XI. MAGYAR AEROSZOL KONFERENCIA. Debrecen 2013. október 28-30. Program és előadáskivonatok

XI. MAGYAR AEROSZOL KONFERENCIA Debrecen 2013. október 28-30. Program és előadáskivonatok ISBN 978-963-8321-50-3

Szerkesztők: Kertész Zsófia Szikszai Zita Angyal Anikó Furu Enikő Szoboszlai Zoltán Török Zsófia Borítókép: Konyhás István hcwg.hu Kiadó: MTA Atommagkutató Intézet Nyomda: REXPO Kereskedelmi és Számítástechnikai Kft. Debrecen, 2013. október

Köszöntő A Szervező Bizottság nevében szeretettel köszöntjük a XI. Magyar Aeroszol Konferencia résztvevőit Debrecenben, 2013. október 28-30 között. A Magyar Aeroszol Konferencia a magyar aeroszol kutatói társadalom 2-3 évenként megrendezésre kerülő seregszemléje. Az első Magyar Aeroszol Konferencia 1989-ben volt Veszprémben, amelyet további kilenc konferencia követett. Eddigi konferenciák: 1. Veszprém, 1989. október 5-6. 2. Debrecen, 1992. december 10-11. 3. Budapest, 1996. november 14-15. 4. Veszprém, 1998. október 1-2. 5. Szeged, 2000. október 5-6. 6. Debrecen, 2002. október 10-11. 7. Budapest, 2004. szeptember 6-10. (European Aerosol Conference 2004 keretében) 8. Siófok-Szabadifürdő, 2006. május 25-26. 9. Balatonfüred, 2009. április 27-28. 10. Galyatető, 2011. október 20-21. A konferencia célja, mint ahogy az előző konferenciáké is, hogy fórumot teremtsen a hazai aeroszoltudomány és technológia legújabb eredményeinek áttekintésére, nemzetközi kutatási trendek és lehetséges közös kutatási irányok megvitatására, a különböző hazai tudományos műhelyek közötti multidiszciplináris együttműködések erősítésére, valamint fiatal kutatók szakmai bemutatkozására. A MAero2013 propgramjának összeállításánál követtük az előző konferenciákon megszokott rendszert, azzal a különbséggel, hogy a konferencia időtartama a hagyományos 2 nap helyett ezúttal 3 nap lesz. Így talán kevésbé lesz feszített a tempó, és reméljük, a szünetekben és a kirándulás alatt több lehetőség lesz kötetlen eszemcserékre, baráti beszélgetéskre, új kapcsolatok kialakítására is. A konferencia keretében kerül megrendezésre a TÁMOP-4.2.3-12/1/KONV-2012-0057 Az Atomki tudományos eredményeinek terjeszése és népszerűsítése c. projekt interdiszciplináris workshopja "A Földünk természetes védelmi rendszerei" címmel. Minden résztvevőnek kívánunk eredményes munkát és reméljük, hogy a MAero2013 konferenciát hasznosnak, érdekesnek és eredményesnek találják majd szakmai szempontból, és élvezik a régi és új barátokkal, kollégákkal történő találkozást. Kertész Zsófia A Szervező Bizottság nevében

A XI. Magyar Aeroszol Konferencia rendezői: Magyar Aeroszol Társaság MTA Atommagkutató Intézet A konferencia Szervező Bizottsága: Kertész Zsófia Szikszai Zita Molnár Mihály Angyal Anikó Furu Enikő Major István Szoboszlai Zoltán Török Zsófia Király Beáta A konferencia támogatói: Kálmán System Kft Isotoptech ZRT TÁMOP-4.2.3-12/1/KONV-2012-0057

A XI. Magyar Aeroszol Konferencia PROGRAMJA

2013. október 28. hétfő 12.00 13.30 Regisztráció 13.30 14.00 A XI. Magyar Aeroszol Konferencia Megnyitója I. szekció Czitrovszky Aladár, Salma Imre, Magyar Aeroszol Társaság Sulik Béla, Atomki, tudományos igazgató helyettes 14.00 14.35 Gelencsér András: Az egészségkárosító hatástól az éghajlatmódosításig 14.35 14.55 Bécsi Zsuzsanna, Molnár Ágnes, Imre Kornélia és Pasi P. Aalto: Újrészecske-keletkezés K-pusztai háttérlevegőben (2008-2012) 14.55 15.15 Salma Imre, Németh Zoltán: A légköri nukleáció jelentőségének minősítése városi környezetekben 15.15 15.35 Németh Zoltán, Gede Mátyás, Salma Imre: A budapesti légköri nukleáció forrásterületeinek vizsgálata 15.35 15.55 Geresdi István, Schmeller Gabriella: A levegő kémiai összetételének hatása a kondenzációs mag tömegének változására 15.55 16.25 Poszterek, kávészünet II. szekció 16.25 16.45 Czitrovszky Aladár, Nagy Attila, Kerekes Attila, Oszetzky Dániel, Veres Miklós, Kugler Szilvia: Bioaerszolok optikai méréstechnikája 16.45 17.05 Ajtai Tibor, Utry Noémi, Pintér Máté, Bozóki Zoltán, Szabó Gábor: Korom aeroszolok szelektív azonosítása négy hullámhosszú fotoakusztikus koromérő rendszerrel 17.05 17.25 Tóth Ádám, Hoffer András, Nyírő-Kósa Ilona, Pósfai Mihály, Gelencsér András: Légköri kátránygömbök: elsődleges eredet? 17.25 17.45 Ajtai Tibor, Utry Noémi, Pintér Máté, Bozóki Zoltán, Szabó Gábor: Légköri korom aeroszolok valós idejű vizsgálata fotoakusztikus módszerrel városi környezetben 17.45 18.05 Ajtai Tibor, Utry Noémi, Pintér Máté, Bozóki Zoltán, Szabó Gábor: Rediszpergált ásványi por összetevők abszorpciós válaszának mérése fotoakusztikus módszerrel 18.05 18.25 Ajtai Tibor, Utry Noémi, Pintér Máté, Bozóki Zoltán, Szabó Gábor: Lézergenerált koromaeroszolok előállítása és karakterizálása 18.25 18.45 Török Zsófia, Angyal Anikó, Furu Enikő, Szoboszlai Zoltán, Kertész Zsófia: Fejlesztések Debrecenben: levegőre kivezetett ionnyalábos mikro- PIXE rendszer aeroszol minták mérésére 19.00 21.00 Fogadás 2

