Методы исследования содержания металлов и полициклических ароматических углеводородов в составе мелкодисперсных частиц, загрязняющих атмосферный воздух (обзор литературы)

Загрязнение атмосферного воздуха является глобальной мировой проблемой. Присутствие в нём токсичных соединений, в том числе металлов и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), входящих в состав мелкодисперсных фракций взвешенных веществ, способствует росту заболеваемости населения.

Цель исследования – провести обзор представленных в научных публикациях современных методов отбора и определения содержания металлов и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), входящих в состав мелкодисперсных частиц атмосферного воздуха.

Материалом для настоящего обзора послужили публикации из реферативных баз данных Web of Science, PubMed, Scopus и eLIBRARY, посвящённые исследованию содержания металлов и ПАУ в составе мелкодисперсных частиц атмосферного воздуха (22 публикации). Анализ показал, что для отбора проб металлов и ПАУ, входящих в состав разных фракций мелкодисперсных частиц, эффективнее использовать многокаскадные импакторы. При подготовке пробы к анализу используют, как правило, целый фильтр, который подвергают кислотному разложению или жидкостной экстракции для определения содержания металлов и ПАУ соответственно. В качестве метода анализа в большинстве случаев применяют масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой для анализа металлов и газовую хроматографию с масс-спектрометрическим детектированием для анализа ПАУ.

Заключение. Анализ научно-методической литературы показал, что для отбора проб металлов и ПАУ, входящих в состав разных фракций мелкодисперсных частиц, эффективно использование многокаскадных импакторов. Металлы анализируют методами масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и обнаруживают на уровне нг и мкг. ПАУ анализируют методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием и обнаруживают на уровне нг и мкг. При этом время отбора образцов составляет 24 ч и более.

Участие авторов:
Нурисламова Т.В., Зорина А.С. – дизайн исследования, редактирование;
Зайцева Н.В. – концепция и редактирование;
Крылов А.А., Зверева Л.А. – сбор и анализ данных литературы, написание текста.
Все соавторы – утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех её частей.

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

Финансирование. Исследование не имело финансовой поддержки.

Поступила: 03.04.2025 / Поступила после доработки: 02.06.2025 / Принята к печати: 19.09.2025 / Опубликована: 20.10.202

1. Fatima S., Mishra S.K., Kumar U., Ahlawat A., Dabodiya T.S., Khosla D. Role of morphology and chemical composition of PM for particle deposition in human respiratory system: A case study over megacity – Delhi. Urban Climate. 2023; 47: 101344. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2022.101344

2. Veld M.I’., Alastuey A., Pandolfi M., Amato F., Pérez N., Reche C., et al. Compositional changes of PM2.5 in NE Spain during 2009–2018: a trend analysis of the chemical composition and source apportionment. Sci. Total. Environ. 2021; 795: 148728. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148728

3. Gupta A.D., Soni A., Gupta T. Synergistic cancer risk assessment from PM1 bound metals and PAHs in the Indo-Gangetic region. Sustain. Chem. Environ. 2023; 1: 100002. https://doi.org/10.1016/j.scenv.2023.100002

4. Isinkaralar O., Isinkaralar K., Nguyen T.N.T. Spatial distribution, pollution level and human health risk assessment of heavy metals in urban street dust at neighbourhood scale. Int. J. Biometeorol. 2024; 68(10): 2055–67. https://doi.org/10.1007/s00484-024-02729-y

5. Balali-Mood M., Naseri K., Tahergorabi Z., Khazdair M.R., Sadeghi M. Toxic mechanisms of five heavy metals: mercury, lead, chromium, cadmium, and arsenic. Front. Pharmacol. 2021; 12: 643972. https://doi.org/10.3389/fphar.2021.643972

6. Wang H.Z., Cai L.M., Wang Q.S., Hu G.H., Chen L.G. A comprehensive exploration of risk assessment and source quantification of potentially toxic elements in road dust: A case study from a large Cu smelter in central China. CATENA. 2021; 196: 104930. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104930

7. Yang L., Zhang H., Zhang X., Xing W., Wang Y., Bai P., et al. Exposure to atmospheric particulate matter-bound polycyclic aromatic hydrocarbons and their health effects: a review. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2021; 18(4): 2177. https://doi.org/10.3390/ijerph18042177

8. Krzyszczak A., Czech B. Occurrence and toxicity of polycyclic aromatic hydrocarbons derivatives in environmental matrices. Sci. Total. Environ. 2021; 788: 147738. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147738

9. Arif I., Adams M.D., Johnson M.T.J. A meta-analysis of the carcinogenic effects of particulate matter and polycyclic aromatic hydrocarbons. Environ. Pollut. 2024; 351: 123941. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2024.123941

10. Cheriyan D., Hyun K.Y., Jaegoo H., Choi J.H. Assessing the distributional characteristics of PM10, PM2.5, and PM1 exposure profile produced and propagated from a construction activity. J. Clean. Prod. 2020; 276: 124335. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124335

