Методические подходы к определению полиаренов в атмосферном воздухе (аналитический обзор)

Среди стойких органических загрязнителей атмосферного воздуха особое место занимает группа полициклических ароматических углеводородов (ПАУ, или полиарены) в связи с их высокой канцерогенной опасностью. Ввиду повсеместного присутствия данных веществ в атмосферном воздухе, низких величин гигиенических нормативов и значений референтных концентраций для хронического ингаляционного воздействия (RfC) качественная и количественная идентификация ПАУ является актуальной задачей.

Цель: проанализировать современные методические подходы к определению полиаренов в атмосферном воздухе, применяемые в лабораторной практике, на базе российских и зарубежных источников. В работе рассмотрены современные методы аналитического контроля ПАУ в атмосферном воздухе, официально утверждённые в Российской Федерации, а также представленные в мировой литературе. Поиск литературных источников проведён по базам данных PubMed, RSC Publishing, Springer Nature, Scopus, eLIBRARY.RU. Анализ методов определения ПАУ в атмосферном воздухе по данным методической и научно-технической литературы позволил выделить основные направления методических разработок, применяемых в современной лабораторной практике для аналитического контроля полиаренов в воздухе. Представлены преимущества и недостатки конкретных методик, отдельных этапов проведения анализа, условий отбора, хранения и транспортировки проб, которые в совокупности могут приводить к ложноположительным или ложноотрицательным результатам.

Заключение. Современные методы анализа полиаренов в атмосферном воздухе являются результатом постоянного совершенствования техники выполнения отдельных аналитических процедур, разработки новых методических подходов к решению аналитических задач, появления нового, более совершенного измерительного и вспомогательного оборудования, что даёт возможность разработки высокочувствительных и высокоселективных методик измерения токсикантов в среде обитания человека на уровне ПДК_с.с., ПДК_м.р. и RfC при хроническом ингаляционном воздействии.

Участие авторов:
Уланова Т.С. — концепция и дизайн исследования, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи;
Карнажицкая Т.Д. — написание текста, сбор и статистическая обработка материала;
Зорина А.С. — сбор и статистическая обработка материала;
Старчикова М.О. — сбор и статистическая обработка материала.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила: 06.09.2022 / Принята к печати: 03.10.2022 / Опубликована: 30.11.2022

1. Polycyclic aromatic hydrocarbon. Available at: https://web.archive.org/web/20090629011257/

2. Никифорова Е.М., Кошелева Н.Е. Полициклические ароматические углеводороды в дорожном покрытии и экраноземах восточного округа Москвы. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2020; (2): 94-117. https://doi.org/10.15593/2409-5125/2020.02.07

3. Yamanaka T., Mizota C., Murae1 T., Hashimoto J. A currently forming petroleum associated with hydrothermal mineralization in a submarine caldera, Kagoshima Bay, Japan. Geochem. J. 1999; 33(6): 355-67. https://doi.org/10.2343/geochemj.33.355

4. Ровинский Ф.Я., Теплицкая Т.А., Алексеева Т.А. Фоновый мониторинг полициклических ароматических углеводородов. Ленинград: Гидрометеоиздат; 1988

5. USEPA. Provisional Guidance for Quantitative Risk Assessment of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. EPA/600/ R-93/089. Washington; 1993. Available at: https://semspub.epa.gov/work/HQ/100000047.pdf

6. Ramesh A., Harris K.J., Archibong A.E. Reproductive toxicity of polycyclic aromatic hydrocarbons. In: Gupta R.C. Reproductive and Developmental Toxicology. Elsevier Inc.; 2017: 745-63. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804239-7.00040-8

7. Ma W., Qi H., Baidron S., Liu L., Yang M., Li Y. Implications for long-range atmospheric transport of polycyclic aromatic hydrocarbons in Lhasa, China. Environ. Sci. Pollut. Control Ser. 2013; 20(8): 5525-33. https://doi.org/10.1007/s11356-013-1577-1

8. Lin Y., Qiu X., Ma Y., Ma J., Zheng M., Shao M. Concentrations and spatial distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and nitrated PAHs (NPAHs) in the atmosphere of North China, and the transformation from PAHs to NPAHs. Environ. Pollut. 2015; 196: 164-170. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2014.10.005

9. Tian M., Yang F., Chen S., Wang H., Chen Y., Zhang L., et al. Atmospheric deposition of polycyclic aromatic compounds and associated sources in an urban and a rural area of Chongqing, China. Chemosphere. 2017; 187: 78-87. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.08.077

10. Zhang J., Yang L., Mellouki A., Chen J., Chen X., Gao Y., et al. Atmospheric PAHs, NPAHs, and OPAHs at an urban, mountainous, and marine sites in northern China: molecular composition, sources, and ageing. Atmos. Environ. 2018; 173: 256-264. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2017.11.002

11. Miguel A., De Andrade J.B. Rapid quantitation of ten polycyclic aromatic hydrocarbons in atmospheric aerosols by direct HPLC separation after ultrasonic acetonitrile extraction.Int. J. Environ. Anal. Chem. 1989; 35(1): 35-41. https://doi.org/10.1080/03067318908028376