2013. október 29. kedd III. szekció 8.30 9.05 Balásházy Imre: Az aeroszolok emberi egészségre gyakorolt hatásának jellemzése 9.05 9.25 Herke Paula, Balásházy Imre, Farkas Árpád, Szigethy Dezső: Inhalációs gyógyszerek alkalmazása a gyakorlatban: a beteg légzési technikájának hatása a várható depozícióra és az optimalizáció lehetőségei 9.25 9.45 Kerekes Attila, Veres Miklós, Nagy Attila, Himics László, Oszetzky Dániel, Kugler Szilvia, Czitrovszky Aladár: Inhalációs készítmények légúti depozíciójának lokális meghatározása in vitor módszerrel 9.45 9.55 Ágoston Csaba, Pusztai Krisztina, Stelczer Attila: Környezeti levegő szerves alkotóinak és kellemetlen szaganyagainak mintavételi vizsgálati módszereinek fejlesztése 9.55 10.05 Kálmán Csaba, Kálmán István, Sándor Tamás, Csutorás Márton, Bán Sándor, Roman Szabolcs: Diesel motorok levegőhígítás nélküli vizsgálata PM10 PM2,5 PM1,0 korom részecske frakcióra in stack, izokinetikus, realtime gravimetrikus, mintavétel 10.05 10.45 Termékbemutató (Kálmán System, KVI-Plusz) IV. szekció Kávészünet 10.45 11.05 Füri Péter, Balásházy Imre, Czitrovszky Aladár, Nagy Attila, Pándics Tamás, Dura Gyula, Kerényi Tibor, Farkas Árpád, Jókay Ágnes, Madas Balázs, Nikovits Tibor: A vörösiszap por fizikai tulajdonságainak, légúti depozícióeloszlásának és az egészségre gyakorolt hatásának elemzése 11.05 11.25 Jókay Ágnes, Farkas Árpád, Balásházy Imre, Füri Péter: Aeroszol gyógyszerek légúti kiülepedésének numerikus modellezése és optimalizálása 11.25 11.45 Farkas Árpád, Balásházy Imre, Jókay Ágnes, Füri Péter: A légzőrendszer bronchiális régiójában kiülepedett részecskék mukociliáris tisztulásának numerikus modellezése 11.45 12.05 Kozmáné Szirtesi Krisztina, Angyal Anikó, Szoboszlai Zoltán, Furu Enikő, Török Zsófia, Kertész Zsófia: Aeroszol vizsgálatok ócsai passzívház-közeli épületekben 12.05 12.25 Szoboszlai Zoltán, Kertész Zsófia, Szikszai Zita, Angyal Anikó, Furu Enikő, Török Zsófia, Daróczi Lajos, Kiss Árpád Zoltán: Nyomtatott áramkörök hullámforrasztása során keletkezett aeroszolrészecskék azonosítása és kémiai jellemzése 12.25 13.25 Ebédszünet 13.30 22.00 Konferencia kirándulás 3

2013. október 30. szerda TÁMOP-4.2.3-12/1/KONV-2012-0057 Földünk természetes védelmi rendszerei workshop V. szekció 8.30 9.05 Varga György, Kovács János, Bradák Balázs, Szeberényi József, Kiss Klaudia: A porviharok és a hullóporos szedimentáció jelentősége a talajképződésben 9.05 9.25 Ferenczi Zita: Aeroszol részecskék nagytávolságú transzportjának vizsgálata modellszámítások alapján 9.25 9.45 Újvári Gábor, Németh Tibor, Kovács János, Varga György: Középgrönlandi jégben megőrzött ~20 ezer éves légköri aeroszol eredete: agyagásványtani és Sr, Nd, Pb izotópos bizonyítékok 9.45 10.05 Filep Ágnes, Bozóki Zoltán, Hitzenberger Regina, Szabó Gábor: Széntartalmú részecskék forrásának azonosítása optikai tulajdonságaik és méretük alapján 10.05 10.25 Major István, Bán Sándor, Balogh Csaba, Molnár Mihály: Magas aeroszol koncentrációjú időszakokban gyűjtött minták vizsgálata C-14 módszerrel 10.25 10.55 Poszterek, kávészünet VI. szekció 10.55 11.15 Krassován Krisztina, Kertész Zsófia, Imre Kornélia és Gelencsér András: Másodlagos eredetű foszfor szárazföldi finom aeroszolban 11.15 11.35 Jancsek-Turóczi Beatrix, Hoffer András, Tóth Ádám, Kováts Nóra, Ács András, Gelencsér András: Különböző aeroszolforrás-típusok ökotoxicitása 11.35 11.55 Molnár Mihály, Koltai Gabriella, Major István, Orsovszki Gergely, Siklósy Zoltán, Leél-Őssy Szabolcs, Török Zsófia, Kertész Zsófia, Ivo Svetlík: A Baradla-barlangban a cseppkövekre kirakódott korom vizsgálatának tanulságai 11.55 12.15 Molnár Ágnes, Bécsi Zsuzsanna, Benkő Diána: Az aeroszol részecskék tulajdonságai háttérlevegőben 12.15 12.35 Gácser Vera, Molnár Ágnes: Stabil időjárási helyzetek hatása a budapesti levegőminőségre 12.35 12.55 Furu Enikő, Katona Szabó Ilona, Angyal Anikó, Szoboszlai Zoltán, Török Zsófia és Kertész Zsófia: Aeroszol szennyezettség vizsgálata villamos pályaépítés mentén Debrecenben 12.55 13.15 Angyal Anikó, Kertész Zsófia, Ferenczi Zita, Furu Enikő, Szoboszlai Zoltán, Török Zsófia, Szikszai Zita: Debreceni városi aeroszol forrásai szmog ideje alatt 13.15 13.30 A XI. Magyar Aeroszol Konferencia Zárszava 13.30 14.30 Ebédszünet 14.30 15.30 Laborlátogatás (AMS Labor, Ionnyaláb Alkalmazások Laboratóriuma) 4

Poszterek Filep Ágnes, Palágyi Andrea, Kovács Laura, Manczinger László, Vágvölgyi Csaba, Bozóki Zoltán, Szabó Gábor: Légköri aeroszol minták fizikai, kémiai és ökotoxikológiai jellemzése Kohut Attila, Metzinger Anikó, Márton Zsuzsanna, Linus Ludvigsson, Knut Deppert, Galbács Gábor és Geretovszky Zsolt: Szikrakisüléses nanorészecske generátor emissziós spektroszkópiai vizsgálata Cu nanorészecskék előállítása közben Nagy Attila, Czitrovszky Aladár, Kerekes Attila, W.W. Szymanski: Terepi optikai mérések aeroszolok forrásazonosításának céljából Furu Enikő, Kertész Zsófia, Matjaž Kavčič: Klór kémiai állapotának meghatározása aeroszol mintákban nagy feloldású hullámhossz-diszperzív PIXE módszerrel Papp Enikő, Angyal Anikó, Furu Enikő, Szoboszlai Zoltán, Török Zsófia, Kertész Zsófia: Légköri aeroszol vizsgálata tömegközlekedési eszközökön ionnyaláb-analitikai módszerekkel Utry Noémi, Ajtai Tibor, Smausz Tamás, Hopp Béla, Bozóki Zoltán: Lézeres abláció által generált aeroszolok fotoakusztikus vizsgálata 5

XI. Magyar Aeroszol Konferencia ELŐADÁSOK 6

LÉGKÖRI AEROSZOL: AZ EGÉSZSÉGKÁROSÍTÓ HATÁSTÓL AZ ÉGHAJLATMÓDOSÍTÁSIG Gelencsér András Pannon Egyetem, Környezettudományi Intézet, MTA-PE Levegőkémiai Kutatócsoport 8200 Veszprém, Egyetem utca 10., E-mail: gelencs@almos.uni-pannon.hu A XXI. század hajnalán az emberiség a légkörrel kapcsolatban egy új jelenséggel kényszerült megbarátkozni, amit angol nyelven Atmospheric Brown Clouds (ABC) elnevezéssel illetünk. Ez a fogalom döntően széntartalmú aeroszolrészecskékből álló, kontinentális léptékű és tartós levegőszennyezést jelent. A nagyvárosi levegőszennyezésből kinőtt sajátos összetételű fotokémiai szmogtakaró alapjaiban rajzolja át azt a képet, ami a légköri aeroszol éghajlati hatásaival kapcsolatban a tudományos közvéleményben a 20. század végére kialakult. A légköri aeroszol klasszikus hűtő hatását a korom és szerves részecskék egyre növekvő arányával jellemezhető szmog egyre kevésbé képes biztosítani. Az üvegházhatású gázok töretlenül növekvő koncentrációja mellett ez sem jó hír a 21. század várható éghajlati változásait illetően. A jelenség és hatásainak leírását, értelmezését, a jövőbeni változások előrejelzését nagymértékben megnehezíti a széntartalmú légköri aeroszol koncentrációjának, összetételének és tulajdonságainak változékonysága, nevezéktani és méréstechnikai problémák sokaságával súlyosbítva. Például az egyértelműnek tűnő korom fogalma is rendkívül eltérő morfológiájú, méretű, abszorpciós képességű részecskék halmazát takarja, amelynek légköri mérésére a mai napig nem létezik egységes elvű módszer. Hasonlóképpen problémás a korom és a humuszszerű vegyületek kontinuumának megkülönböztetése, a részecskefázisú légköri átalakulások nyomonkövetése, az optikai tulajdonságok számítása, a higroszkópos növekedés és aktiválódás modellezése, a források azonosítása, hogy csak a legfontosabbakat említsük. Az új fogalom kiváló példa arra, hogyan válik helyi, elsődlegesen az emberek egészségét veszélyeztető levegőszennyezési problémák sokaságából a légköri sugárzásátvitelt és időjárást kontinensnyi léptékben bizonyíthatóan befolyásoló jelenség, ami napjainkra globális éghajlatmódosító tényezővé lépett elő. Köszönetnyilvánítás A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválósági Program hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Irodalom Ramanathan, V., C. Chung, D. Kim, T. Bettge, L. Buja, J.T. Kiehl, W.M. Washington, Q. Fu, D.R. Sikka, and M. Wild (2005), Atmospheric brown clouds: Impacts on South Asian climate and hydrological cycle, PNAS 15, 5326 5333. Engling, G., Gelencsér, A. (2010), Atmospheric Brown Clouds: From local air pollution to climate change, Elements 6, 223 228, 2010. 7