11. Anderson J.O., Thundiyil J.G., Stolbach A. Clearing the air: a review of the effects of particulate matter air pollution on human health. J. Med. Toxicol. 2012; 8(2): 166–75. https://doi.org/10.1007/s13181-011-0203-1

12. Gou G., Zhang D., Wang Y. Characteristics of heavy metals in size-fractionated atmospheric particulate matters and associated health risk assessment based on the respiratory deposition. Environ. Geochem. Health. 2021; 43(1): 285–99. https://doi.org/10.1007/s10653-020-00706-z

13. Moreno-Rios A.L., Tejeda-Benitez L.P., Bustillo-Lecompte C.F. Sources, characteristics, toxicity, and control of ultrafine particles: An overview. Geosci. Front. 2022; 13(1): 101147. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2021.101147

14. Geiser M., Kreyling W.G. Deposition and biokinetics of inhaled nanoparticles. Part. Fibre Toxicol. 2010; 7: 2. https://doi.org/10.1186/1743-8977-7-2

15. Liu N.M., Miyashita L., Maher B.A., McPhail G., Jones C.J.P., Barratt B., et al. Evidence for the presence of air pollution nanoparticles in placental tissue cells. Sci. Total. Environ. 2021; 751: 142235. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142235

16. Зайцева Н.В., Клейн С.В., Четверкина К.В., Андришунас А.М., Цинкер М.Ю. Об уровне безопасного содержания микроразмерных твёрдых частиц РМ1,0 в атмосферном воздухе. Гигиена и санитария. 2024; 103(11): 1434–40. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2024-103-11-1434-1440 https://elibrary.ru/hipitl

17. Slachtova H., Tomasek I., Polaufova P., Hellebrandova L., Splichalova A., Tomaskova H. An assessment of pm1 levels based on indicative pm1 measurements and relationships with pm10 and pm2.5 concentrations, for the analysis of hospital admissions and mortality in the Moravian region. Med. Pr. 2021; 72(3): 249–58. https://doi.org/10.13075/mp.5893.01078

18. Constantin J.G., Londonio A., Bajano H., Smichowski P., Gomez D.R. Plasma-based technique applied to the determination of 21 elements in ten size fractions of atmospheric aerosols. Microchem. J. 2021; 160B: 105736. https://doi.org/10.1016/j.microc.2020.105736

19. Mecca D., Boanini C., Vaccaro V., Gallione D., Mastromatteo N., Clerico M. Spatial variation, temporal evolution, and source direction apportionment of PM1, PM2.5, and PM10: 3-year assessment in Turin (Po Valley). Environ. Monit. Assess. 2024; 196(1): 1251. https://doi.org/10.1007/s10661-024-13446-9

20. Ilci F., Li M., Gernand J. Detailed physicochemical characterization of the ambient fine and ultrafine particulate mixture at a construction site. Aerosol Sci. Eng. 2021; 5: 344–56. https://doi.org/10.1007/s41810-021-00108-3

21. Krupnova T.G., Rakova O.V., Bondarenko K.A., Saifullin A.F., Popova D.A., Potgieter-Vermaak S., et al. Elemental composition of PM2.5 and PM10 and health risks assessment in the industrial districts of Chelyabinsk, South Ural region, Russia. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2021; 18(23): 12354. https://doi.org/10.3390/ijerph182312354

22. Kumari S., Jain M.K., Elumalai S.P. Assessment of pollution and health risks of heavy metals in particulate matter and road dust along the road network of Dhanbad, India. J. Health Pollut. 2021; 11(29): 210305. https://doi.org/10.5696/2156-9614-11.29.210305

23. Silveira R.S., Correa S.M., Neto N.M. Possible influence of shipping emissions on metals in size-segregated particulate matter in Guanabara Bay (Rio de Janeiro, Brazil). Environ. Monit. Assess. 2022; 194(11): 828. https://doi.org/10.1007/s10661-022-10517-7

24. De Souza S.L.Q., Martins E.M., Correa S.M., da Silva J.L., de Castro R.R., de Souza Assed F. Determination of trace elements in the nanometer, ultrafine, fine, and coarse particulate matters in an areas affected by light vehicular emissions in the city of Rio de Janeiro. Environ. Monit. Assess. 2021; 193(2): 92. https://doi.org/10.1007/s10661-021-08891-9

25. Frydas I.S., Kermenidou M., Tsave O., Salifoglou A., Sarigiannis D.A. Unraveling the blood transcriptome after real-life exposure of Wistar-rats to PM2.5, PM1 and water-soluble metals in the ambient air. Toxicol. Rep. 2020; 7: 1469–79. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2020.10.014

26. Yang M., Zeng H.X., Wang X.F., Hakkarainen H., Leskinen A., Komppula M., et al. Sources, chemical components, and toxicological responses of size segregated urban air PM samples in high air pollution season in Guangzhou, China. Sci. Total. Environ. 2023; 865: 161092. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.161092

27. Fu J., Ji J., Luo L., Li X., Zhuang X., Ma Y., et al. Temporal and spatial distributions, source identification, and health risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons in PM2.5 from 2016 to 2021 in Shenzhen, China. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2023; 30(47): 103788–800. https://doi.org/10.1007/s11356-023-29686-0