12. Kulkarni P., Venkataraman C. Atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons in Mumbai, India. Atmos. Environ. 2000; 34(17): 2785-90. https://doi.org/10.1016/s1352-2310(99)00312-x

13. Bacaloni A., Cafaro C., De Giorgi L., Ruocco R., Zoccolillo L. Improved analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in atmospheric particulate matter by HPLC-fluorescence. Ann. Chim. 2004; 94(9-10): 751-9. https://doi.org/10.1002/adic.200490093

14. Cincinelli A., Del Bubba M., Martellini T., Gambaro A., Lepri L. Gas-particle concentration and distribution of n-alkanes and polycyclic aromatic hydrocarbons in the atmosphere of Prato (Italy). Chemosphere. 2007; 68(3): 472-8. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2006.12.089

15. Castro D., Slezakova K., Oliva-Teles M., Delerue-Matos C., Alvim-Ferraz M., Morais S., et al. Analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in atmospheric particulate samples by microwave-assisted extraction and liquid chromatography. J. Sep. Sci. 2009; 32(4): 501-10. https://doi.org/10.1002/jssc.200800495

16. Kojima Y., Inazu K., Hisamatsu Y., Okochi H., Baba T., Nagoya T. Influence of secondary formation on atmospheric occurrences of oxygenated polycyclic aromatic hydrocarbons in airborne particles. Atmos. Environ. 2010; 44(24): 2873-80. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2010.04.048

17. Borras E., Tortajada-Genaroa L.A. Characterisation of polycyclic aromatic hydrocarbons in atmospheric aerosols by gas chromatography-mass spectrometry. Analyt. Chim. Acta. 2007; 583(2): 266-76. https://doi.org/10.1016/j.aca.2006.10.043

18. Method TO-13A. Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in ambient air using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). Available at: https://www.epa.gov/sites/default/files/2019-11/documents/to-13arr.pdf

19. Moriwaki H., Imaeda A., Arakawa R. Electrospray mass spectrometric determination of polycyclic aromatic hydrocarbons by detecting the p-p complexes with tropylium cation. Anal.Commun. 1999; 36(2): 53-6. https://doi.org/10.1039/A809573F

20. Marvin C., Smith R., Bryant D., McCarry B. Analysis of high-molecular-mass polycyclic aromatic hydrocarbons in environmental samples using liquid chromatography-atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 1999; 863(1): 13-24. https://doi.org/10.1016/s0021-9673(99)00955-3

21. Perez S., Barcelo D. Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in sewage reference sludge by liquid chromatography-atmospheric-pressure chemical-ionization mass spectrometry. Chromatographia. 2001; 53(9/10): 475-80. https://doi.org/10.1007/BF02491606

22. Gimeno R., Altelaar A., Marce R., Borrull F. Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons and polycyclic aromatic sulfur heterocycles by high-performance liquid chromatography with fluorescence and atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry detection in seawater and sediment samples. J. Chromatogr. A. 2002; 958(1-2): 141-8. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(02)00386-2

23. Robb D., Covey T., Bruins A. Atmospheric pressure photoionization: an ionization method for liquid chromatography-mass spectrometry. Anal. Chem. 2000; 72(15): 3653-9. https://doi.org/10.1021/ac0001636

24. Дорогова В.Б. Об отборе проб воздуха для анализа загрязняющих веществ. Экология человека. 2010; (3): 16-8.

25. Дорогова В.Б., Журба О.М. Некоторые аспекты отбора проб воздуха. В кн.: Материалы XI Всероссийского съезда гигиенистов и санитарных врачей «Итоги и перспективы обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения РФ». М.; 2012: 423-6.

26. Coutant R., Brown L., Chuang J., Riggin R., Lewis R. Phase distribution and artifact formation in ambient air sampling for polynuclear aromatic hydrocarbons. Atmos. Environ. 1988; 22(2): 403-9. https://doi.org/10.1016/0004-6981(88)90046-7

27. Pyysalo H., Tuominen J., Wickstrom K., Skitta E., Tikkanen L. Polycyclic organic material (POM) in urban air. Fractionation, chemical analysis and genotoxicity of particulate and vapor phases in an industrial town in Finland. Atmos. Environ. 1987; 21(5): 1167-80. https://doi.org/10.1016/0004-6981(87)90244-7

28. Arey J., Zielinska B., Atkinson R., Winner A. Polycyclic aromatic hydrocarbon and nitroarene concentrations in ambient air during a wintertime high-no, episode in the Los Angeles Basin. Atmos. Environ. 1987; 21(6): 1437-44. https://doi.org/10.1016/0004-6981(67)90091-1

29. Liu Y., Sklorz M., Schnelle-Kreis J., Orasche J., Ferge T., Kettrup A., et al. Oxidant denuder sampling for analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons and their oxygenated derivates in ambient aerosol: Evaluation of sampling artifact. Chemosphere. 2006; 62(11): 1889-98. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.07.049