AZ AEROSZOLOK EMBERI EGÉSZSÉGRE GYAKOROLT HATÁSÁNAK JELLEMZÉSE Balásházy Imre MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Környezetfizikai Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33, E-mail: balashazy.imre@energia.mta.hu Bevezetés Az emberre ható környezeti ártalmak számottevő része aeroszolok belégzéséhez kapcsolódik. Földünkön a gyermekhalál 30%-a, a leggyakoribb fertőző és allergiás betegségek vagy a tüdőrák leginkább aeroszol részecskék inhalációjának következménye. A városi levegő nagy részecskekoncentrációja, az ipari és mezőgazdasági létesítményektől származó mérgező porok, a dohányzás és általában a toxikus, allergén és karcinogén anyagok belégzése, valamint a radioaktív aeroszolok inhalációja a biofizika, a környezetfizika, az egészségvédelem és a sugárvédelem fontos területévé vált. Az Európai Unió kiemelt figyelmet fordít a légszennyezésből származó káros egészségi hatások kutatására. A gyógyszerek szervezetbe történő gyors és noninvazív bejuttatásának is egy lehetséges módját jelenti az aeroszol formában történő inhaláció, ezért az aeroszol gyógyszerek térhódítása az utóbbi időben igen jelentős volt és e tendencia minden bizonnyal folytatódik. A belélegzett aeroszolok egészségre gyakorolt hatását számos paraméter együttesen határozza meg. A legfontosabb paraméter típusokat az 1. ábra foglalja össze. A BIOLÓGIAI HATÁST BEFOLYÁSOLÓ LEGFONTOSABB TÉNYEZŐK 1. Az aeroszol tulajdonságai. 2. A légzőrendszer jellemzői. 3. A légzés módja. 4. Az egész szervezet sajátosságai. (Egyéni érzékenység, egészségi állapot.) 5. A külső erőterek. 6. A dózis és a dózisintenzitás. (A hatás elemzésének leggyakoribb paraméterei.) 1. ábra. Az aeroszolok egészségre gyakorolt hatásának kulcsparaméterei Az aeroszolok jellemzői közül, az egészségre gyakorolt hatást illetően, a részecskeméret eloszlás, a részecske alak, a részecske dinamika, az oldékonyság és a toxicitás (kémiai-, fizikai-, biológiai- és radio-toxicitás) a legfontosabb tényezők. A biológiai válaszban természetesen szerepe van még a levegő hőmérsékletének, páratartalmának és nyomásának is. Az inhalábilis, azaz a bronchusokig megszokott légzési mód mellett reális valószínűséggel belélegezhető részecskeméret-tartomány az 1 nm-től 10 μm-ig terjedő intervallum. A respirábilis, azaz a légzőhólyagokig, más szóval alveolusokig is lejutó részecskék jellemző mérettartománya 5 nm-től 5 μm átmérőig terjed. Természetesen ezek nem éles határok, és a részecskeméreten kívül számos egyéb paramétertől is függ, hogy egy belélegzett részecske meddig jut el a légzőrendszerben. A 2. ábra a légzőrendszeri aeroszol depozíció karakterisztikus frakcióit írja le a részecskeméret függvényében, felnőtt nő esetében, ülő pozíciónak megfelelő légzési módnál. A számítások a sztochasztikus tüdőmodellünkkel készültek. Mint látható, az orr jóval jobb szűrő, mint a száj, ezért poros levegőben szinte mindig az orrlégzés javasolható. 8

TELJES ÉS REGIONÁLIS DEPOZÍCIÓS FRAKCIÓK 2. ábra. Humán légzőrendszeri depozíciós frakciók a részecskeméret függvényében orr- és szájlégzésnél, ülő légzési módnál, felnőtt nő esetében A belélegzett részecskék egy része kiülepszik a légzőrendszerben. Ezek jelentős hányadát valamely tisztulási folyamat eltávolítja a kiülepedés helyétől. A kiülepedett részecskék bekerülhetnek a véráramba, vagy beépülhetnek a tüdőszövetbe. A véráramba került részecskék kinetikája igen változatos lehet. A nanorészecskék szervezeten belüli útvonala még jórészt ismeretlen. A ki nem ülepedett részecskéket előbb-utóbb kilélegezzük. Az 1 nm 100 nm-es részecskék légzőrendszeri kiülepedését alapvetően a diffúzió határozza meg, az 1 μm feletti részecskeátmérőknél általában az impakció, azaz a tehetetlen ütközés a domináns depozíciós mechanizmus, de igen lassú légzésnél a gravitációs ülepedés is lehet az uralkodó kiülepedési folyamat. Időben változó méretű részecskék (párolgó, szublimáló, higroszkopikus, aggregálódó vagy koaguláló részecskék) depozíciója sajátos kiülepedés-eloszlást eredményezhet. Ha a részecskék elektrosztatikusan töltöttek vagy mágnesesek, akkor külső térrel erősen módosítható a légúti viselkedésük. A légzőrendszernek számos betegsége ismert, melyek erősen befolyásolhatják a belélegzett részecskék depozícióeloszlását, tisztulását, valamint a biológiai hatását. Légzőrendszeri allergia esetén ugyanabban a légtérben megfulladhat az egyik ember, míg a másik észre sem veszi a szennyezést. A legismertebb veszélyes aeroszolok a dohányfüst, a radon-leánytermékek, a városi aeroszolok, az azbeszt, a gumipor és a nanoaeroszolok. Mindezek légzőrendszeri depozícióját és tisztulását többféle numerikus modellel számoljuk. Modelljeink Kerekes et al. (2009, 2012) kísérleti berendezésein validálásra kerülnek. Köszönetnyilvánítás A kutatást a KTIA_AIK_12-1-2012-0019 szerződésszámú projekt támogatta. Irodalom Kerekes, A., Nagy, A., Czitrovszky A., 2009. Experimental air flow and deposition studies with hollow bronchial airway models. J. Aerosol Med. 22, 2, 175-176. Kerekes, A., Nagy, A., Czitrovszky A., 2012. Theoretical and experimental investigation of aerosol deposition in realistic human airway model. European Aerosol Conference EAC2012, Sept. 2-7. Granada, Spain, A-WG06S1P30, P253, 1094. 9

