu:

 

Projekt I.B.02: Ocena składu chemicznego ultradrobnych cząstek stałych frakcji spalin biodiesla i ich właściwości toksycznych metodami in vitro dla celów profilaktyki

Okres realizacji:

1.01.2011 31.12.2013

Zadanie/etap 3.:

Opracowanie zaleceń dotyczących ograniczenia narażenia na drobne frakcje cząstek biodiesla. Opracowanie do internetowej bazy wiedzy CIOP-PIB materiałów informacyjnych na temat zagrożenia ultradrobnymi cząstkami stałych frakcji spalin biodiesla. Opracowanie materiałów szkoleniowych dotyczących pomiarów i oceny narażenia na szkodliwe substancje chemiczne we frakcjach ultradrobnych cząstek spalin. Weryfikacja opracowanych materiałów podczas seminarium. Publikacja

Główny wykonawca:

dr Małgorzata Szewczyńska − Centralny Instytut Ochrony Pracy − Państwowy Instytut Badawczy, Zakład Zagrożeń Chemicznych, Pyłowych
i Biologicznych

           

Głównym celem projektu była analiza różnic w zawartości szkodliwych ksenobiotyków we frakcjach cząstek spalin biodiesla (bio-DEP) i określenie, czy ich działanie toksyczne zależy od ich zawartości oraz opracowanie zaleceń profilaktycznych dotyczących ograniczenia narażenia na bio-DEP.

Zbadano zależności rozkładu frakcji cząstek drobnych emitowanych ze spalin silnika Diesla oraz ich składu chemicznego od stosowanych mieszanek biodiesla, z wykorzystaniem niskociśnieniowego impaktora kaskadowego ELPI oraz próbników typu PCSI, a także określono różnice w zawartości suchej rozpuszczalnej frakcji organicznej (SOF).

Do określania stężenia masowego frakcji stałych spalin zastosowano metodę filtracyjno-wagową. Analizę WWA osadzonych na frakcjach cząstek stałych emitowanych ze spalin biodiesla prowadzono metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej z detekcją fluorescencyjną
w układzie faz odwróconych.

Metoda oznaczania suchej pozostałości rozpuszczalnej frakcji organicznej (SOF) polegała na zatrzymaniu cząstek stałych spalin biodiesla na filtrach teflonowych w impaktorze typu PCIS oraz ELPI, wymywaniu analitów (SOF) odpowiednim rozpuszczalnikiem organicznym i − po odparowaniu rozpuszczalnika − zważeniu suchej pozostałości. Próbki drobnych cząstek frakcji stałej spalin biodiesla pobierano na modelowym stanowisku do wytwarzania i badania spalin. Próbki spalin pobierano z użyciem pompek próbników Sioutas Personal Cascade Impactor PCIS (frakcje 10 – 0,25 µm, i poniżej 0,25 µm) oraz niskociśnieniowego impaktora ELPI (Dekati Low Pressure Impactor), (frakcje 10 µm − 30 nm).

Zastosowanie dodatku bioestru B100 do oleju napędowego (ON) powoduje zmniejszenie całkowitej emisji cząstek do powietrza. Analiza składu chemicznego frakcji spalin < 0,25 µm emitowanych do powietrza wykazała, że w spalinach paliwa ON występują głównie 3- i 4-pierścieniowe węglowodory aromatyczne, natomiast w B40 pojedyncze WWA o liczbie pierścieni 4 i 5. Sumaryczna zawartość WWA w spalinach ON średnio wynosiła 910 ng/m3 i malała wraz z dodatkiem bioestru B100 do mieszanki oleju napędowego. W spalinach B40 średnia sumaryczna zwartość WWA wynosiła 340 ng/m3, co dało redukcję WWA o 62% w porównaniu z zawartością WWA w spalinach ON. Po przeliczeniu oznaczonego stężenia WWA na masę zebranej frakcji < 0,25 µm największe stężenie w przeliczeniu na próbkę pyłu (cząstek sadzy) otrzymano dla fenantrenu (PH), pirenu (PY) i benzo(a)antracenu (BaA) emitowanego w spalinach B20 oraz B40.

Największą zawartość rozpuszczalnej frakcji organicznej (SOF) dla badanych paliw oznaczono we frakcjach cząstek poniżej 0,1 µm i wynosiła ona średnio 2,814, 0,971, 0,708 mg/m3, odpowiednio dla paliwa ON, B20 i B40. We frakcji 1,6 µm możliwe było oznaczenie wagowo SOF tylko dla paliwa ON.
Z porównania wyników sumarycznej zawartości SOF we frakcji < 0,25 µm, a uzyskanych dla frakcji rozdzielonych z zastosowaniem próbnika PCSI i ELPI, wynika, że stężenie SOF dla paliwa B40 jest ok. 80-90% mniejsze niż dla paliwa ON bez mieszanki bioestru.

W celu kontynuowania eksperymentów zastosowano komercyjnie dostępny certyfikowany materiał frakcji < 0,25 µm cząstek spalin diesla SRM 2975 (DPM).