30. Knecht U., Woitowitz H.J. PAH-losses from glass fiber filters under the conditions of different air volume sampling: results of field evaluations in occupational atmospheres. Fresenius Z. Anal. Chem. 1988; 331(1): 8-13. https://doi.org/10.1007/BF00473887

31. Saim N., Dean J., Abdullah M., Zakaria Z. Extraction of polycyclic aromatic hydrocarbons from contaminated soil using Soxhlet extraction, pressurised and atmospheric microwave-assisted extraction, supercritical fluid extraction and accelerated solvent extraction. J. Chromatogr. A. 1997; 791(1-2): 361-6. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(97)00768-1

32. Rehwagen M., Müller A., Massolo L., Herbarth O., Ronco A. Polycyclic aromatic hydrocarbons associated with particles in ambient air from urban and industrial areas. Sci. Total Environ. 2005; 348(1-3): 199-210. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2004.12.050

33. Re-Poppi N., Santiago-Silva M. Polycyclic aromatic hydrocarbons and other selected organic compounds in ambient air of Campo Grande City, Brazil. Atmos. Environ. 2005; 39(16): 2839-50. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2004.10.006

34. Su Y., Lei Y., Wania F., Shoeib M., Harner T. Regressing gas/particle partitioning data for polycyclic aromatic hydrocarbons. Environ. Sci. Technol. 2006; 40(11): 3558-64. https://doi.org/10.1021/es052496w

35. Albinet A., Leoz-Garziandia E., Budzinski H., ViIlenave E. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), nitrated PAHs and oxygenated PAHs in ambient air of the Marseilles area (south of France): concentrations and sources. Sci. Total Environ. 2007; 384(1-3): 280-92. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2007.04.028

36. Choi S., Kwon H., Lee Y., Park E., Oh J. Improving the spatial resolution of atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons using passive air samplers in a multi-industrial city. J. Hazard Mater. 2012; 241: 252-8. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.09.039

37. Shen G., Tao S., Wei S., Chen Y., Zhang Y., Shen H. et al. Field measurement of emission factors of PM, EC, OC, parent, nitro-, and oxy- polycyclic aromatic hydrocarbons for residential briquette, coal cake, and wood in rural Shanxi, China. Environ. Sci. Technol. 2013; 47(6): 2998-3005. https://doi.org/10.1021/es304599g

38. Hu H., Tian M., Zhang L., Yang F., Peng C., Chen Y., et al. Sources and gas-particle partitioning of atmospheric parent, oxygenated, and nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons in a humid city in southwest China. Atmos. Environ. 2019; 206: 1-10. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.02.041

39. Hawthorne S., Miller D. Extraction and recovery of polycyclic aromatic hydrocarbons from environmental solids using supercritical fluids. Anal. Chem. 1987; 59(13): 1705-8. https://doi.org/10.1021/ac00140a026

40. Gazzetta Ufficiale. DM (Ministerial decree). Aggiornamento delle norme techniche inmateria di limiti di concentrazione e di livelli di attenzione e di allarme per gli inquinamentiatmosferci nelle aree urbane e disposizioni per la misura di alcuni inquinanti di cui al. decretoministeriale 15 aprile 1994. Allegato VII “Metodo di riferimento per la determinazione diidrocarburi policiclici aromatici. Available at: https://www.gazzettaufficiale.it/eli/id/1994/12/13/094A7814/sg

41. Ambient air pollution by Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH). Position Paper. Publications of the European Commission. Available at: https://ec.europa.eu/environment/archives/air/pdf/pp_pah.pdf

42. May W., Parris R., Beck C., Fassett J., Greenberg R., Guenther F., et al. Definitions of Terms and Modes Used at NIST for Value-Assignment of Reference Materials for Chemical Measurements: NIST Special Publication 260-136, U.S., 2020. Available at: https://www.nist.gov/system/files/documents/srm/SP260-136.PDF

43. Pilot Study and Intercomparison Exercise on Atmospheric Inputs of PAHs. Available at: https://ospar.org›documents?v=6925

44. Esen F., Cindoruk S., Tasdemir Y. Ambient concentrations and gas/particle partitioning of polycyclic aromatic hydrocarbons in an urban site in Turkey. Environ. Forensics. 2006; 7(4): 303-12. https://doi.org/10.1080/15275920600996099

45. Park S., Kim Y., Kang C. Atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons in Seoul, Korea. Atmos. Environ. 2002; 36(17): 2917-24. https://doi.org/10.1016/S1352-2310(02)00206-6

46. Mandalakis M., Tsapakis M., Tsoga A., Stephanou E. Gas-particle concentrations and distribution of aliphatic hydrocarbons, PAHs, PCBs and PCDD/Fs in the atmosphere of Athens (Greece). Atmos. Environ. 2002; 36(25): 4023-35. https://doi.org/10.1016/S1352-2310(02)00362-X

47. Ayyildiz E., Sari M., Gunes M., Tasdemir Y., Esen F. Determination of Atmospheric PAHs Concentration by Using Honeybee and Passive Air Sampler. In: Proceedings of the 4th World Congress on Civil, Structural, and Environmental Engineering (CSEE’19). Avestia Publ.; 2019. https://doi.org/10.11159/iceptp19.120