A PORVIHAROK ÉS A HULLÓPOROS SZEDIMENTÁCIÓ JELENTŐSÉGE A PALEOTALAJOK KIALAKULÁSÁBAN AVAGY A LÉGKÖRI POR MENNYISÉGÉNEK VÁLTOZÁSAI A FÖLDTÖRTÉNETI MÚLTBAN Varga György 1, Kovács János 2,3, Bradák Balázs 1, Szeberényi József 1, Kiss Klaudia 1 1 MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Földrajzi Intézet, 1112 Budapest, Budaörsi u. 45., varga.gyorgy@csfk.mta.hu 2 Pécsi Tudományegyetem, Földtani Tanszék, 7624 Pécs, Ifjúság u. 6., 3 Pécsi Tudományegyetem, Szentágothai János Kutatóközpont, Geoanalitikai Kutatócsoport, 7624 Pécs, Ifjúság u. 20. Bevezetés A szél által légkörbe juttatott, majd onnan különböző folyamatok hatására kiülepedett ásványi porral kapcsolatos vizsgálatok a globális éghajlati és egyéb környezeti kutatások homlokterébe kerültek az elmúlt évtizedben. Mindezen kutatások rámutattak és bizonyították, hogy az eolikus eredetű ásványi aeroszol részecskék szerepe Földünk éghajlati rendszerében sokkal többrétűbb, mint korábban gondoltuk (Pósfai és Buseck, 2010). Különösképpen igaz ez egyes földtörténeti periódusokra, amikor a légköri por mennyisége a mainak akár 15 20- szorosa is lehetett (Kohfeld és Harrison, 2001). A plio-pleisztocén hullóporos eredetű üledékek hazai rétegsorai is egy ilyen jellegzetes klimax állapotot archiváltak számunkra (Varga, 2011). A hazánk területének csaknem felét fedő lösz-paleotalaj sorozatainak elemzésével, kiegészítve a feküjüket képező gyakran szintén hullóporos eredetű vörösagyagok rétegsoraival, a Kárpát-medence elmúlt 3,5 millió évének paleoklimatológiai és őskörnyezeti változásait ismerhetjük meg, valamint információkat szerezhetünk a légköri por mennyiségére vonatkozóan is. Az egynemű fakó sárga lösz alapanyagát a pleisztocén kori intenzív porviharok szállították és ülepítették le. A hideg-száraz éghajlat nem kedvezett a mállási folyamatoknak, így a felhalmozódott poranyagból lösz képződhetett. A meleg-nedves interglaciálisokban a löszréteg felső része talajosodott. Ezek a sötétebb sávok a későbbi glaciálisokban újra eltemetődtek és paleotalajként őrizték meg egykori melegebb klímaszakaszt. Ezt a klasszikus löszrétegtani megközelítést az új kutatási eredmények tükrében kiegészíthetjük a löszöket tagoló paleotalajok akkréciós a porhullással egyidejű, szingenetikus kialakulásának kérdéskörével. Ebben az esetben a talajok nem a fekü képződmény talajosodási folyamatok során történő átalakulásával képződnek, hanem a felmelegedési időszakokban is jelenlévő hullóporos szedimentáció eredményeként alakulnak ki (Varga et al. 2012). Módszerek Az elmúlt évek során a Kárpát-medence legjelentősebb hullóporos eredetű rétegsorait elemeztük, mely során különféle rétegtani, üledékföldtani, geomorfológiai, mikromorfológiai, geokémiai és geofizikai módszereket alkalmaztunk. A vizsgált feltárások és korábbi, publikált eredmények alapján összeállított elvi rétegoszlop egységeit globális referencia görbékkel korreláltuk. A hullóporos szedimentáció mechanizmusának pontosabb megértéséhez a polimodális szemcseeloszlás görbéket matematikai-statisztikai módszerekkel üledékpopulációkra bontottuk, recens porhullásos események granulometriai adatait is figyelembe véve. Így elkülöníthetővé válnak a (1) helyi porviharos epizódokhoz köthető durvább szemcsék, a (2) 10

csaknem állandó háttérporból, nagy szállítási távolság után kiülepedő agyag és finom kőzetliszt méretű frakciók, valamint a (3) talajosodási, újratalajosodási folyamatok révén képződött üledékkomponensek. Továbbá azonosíthatóvá válnak a paleotalajok akkréciós eredetének nyomai is. Rövid diszkusszió A hazai vörösagyag-lösz-paleotalaj sorozatok egységes rendszerként történő elemzése révén egy 3,5 millió évre visszamenő hullóporos üledéksor adatira támaszkodhatunk a légköri por mennyiségének rekonstrukciós vizsgálatai során. A löszök feküjében található pliocén és alsó-pleisztocén vörösagyagok eolikus eredetének tisztázása kulcsfontosságú ebben a sorozatban. A vizsgát vörösagyag minták szemcseeloszlási jellemzői az üledékpopulációkra történő felbontás és újabb szempontú értékelés alapján jól beleillenek a hullóporos rendszer jellemzői közé, de jelentősen eltérnek más üledékképződési környezethez (lakusztrikus, fluviális) köthető képződmények granulometriai profiljától. Az elektronmikroszkópos felvételeken szintén jól láthatók a szél általi szállítás során keletkezett ütközési nyomok és rovátkák a szemcséken. A kvarcszemek löszök anyagához hasonló félszögletes (szubanguláris) és szögletes alakja is jól mutatja, hogy szél által szállított anyagról van szó (Kovács, J. 2008; Kovács et al. 2008). A vörösagyagok képződése utáni szárazodás a porhullások intenzitásának növekedéséhez vezetett, és megindult a legidősebb löszeink kialakulása. Az alsó-pleisztocén löszsorozatokat tagoló vörös paleotalajok szemcseeloszlási adataik alapján eltérnek a löszökből talajosodási folyamatok által kialakult paleotalajoktól, illetve nagyfokú hasonlóságot mutatnak a Földközi-tenger térségekben található terra rossákkal (, melyek képződésében domináns szerepet játszott a szaharai por). A fiatalabb (felső-pleisztocén) lösz-paleotalaj sorozatok (pl. Verőce) finomrétegtani és részletes üledékföldtani elemzésével szintén felismerhető a hullópor jelentősége a talajképződésben (Bradák, B. et al. in prep). Irodalom Bradák, B., Kiss, K., Barta, G., Szeberényi, J., Markó, A., Józsa, S., Varga, Gy., Novothny, Á., Kovács, J., Mészáros, E., Szalai, Z. (in prep). Development of parallel palaeoenvironments during the Late Pleistocene identified in Verőce outcrop, Hungary Preliminary results. Quaternary International. Kohfeld, K.E., Harrison, S.P. 2001. DIRTMAP: the geological record of dust. Earth-Science Reviews 54. (1 3) pp. 81 114. Kovács, J. 2008. Grain-size analysis of the Neogene red clay formation in the Pannonian Basin. International Journal of Earth Sciences 97. (1) pp. 171 178. Kovács, J., Varga, Gy., Dezső, J. 2008. Comparative study on the Late Cenozoic red clay deposits from China and Central Europe (Hungary). Geological Quarterly 52. (4) pp. 369 382. Varga, Gy. 2011. Similarities among the Plio Pleistocene terrestrial aeolian dust deposits in the world and in Hungary. Quaternary International 234. (1 2) pp. 98 108. Varga, Gy., Kovács, J., Újvári, G. 2012. Late Pleistocene variations of the background aeolian dust concentration in the Carpathian Basin: an estimate using decomposition of grain-size distribution curves of loess deposits. Netherlands Journal of Geosciences Geologie en Mijnbouw 91. (1 2) pp. 159 171. 11