28. Gao P., Deng F., Chen W.S., Zhong Y.J., Cai X.L., Ma W.M., et al. Health risk assessment of inhalation exposure to airborne particle-bound nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons in urban and suburban areas of South China. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2022; 19(23): 15536. https://doi.org/10.3390/ijerph192315536

29. Jahedi F., Rad H.D., Goudarzi G., Birgani Y.T., Babaei A.A., Angali K.A. Polycyclic aromatic hydrocarbons in PM1, PM2.5 and PM10 atmospheric particles: identification, sources, temporal and spatial variations. J. Environ. Health Sci. Eng. 2021; 19(1): 851–66. https://doi.org/10.1007/s40201-021-00652-7

30. Jiang Q., Zhang X., Liu T., Shi J., Gu X., Xiao J., et al. Assessment of the temporal variability and health risk of atmospheric particle-phase polycyclic aromatic hydrocarbons in a northeastern city in China. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2022; 29(43): 64536–46. https://doi.org/10.1007/s11356-022-20378-9

31. Ju S., Lim L., Jiao H.Y., Choi S., Jun J.Y., Ki Y.J., et al. Oxygenated polycyclic aromatic hydrocarbons from ambient particulate matter induce electrophysiological instability in cardiomyocytes. Part. Fibre Toxicol. 2020; 17(1): 25. https://doi.org/10.1186/s12989-020-00351-5

32. Pietrogrande M.C., Bacco D., Demaria G., Russo M., Scotto F., Trentini A. Polycyclic aromatic hydrocarbons and their oxygenated derivatives in urban aerosol: levels, chemical profiles, and contribution to PM2.5 oxidative potential. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2022; 29(36): 54391–406. https://doi.org/10.1007/s11356-021-16858-z

33. Rudziński K.J., Sarang K., Nestorowicz K., Asztemborska M., Żyfka-Zagrodzińska E., Skotak K., et al. Winter source of PM2.5 pollution in Podkowa Lesna, a Central-European Garden town (Mazovia, Poland). Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2022; 29(56): 84504–20. https://doi.org/10.1007/s11356-022-21673-1

34. Gao X., Wang Z., Sun X., Gao W., Jiang W., Wang X., et al. Characteristics, source apportionment and health risks of indoor and outdoor fine particle-bound polycyclic aromatic hydrocarbons in Jinan, North China. PeerJ. 2024; 12: e18553. https://doi.org/10.7717/peerj.18553

35. Ou J., Zheng L., Tang Q., Liu M., Zhang S. Source analysis of heavy metals in atmospheric particulate matter in a mining city. Environ. Geochem. Health. 2021; 44(3): 979–91. https://doi.org/10.1007/s10653-021-00983-2

36. Wang Y., Li F., Liu Y., Deng X., Yu H., Li J., et al. Risk assessment and source analysis of atmospheric heavy metals exposure in spring of Tianjin, China. Aerosol Sci. Eng. 2022; 7: 87–95. https://doi.org/10.1007/s41810-022-00164-3

37. Saxena P., Kumar A., Mahanta S.S.K., Sreekanth B., Patel D.K., Kumari A., et al. Chemical characterization of PM10 and PM2.5 combusted firecracker particles during Diwali of Lucknow City, India: air-quality deterioration and health implications. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2022; 29(58): 88269–87. https://doi.org/10.1007/s11356-022-21906-3

38. Tehrani M.W., Fortner E.C., Robinson E.S., Chiger A.A., Sheu R., Werden B.S., et al. Characterizing metals in particulate pollution in communities at the fenceline of heavy industry: combining mobile monitoring and size-resolved filter measurements. Environ. Sci. Process. Impacts. 2023; 25(9): 1491–504. https://doi.org/10.1039/d3em00142c

39. Tian Y., Jia B., Zhao P., Song D., Huang F., Feng Y. Size distribution, meteorological influence and uncertainty for source-specific risks: PM2.5 and PM10-bound PAHs and heavy metals in a Chinese megacity during 2011–2021. Environ. Pollut. 2022; 312: 120004. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120004

40. Wu Y., Li G., An T. Toxic metals in particulate matter and health risks in an e-waste dismantling park and its surrounding areas: analysis of three PM size groups. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2022; 19(22): 15383. https://doi.org/10.3390/ijerph192215383

41. Yu Q., Ding X., He Q., Yang W., Zhu M., Li S., et al. Nationwide increase of polycyclic aromatic hydrocarbons in ultrafine particles during winter over China revealed by size-segregated measurements. Atmos. Chem. Phys. 2020; 20(23): 14581–95. https://doi.org/10.5194/acp-20-14581-2020

42. Rodríguez-Maroto J.J., García-Alonso S., Rojas E., Sanz D., Ibarra I., Pérez-Pastor R., et al. Characterization of PAHs bound to ambient ultrafine particles around runways at an international airport. Chemosphere. 2024; 352: 141440. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.141440