Badania działania cytotoksycznego prowadzono na dwóch liniach komórkowych z zastosowaniem testu pochłaniania czerwieni obojętnej oraz redukcji soli tetrazolowej MTT. Działanie cytotoksyczne pyłów materiału certyfikowanego DPM oraz materiału zebranego z układu wydechowego silnika pracującego na mieszance paliwa B40 (DPM-B40) na komórki dwóch linii komórkowych wskazują, że po
24 h narażania na badane pyły zahamowaniu ulegała aktywność metaboliczna mitochondriów oraz wychwyt czerwieni obojętnej w lizosomach komórkowych. Obserwowany efekt zależał od stężenia pyłu w medium inkubacyjnym oraz zastosowanego testu. Dla pyłu certyfikowanego DPM oraz DPM-B40 otrzymano pełny profil działania cytotoksycznego wyrażony minimalnym (obniżenie żywotności hodowli poniżej 20%) i maksymalnym (obniżenie żywotności hodowli powyżej 80%) efektem toksycznym. Na obu liniach komórkowych dla DPM otrzymano zbliżone wartości średniej IC50: na linii płucnych makrofagów mysich RAW 264.7 była to wartość 143,39 µg/ml, natomiast na linii komórkowej keratynocytów HaCaT − 162,63 µg/ml. W przypadku DMP-B40 wartości te były znacznie większe
i wynosiły odpowiednio 354,90 µg/ml i 242,5 µg/ml.

     Ocenę stresu oksydacyjnego przeprowadzono na podstawie: spektrofotometrycznego oznaczania powstających barwnych adduktów aldehydu malonowego (MDA) z kwasem tiobarbiturowym (TBA), oznaczania aktywności dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) metodą pośrednią, w której pomiar aktywności SOD oparty był na jej zdolności do hamowania utleniania ksantyny w reakcji katalizowanej przez oksydazę ksantynową (XOD) oraz analizy poziomu zredukowanych tioli komórkowych
z użyciem systemu NucleoCounter NC-3000.

Podczas narażenia komórek na wzrastające stężenia DPM i DPM-B40 zawartość związków reagujących z kwasem tiobarbiturowym (TBARS) w komórkach zwiększała się, gdy poziom dawkowania DPM i DPM-B40 odpowiadał wartości ½ IC50, i osiągała największą wartość dla DPM w dawce równej IC50 oraz dla DPM-B40 w dawce 2 IC50 dla linii komórkowej RAW 264.7 i HaCaT.

Zawartości TBARS w komórkach obu linii po narażeniu na DPM we wszystkich dawkach były mniejsze niż uzyskane po narażeniu takich samych linii komórkowych na AAPH, co wskazywałoby na mniejszy potencjał oksydacyjny DPM w porównaniu z AAPH. Natomiast po narażeniu na DPM-B40
w dawkach odpowiadających wartościom ½ − 2 IC50 poziomy TBARS były wyższe, co wskazuje na większy potencjał oksydacyjny DPM-B40 w porównaniu z AAPH. Tak więc, porównując poziomy TBARS powstałych w komórkach po narażeniu na DPM-B40 i DPM stwierdzono, że DPM-B40 w dawkach odpowiadających wartościom ½ − 2 IC50 bardziej nasilał peroksydację lipidów i poziom związków reagujących z kwasem tiobarbiturowym niż takie same dawki DPM. Aktywność dysmutazy ponadtlenkowej w komórkach mysich makrofagów płucnych RAW 264.7 po narażeniu na DPM i DPM-B40 była w zbliżonym zakresie i wahała się w przedziale 3,6 (1/10 IC50) − 10,8(2 IC50)% inhibicji/mg białka dla DPM oraz 3,05 (IC50) – 7,03(1/2 IC50)% inhibicji/mg białka dla DPM-B40.

Zawartość tioli w komórkach keratynocytów narażanych na DPM i DPM-B40 utrzymywała się stałe na stosunkowo niskim poziomie i nie wykazywała istotnego wzrostu wraz ze wzrostem poziomu dawkowania. Znaczący spadek zawartości zredukowanych tioli zaobserwowano po narażeniu komórek mysich makrofagów na stężenia DPM i DPM-B40 odpowiadające wartościom ½ IC50, IC50 oraz 2 IC50. Był to spadek znacząco większy niż obserwowany w przypadku narażenia tych komórek na AAPH, co wskazywałoby na gwałtowny spadek aktywności antyoksydacyjnej komórek RAW 264.7 pod wpływem wyższych dawek DPM i DPM-B40.

 

 

 

Projekt I.B.02. Histogram przedstawiający procentową zawartość frakcji < 0,25 µm w emitowanych cząstkach dla różnych biopaliw

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Projekt I.B.02. Porównanie poziomu TBARS powstających w wyniku narażenia komórek obu linii komórkowych na DPM-B40 oraz DPM

 

Opracowano zalecenia dotyczące ograniczenia narażenia na drobne frakcje cząstek spalin biodiesla. Przygotowano materiały do internetowej bazy wiedzy CIOP-PIB na temat zagrożenia ultradrobnymi cząstkami stałych frakcji spalin biodiesla oraz opracowano materiały szkoleniowe dotyczące pomiarów i oceny narażenia na szkodliwe substancje chemiczne we frakcjach ultradrobnych cząstek spalin.

W celu weryfikacji opracowanych materiałów przeprowadzono seminarium dla ok. 70 osób.

Wyniki projektu opublikowano w 5 artykułach o zasięgu krajowym i międzynarodowym, a fragmenty pracy przedstawiono na 6 konferencjach naukowych.



Jednostka: Pracownia Metod Chromatograficznych

Okres realizacji: 01.01.2011 – 31.12.2013