ÚJRÉSZECSKE-KELETKEZÉS K-PUSZTAI HÁTTÉRLEVEGŐBEN (2008-2012) Bécsi Zsuzsanna 1, Molnár Ágnes 2, Imre Kornélia 2 és Pasi P. Aalto 3 1 Föld-és Környezettudományi Intézeti Tanszék, Pannon Egyetem, 8201 Veszprém, Pf. 158, E-mail: becsi.zsuzsanna@gmail.com 2 MTA-PE Levegőkémiai Kutatócsoport, Pannon Egyetem, 8201 Veszprém, Pf. 158 3 Department of Physics, University of Helsinki, FI-00014 Helsinki, P.O. Box 64 Bevezetés A finom aeroszol részecskék számos légköri folyamatban játszanak fontos szerepet és közismert az éghajlatra és az emberi egészségre gyakorolt hatásuk. Újrészecske-keletkezési események az egész világon megfigyelhetőek mind szennyezett városi, mind tiszta háttérlevegőben. Hasonlóképpen az újrészecskék képződését Magyarországon is megfigyelték szennyezett városokban, mint pl. Budapesten (Salma et al. 2011; Borsós et al. 2012) és háttérlevegőben is pl. K-pusztán (Yli-Juuti et al. 2009; Bécsi et al. 2011; Bécsi et al. 2012). Ahogy korábbi eredményeink is mutatták, K-pusztán újrészecske-keletkezés gyakran előfordul: az esemény típusú napok gyakorisága tavasszal és ősszel (szeptemberben) a legnagyobb (Bécsi et al. 2011; Bécsi et al. 2012). Ebben a munkában a k-pusztai mérőállomáson a 2008. november és 2012. december közötti időszakban megfigyelt részecskekeletkezéssel kapcsolatos eredményeinket foglaltuk össze. A DMPS a részecskéket elektromos mozgékonyságuk alapján különböző méretosztályokba csoportosítja és a méreteloszlásukat az 1µm alatti átmérő tartományban adja meg. A napi DMPS spektrumok alapján az osztályozást (esemény, nem-esemény, jellegtelen/meghatározatlan típus, hiányzó/rossz adat) a nemzetközi ajánlásoknak (Dal Maso et al. 2005) megfelelően végeztük el, valamint vizsgáltuk a különböző részecskekeletkezési típusok évszakos eloszlását, gyakoriságát is (1. táblázat). 1. táblázat. A részecskekeletkezési események statisztikája (2008. nov.-2012. dec.), K-puszta A méreteloszlás adatok alapján egyebek mellett vizsgáltuk, hogy a napi maximum számkoncentráció melyik mérettartományban, milyen gyakorisággal volt mérhető (1. ábra). Ennek alapján azt találtuk, hogy míg a nukleációs módus (< 25 nm) gyakorisága tavasszal és nyáron, addig az Aitken módusé (25-100 nm) nyáron volt a legnagyobb. Az akkumulációs módus ( 100 nm) gyakorisága télen volt a legnagyobb, míg tavasszal és nyáron a legkisebb. 12

1. ábra. A napi maximum koncentrációk évszakos gyakorisága a különböző mérettartományokban (2009-2012) K-pusztán A frissen képződött részecskék növekedési és keletkezési sebességét a szakirodalomban használt módszerek alapján becsültük (Hirsikko et al. 2005; Yli-Juuti et al. 2009). Eredményeink szerint a k-pusztai levegőben keletkező részecskék növekedési és keletkezési sebessége is változékony. Köszönetnyilvánítás A szerzők köszönetet mondanak a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0064 azonosítójú projekt (A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.); valamint az EU FP7-es ACTRIS (No. 262254) projekt támogatásáért. Irodalom Salma, I., Borsós, T., Weidinger, T., Aalto, P., Hussein, T., Dal Maso, M., Kulmala, M., 2011. Atmos. Chem. Phys., 11, 1339 1353. Borsós, T., Řimnáčová, D., Ždímal, V., Smolík, J., Wagner, Z., Weidinger, T., Burkart, J., Steiner, G., Reischl, G., Hitzenberger, R., Schwarz, J., Salma, I., 2012. Sci. Total Environ. 433, 418 426. Yli-Juuti, T., Riipinen, I., Aalto, P.P., Nieminen, T., Maenhaut, W., Janssens, I.A., Claeys, M., Salma, I., Ocskay, R., Hoffer, A., Imre, K., Kulmala, M., 2009. Boreal Env. Res. 14, 683-698. Bécsi, Zs., Molnár, A., Imre, K., Nieminen, T., Hakala, J., Petäjä, T., Kulmala, M., 2011. New aerosol particle formation and event classification in Hungarian background air at K-puszta. EAC 2011, Manchester, 4-9 Sept. 2011. Bécsi, Zs., Molnár, A., Imre, K., Nieminen, T., Hakala, J., Petäjä, T., Kulmala, M., 2012. New particle formation events in Hungarian background air at K-puszta, 2008-2011. EAC 2012, Granada, 2-7 Sept. 2012. Dal Maso, M., Kulmala, M., Riipinen, I., Wagner, R., Hussein, T., Aalto, P.P., Lehtinen, K.E.J., 2005. Boreal Env. Res. 10: 323-336. Hirsikko, A., Laakso, L., Hõrrak, U., Aalto, P., Kerminen, V.-M., Kulmala, M., 2005. Boreal Env. Res. 10, 357-369. 13

Bevezetés A LÉGKÖRI NUKLEÁCIÓ JELENTŐSÉGÉNEK MINŐSÍTÉSE VÁROSI KÖRNYEZETEKBEN Salma Imre, Németh Zoltán Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémiai Intézet, 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A, E-mail: salma@chem.elte.hu Az aeroszol részecskék között a 100 nm-nél kisebb átmérőjű, ún. ultrafinom (UF) részecskék találhatóak legnagyobb (80% körüli) arányban a levegőben. Fő keletkezési folyamataik a magashőmérsékletű folyamatok emissziója és a légköri nukleáció. Legfontosabb emissziós források a közúti közlekedés, az égetés, a háztartási fűtés és tüzelés. A nukleáció egy elsőrendű fázisátmenet, amelyben légnemű összetevők keverékében fotokémiai oxidációval új aeroszol részecskék keletkeznek. A nukleáció gyakorisága Budapest belvárosában éves szinten 27%, és az újrészecske-képződés intenzitásának átlagértéke és szórása (4.2 2.5) cm 3 s 1 (Salma et al., 2011). Városokban az említett képződési folyamatok együttesen jelentkeznek. A részecskék tulajdonságai közötti összefüggések, valamint hatásaik jobb megértése végett szükséges a képződési típusok elkülönítése, és az egyes képződési folyamatok relatív jelentőségének minősítése. Módszerek Kísérleteinket elektromos mozgékonyságon alapuló részecskeméret szeparátorral (DMPS, Differential Mobility Particle Sizer) végeztük. A mérőrendszerrel aeroszol részecskék számának méreteloszlását határoztuk meg 6 1000 nm átmérőtartományban 10 perces időfelbontással. Folyamatos terepi méréseket végeztünk Budapest 4, különböző típusú környezetében: városiközeli-háttérben (KFKI, 2 hónap nyáron), nyitott, belvárosi helyszínen (ELTE Lágymányosi Telephely, 1 év), belvárosi utcakanyonban (ELTE, Rákóczi út 5., 2 hónap tavasszal) és egy közlekedési helyszínen (Várhegy-alagút, 2 hét). A méreteloszlások időváltozásának vizsgálatával a mérési napokat nukleációs és nukleációmentes csoportokba osztályoztuk. A mért adatokból 6 és 100 nm közötti átmérőjű részecskék koncentrációját (N 6 100 ), valamint a 100 1000 nm átmérőjű részecskék koncentrációját (N 100 1000 ) határoztuk meg. Az előbbi az UF részecskéket fejezi ki, míg utóbbi egy nagyobb térbeli és időbeli (regionális) skálán jellemzi az aeroszolt. A koncentrációkat különböző szempontok szerint átlagoltuk, és elkészítettük az átlagok napi menetét. Eredmények Első alkalommal vezettük be a nukleációs tényezőt (NSF, nucleation strength factor, Salma et al., 2013), amely a nukleáció járulékát fejezi ki az UF részecskék koncentrációjához a regionális aeroszolra vonatkoztatva az összes képződési folyamat hasonló járulékához viszonyítva a következő módon: NSF N N 6 100 6 100 N N 100 1000 100 1000 nukleációs napok nemnukleációs napok. (1) 14

Nucleation strength factor A modell feltételei városokban és hosszabb idejű mérések alkalmával általában teljesülnek. 3.0 background city centre street canyon 2.5 2.0 1.5 1.0 1. ábra. A nukleációs tényező (NSF) átlagos napi menete Budapest különböző típusú környezeteiben. A görbék 1 órást símítást mutatnak. A vízszintes vonal azt az értéket jelzi, amelynél a nukleáció relatív járuléka nagyobbá válik, mint az összes többi képződési folyamaté. A nukleációs tényező napi átlagértéke és szórása a városközeli-háttérben, belvárosban és az utcakanyonban rendre 1.71 0.69, 1.42 0.26 és 1.29 0.37. A nukleáció tehát jelentős mértékű, és járuléka csökken az antropogén hatással. Nyáron a napi átlagos relatív járulék a városközeli-háttérben 42% az összes többi emissziós és képződési folyamattal összehasonlítva, és 9:00 18:00 óra között döntővé válik (1. ábra). Ilyenkor a nukleáció tekinthető az UF részecskék fő képződési folyamatának. A másik két belvárosi helyszínen a napi átlagos relatív járulék rendre 30% és 23%. A járulékok 13 óra körül még a belvárosi helyszíneken is elérik az 50%-ot. Mindez azt mutatja, hogy a légköri nukleáció egészségügyi hatásait is figyelembe kell venni városokban az éghajlati következmények mellett. A nukleáció az átlagos részecskeszám méreteloszlásokat kevésbé befolyásolja, de a medián részecske átmérők változnak a különböző városi környezetekben. Köszönetnyilvánítás A kutatást az Országos Tudományos Kutatási Alap támogatta a K84091 szerződés alapján. Köszönjük Balásházy Imre, KFKI Atomenergia Kutatóintézet, Dezső Tamás és Knipf Erzsébet, ELTE BTK és Ramotsáné Menyhért Ágnes, BFFH támogató segítségét a külső helyszíneken végzett mérések során. Irodalom 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 Time [hh:mm] Salma, I., Borsós, T., Weidinger, T., Aalto, P., Hussein, T., Dal Maso, M., Kulmala, M., 2011. Production, growth and properties of ultrafine atmospheric aerosol particles in an urban environment. Atmos. Chem. Phys. 11, 1339 1353. Salma, I., Borsós, T., Németh, Z., Aalto, P., Kulmala, M., 2013. Comparative study of ultrafine atmospheric aerosol within a city. Submitted. 15

Bevezetés A BUDAPESTI LÉGKÖRI NUKLEÁCIÓ FORRÁSTERÜLETEINEK VIZSGÁLATA Németh Zoltán, Gede Mátyás és Salma Imre Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémiai Intézet 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A, E-mail: nemeth@caesar.elte.hu Az ultrafinom aeroszol részecskéknek (d<100 nm) kiemelt szerepük van az éghajlat alakításában, és egészségügyi többletkockázatot jelentenek. A részecskék egyik fő képződési folyamata a légköri nukleáció. Budapest belvárosában éves skálán 27% ban fordul elő új aeroszol részecskék képződése és növekedése. A nukleálódó légtömeg térbeli kiterjedésének és eredetének meghatározása fontos az ultrafinom aeroszol részecskék hatásainak és következményeinek megértése szempontjából (Kristensson et al., 2008). Módszerek Terepi méréseket végeztünk differenciális mozgékonyságon alapuló részecskeméret szeparátorral (DMPS, Differential Mobility Particle Sizer), amellyel aeroszol részecskék méreteloszlását határoztuk meg 6 1000 nm átmérőtartományban 30 csatornában 10 perces időfelbontásban. A méréseket 2008. november és 2009. november között az ELTE Lágymányosi Telephelyén (belváros), míg2012. január és 2013. január között az MTA-CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézetben (városközeli háttér) végeztük. Meteorológiai adatokat is regisztráltuk mindkét helyszínen. A mérési napokat nukleációs és nemnukleációs napokra osztályoztuk. A nukleációs napokon meghatároztuk az új aeroszol részecskék keletkezésének legkorábbi(t 1 ) és legkésőbbi időpontját (t 2 ), továbbá a részecskék növekedésének végső időpontját (t end ) az egyes csatornák tartalmának eloszlása alapján. Ezeket az adatokat bemenő paraméterekként használtuk a HYSPLIT számítógépes modell futtatásához (Draxler és Rolph, 2013). A részecskék növekedésének végső időpontjától óránként, visszafelé számolt trajektóriákat határoztunk meg a részecskék keletkezésének kezdetéig 200, 500 és 2300 m es érkező magasságon a két mérési helyszínen. A meteorológiai adatokból a szélsebesség és szélirány eloszlását határoztuk meg nukleációs és nukleációmentes napokra. Eredmények Az ELTE Lágymányosi Telephelyén a nukleációs és nukleációmentes napok esetén a szélsebesség átlaga és szórása rendre (3,1 1,7) m s -1 és (2,8 1,9) m s -1 volt. Városközeli háttér esetén ezek az értékek rendre (0,46 0,58) m s -1 és (0,25 0,43) m s -1 voltak. Az adatok alapján új aeroszol részecskék képződése esetén az átlagos szélsebesség nagyobbnak tűnik, mint nukleációmentes napokon, hasonlóan az átlagos szélsebességekhez [rendre (3,0 1,9) és (0,24 0,43) m s -1 ]. Belvárosi mérési helyszínen nukleáció esetén délkeleti és északnyugati volt az uralkodó szélirány (1. ábra), míg a városközeli háttérben délnyugati és déli szélirány kapcsolható leginkább a nukleációs időszakhoz. A belvárosban nukleációmentes napokon az uralkodó szélirány északkeleti-északi, míg a városközeli háttérben marad a délnyugati irány, azonban jelentőssé válik az északi szél is. 16

1. ábra. 2. ábra. Szélirány és szélsebesség nukleációs napokon Budapest belvárosába érkező az ELTE Lágymányosi Telephelyén nukleálódó légtömegek eredete A trajektória-számítás során minden nukleációs napon egy (2n+1) pontból álló területet jelöltünk ki, ahol n a részecskék növekedésének végső időpontja (t end ) és a nukleációs folyamat kezdetének legkésőbbi időpontja (t 2 ) közötti egész órák száma. Ez a forrásterület a legkésőbbi és legkorábbi trajektória végpont-párok által határolt poligon. A területeket térképen ábrázoltuk. Az átfedő trajektóriák színe egyre vörösebb a térképen (2. ábra). Számításaink alapján mindkét helyszín esetén az északnyugati és dél-délkeleti irány köthető leginkább a nukleációs eseményekhez. A trajektóriák azt mutatják, hogy a légtömegek eredete gyakran túlnyúlik a Kárpát-medence térségén, és összhangban vannak a mérési helyszíneken regisztrált meteorológiai adatokkal. Köszönetnyilvánítás A kutatást az Országos Tudományos Kutatási Alap támogatta a K84091 szerződés alapján. Irodalom Draxler, R.R., Rolph, G.D., 2013. HYSPLIT Model access via NOAA ARL READY Website (http://ready.arl.noaa.gov/hysplit.php). NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD. Kristensson, A., Dal Maso, M., Swietlicki, E., Hussein, T., Zhou, J., Kerminen, V.-M., Kulmala, M., 2008. Tellus 60B, 330 344. 17

A LEVEGŐ KÉMIAI ÖSSZETÉTELÉNEK HATÁSA A KONDENZÁCIÓS MAG TÖMEGÉNEK VÁLTOZÁSÁRA Bevezetés Geresdi István 1, Schmeller Gabriella 2 1 Pécsi Tudományegyetem, Földrajzi Intézet 7624 Pécs, Ifjúság útja 6., E-mail: geresdi@gamma.ttk.pte.hu 2 Pécsi Tudományegyetem, Földrajzi Intézet 7624 Pécs, Ifjúság útja 6., E-mail: gabisc89@gmail.com A levegő kémiai összetétele és a vízcseppek kialakulása és növekedése között erős kölcsönhatás van. A vízcseppek kialakuláshoz szükséges kondenzációs magvak a légkörben lejátszódó kémiai folyamatok során alakulnak ki. A kondenzációs magvak leggyakrabban (NH 4 ) 2 SO 4 -ot, NaCl-ot, illetve szerves anyagokat tartalmazó, vízben részben, vagy teljesen oldódó részecskék. Az (NH 4 ) 2 SO 4 a szárazföldek felett SO 2 -ból és NH 3 -ból, az óceánok felett pedig a víz felszínén lebegő növények által termelt dimetil-szulfidból képződik (Geresdi et al., 2006). Mivel az vízben jól oldódó aeroszol részecskék átlagosan ötször vesznek részt felhőképződésben mielőtt a felszínre hullanának, nemcsak az aeroszol részecskék vannak hatással a felhőkben lejátszódó fizikai folyamatokra, de a felhők is befolyásolják ezen részecskék kémiai és fizikai tulajdonságait. A kutatás során azt vizsgáljuk, hogy a levegő kémiai összetétele, hogyan befolyásolja a S(VI) kialakulását, és ezen keresztül a kondenzációs magvak tömegének változását a vízcseppekben. Az oldott kén-dioxid az oldódás hatására az úgynevezett S(IV) formákba (SO 2 (aq), HSO - 2-3 vagy SO 3 ) kerül, az oldat ph-jától függő kémiai összetételben. Az oldódás közben H + -ionok szabadulnak fel. A csapadékvíz átlagos ph-ja 5-6 közötti, ezért a HSO - 3 ion lesz a domináns. Ezek az ionok oxidáló anyagok hatására (pl. O 3, H 2 O 2 ) S(VI)-vá alakulnak. Az - 2- S(VI) forma 6-os oxidációs állapotot jelent, tehát HSO 4 vagy SO 4 ionokat. A további reakciók szempontjából kiemelkedő fontosságú a szulfát-ionok (SO 2-4 ) képződése. A hőmérséklet és a ph változása erőteljesen hat ezen ionos formák előfordulására, illetve koncentrációjára. A vízcseppben jelenlévő kén az ammónia mennyiségének függvényében semlegesítődik, és ammónium-szulfátot vagy ammónium-biszulfátot alkot. A kutatás első fázisában, egy ún. boksz modell segítségével végeztünk számításokat. Feltételezzük, hogy a vízcseppek 0,1 µm átmérőjű ammónium-szulfát részecskén alakultak ki. Két különböző esetre végeztünk számításokat. Az első esetben a vízcseppek sugara 10 µm, a koncentrációja 100 db/cm 3 volt, a második esetben a vízcseppek mérete 100 µm, a koncentrációja 0,1 db/cm 3 volt. A két különböző esettel azt kívánjuk vizsgálni, hogy az oldat kezdeti ph-ja hogyan befolyásolja a vízcseppekben lejátszódó kémiai folyamatokat. Megvizsgáljuk továbbá, hogy a H 2 O 2 és az O 3, mint oxidáló tulajdonságú gázok, a vízcseppekben oldódva milyen mértékben járulnak hozzá az S(IV) S(VI) átalakuláshoz, illetve a ph függvényében milyen hatékonysági eloszlást mutatnak. Megállapítható a kiindulási ammónium-szulfát részecske tömegnövekedése az S(IV) S(VI) átalakulás során. A számítások során állandónak tekintettük a SO 2, az NH 3, a H 2 O 2 és az O 3 keverési arányát, amely rendre 500 ppbv, 200 ppbv, 5 ppbv és 50 ppbv. 18

Köszönetnyilvánítás Köszönöm a segítséget Dr. Geresdi Istvánnak. A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése országos program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Irodalom Seinfeld, J. H. and Pandis, S. N., 2012: Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change Pruppacher, H. R. and Klett, J. D., 2010: Microphysics of clouds and precipitation 19

fern spores pollen bacteria fragments protozoa moss spores algae fungal spores viruses brochosomes fragmented biolayer Particle Size, µm Bevezetés A BIOAEROSZOLOK OPTIKAI MÉRÉSTECHNIKÁJA Czitrovszky Aladár, Nagy Attila, Kerekes Attila, Oszetzky Dániel, Veres Miklós, Kugler Szilvia Wigner Fizikai Kutatóközpont, Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet, Envi-Tech Kft. 1121 Budapest, Konkoly Thege Miklós út 29-33. A légköri aeroszolok számottevő részét a bioaeroszolok teszik ki ide tartoznak a vírusok, baktériumok, sok féle spórák, pollenek, fragmentált növényi és állati maradványok, algák, egyes szerves, óceáni-, vagy tengeri-eredetű aeroszolok, stb., amelyek mérete a nanométeres tartománytól a milliméteres tartományig terjed (1. ábra). Ezek tanulmányozása azért fontos, mert fokozott, gyakran toxikus hatást fejtenek ki az emberi szervezetre (pl. fertőzés, allergia, légúti megbetegedések); egyesek már igen kis koncentrációban is halálosak (pl. antrax). Az utóbbi években az ilyen aeroszolok detektálása és tanulmányozása aktualizálódott, ugyanakkor még számos olyan lehetőség van, amily sikeresen alkalmazható a bioaeroszolok különböző paramétereinek gyors, pontos meghatározására. 1.00E+3 1.00E+2 1.00E+1 1.00E+0 1.00E-1 1.00E-2 1.00E-3 1. ábra. A bioaeroszolok sokaságának mérettartományai. 20

Mivel a bioaeroszolok paraméterei időben változnak, külső behatásokra pedig gyakran módosulnak, itt különösen jól alkalmazhatók az optikai módszerek, amelyeknek a hagyományos módszerekkel szemben számos előnye van - kontaktusmentes mérés, gyors mintavételezés, in situ, on line, valós idejű adatfeldolgozás, több paraméter egyidejű meghatározása, nagy időbeli és térbeli felbontás, stb. Ezek számos új lehetőséget adnak a bioaeroszolok detektálására, identifikálására, összetételük, alakjuk, mozgásuk, átalakulásuk és egyéb paramétereik időbeli és térbeli változásainak tanulmányozására. A kifinomult, precíz optikai módszerek alkalmazása során, ugyanakkor figyelmet kell fordítani egy sor olyan optikai körülményre, amelyek megváltoztathatják a bioaeroszolok tulajdonságait pl. a fény hatására fellépő fotokémiai átalakulásokra, ezért csak meghatározott intenzitás- és hullámhossz-tartományt lehet alkalmazni. A különböző fajta optikai aeroszol-mérő berendezések fejlesztési tapasztalatai alapján [1-3], azokat az általános és specifikus méréstechnikai eljárásokat és módszereket tekintjük át (rugalmas és rugalmatlan fényszórás, optikai spektroszkópia, lézeres Doppler mérések, interferometria, mikroszkópia, fluoreszcencia, stb.), amelyek sikeresen alkalmazhatók a bioaeroszolok mérésére, azok szelektálására, paramétereik meghatározására illetve ezek időbeli változásainak követésére. A méréstechnikai módszerek ismertetésén kívül elemezzük azok előnyeit és hátrányait, valamint alkalmazási lehetőségeit a toxikológiában, a környezet- és egészség-védelemben, a biológiában, valamint az orvostudományban. Mivel a bioaeroszolok által okozott megbetegedések kezelése számottevő gazdasági ráfordítást igényel a társadalomtól, ezek viselkedésének és biológiai hatásának minél részletesebb megismerése, a méréstechnikai módszereik fejlesztése számos országban intenzíven folyik. Köszönetnyílvánitás A szerzők köszönetet mondanak a KTIA_AIK_12-1-2012-0019, TéT_10-1-2011-0725 és a "Légszennyező forrás analizáló berendezés és Forrás Azonosító és Mérő monitoring Rendszer (FAMÉR) kutatása és fejlesztése" című GOP projektek támogatásáért, amely lehetővé tette a fejlesztések elindítását. Irodalom 1. A. Czitrovszky, P. Jani: New design for a light scattering airborne particle counter and its application, Optical Engineering, vol. 32, No 10, pp. 2557-2562, 1993. 2. W. Szymanski, A. Nagy, A. Czitrovszky, P. Jani: A new method for the simultaneous measurement of aerosol particle size, complex refractive index and particle density. Measurement Science and Technology, vol. 13, pp. 303-308 2002. 3. A. Nagy, W. W.Szymanski, A. Golczewski, P. Gál, A. Czitrovszky: Numerical and experimental study of the performance of the Dual Wavelength Optical Particle Spectrometer (DWOPS), Journal of Aerosol Science, vol. 38, No. 4. pp. 467-478, 2007. 21

KOROM AEROSZOLOK SZELEKTÍV AZONOSÍTÁSA NÉGY HULLÁMHOSSZÚ FOTOAKUSZTIKUS KOROMÉRŐ RENDSZERREL Bevezetés Ajtai Tibor 1, Utry Noémi 2, Pintér Máté 2, Bozóki Zoltán 1, Szabó Gábor 1 1 MTA-SZTE, Fotoakusztikus Kutatócsoport, 6720 Szeged, Dóm tér 9 2 SZTE, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 9 E-mail: zbozoki@physx.u-szeged.hu A légköri aeroszolok, ezen belül is a korom részecskék felelősek a Föld és légkörének sugárzásos egyensúlyának számításakor fellépő bizonytalanságok jelentős részéért. Mindemellett, a korom aeroszolok nem csak klímára, de az emberi egészségre gyakorolt hatásuk miatt is a tudományos érdeklődés homlokterében állnak (T.C.Bond et al., 2013). Valós idejű szelektív azonosításuk így kiemelt jelentőségű tudományos célkitűzés. Az utóbbi időben számos tudományos közlés igazolta, hogy a valós időben is mérhető, jellemzően fizikai aeroszol sajátosságok közül az abszorpciós spektrum az egyetlen, amely hordozhat a kémiai összetételre vonatkozó információt. Fontossága ellenére a légköri aeroszolok abszorpciós adatainak megbízhatósága, részben a gyakorlatban leggyakrabban alkalmazott mérőmódszerek méréstechnikai és analitikai hibáiból eredeztethetően, erősen korlátozott. A fotoakusztikus spektroszkópia az egyetlen mérőmódszer, amely képes a légköri aeroszolok abszorpciós koefficiensének megbízható, mintavételi hibáktól mentes mérésére (Andreae, M.O., 2005). Az utóbbi időben megjelentek a több hullámhosszú fényforrást alkalmazó fotoakusztikus mérőmódszerek, amelyek újszerű lehetőségeket biztosíthatnak a légköri korom aeroszolok abszorpciós spektrumon keresztüli szelektív azonosítására. Az előadásban ismertetésre kerül az aeroszolfázisú fotoakusztikus mérési elv. Továbbá a mérőmódszer legfontosabb paraméterei összehasonlítva az aeroszolok abszorpciós sajátosságainak mérésére leggyakrabban alkalmazott mérőmódszerek hasonló tulajdonságaival. Bemutatjuk az SZTE fotoakusztikus kutatócsoportjában kifejlesztett - az abszorpciós spektrum finomszerkezetének vizsgálatára jelenleg egyedülálló lehetőséget biztosító - négy hullámhosszú fotoakusztikus korommérő rendszert és a mérőműszerrel eddig elvégzett mérési eredmények alapján a spektrum finomszerkezetének egy lehetséges értelmezését. Ábrák 1.ábra: négy hullámhosszú fotoakusztikus korommérő rendszer 22

Köszönetnyilvánítás A mérések a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0047, TÁMOP-4.2.2.C- 11/1/KONV-2012-0003 és az OTKA K101905 pályázatok támogatásával valósultak meg. Irodalom Bond, T. C. et al., 2013. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. Journal of Geophysical Research. Atmsophere, Vol. 118 p. 1 to 173. Andreae, M.O., 2005. The dark side of the aerosols, Nature 409, 671-672. 23

LÉGKÖRI KÁTRÁNYGÖMBÖK: ELSŐDLEGES EREDET? Tóth Ádám 1, Hoffer András 2, Nyírő-Kósa Ilona 2, Pósfai Mihály 1 és Gelencsér András 1, 2 Bevezetés 1 Pannon Egyetem, Föld- és Környezettudományi Intézeti Tanszék, 8200 Veszprém, Egyetem utca 10., E-mail: ubul.toth@gmail.com 2 MTA-PE Levegőkémiai Kutatócsoport, 8200 Veszprém, Egyetem u. 10., E-mail: hoffera@almos.uni-pannon.hu A biomassza égetés (erdő- és bozóttüzek, tarlóégetések, háztartási fatüzelés, stb.) jelentős globális forrása a légköri széntartalmú aeroszolnak. A széntartalmú részecskék speciális csoportját képezik a légköri kátránygömbök (atmospheric tar balls), melyek nagy számban vannak jelen biomassza tüzek viszonylag friss füstjében (Pósfai et al. 2003). A légköri kátránygömbök amorf szerkezetű, nagy széntartalmú, gömb alakú, 30 500 nm közötti aerodinamikai átmérővel rendelkező részecskék. Alakjuk, szerkezetük és összetételük alapján transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) segítségével könnyen azonosíthatók. Más hasonló, gömb alakú részecskékkel szemben mint például a szulfát részecskék stabilak, nem párolognak el a TEM elektronnyalábja alatt. Jelentősen különböznek a korom részecskéktől is, egyrészt alakjukat tekintve, másrészt hiányzik belőlük az azokra jellemző koncentrikus, grafitos belső héjszerkezet. Egyedi részecskék elemanalízise alapján a légköri kátránygömbök kémiai összetétele nagyrészt szénből, kisebb részben oxigénből áll, ként, káliumot, klórt és szilíciumot csak nyomokban tartalmazhat. Az átlagos szén/oxigén moláris arány hozzávetőlegesen 10 körüli érték (Pósfai et al. 2004). A kátránygömbök optikai tulajdonságaik alapján fontos szerepet tölthetnek be a földi légkör sugárzási mérlegében (Alexander et al. 2008). Korábbi feltételezések alapján a légköri kátránygömbök másodlagos részecskeképződési folyamatok során, biomassza égetésből felszabaduló pirolízis termékekből keletkeznek a légkörben (Pósfai et al. 2004). Mivel a légköri kátránygömbök belső szerkezete homogén, nem tartalmaznak kondenzációs magvat, nem koagulálnak más részecskékkel, valamint aerodinamikai átmérőjük akár 500 nm is lehet, feltételezhetjük, hogy a kátránygömb részecskék elsődleges folyamatokban keletkeznek és cseppek formában kerülnek ki az égő biomassza pórusaiból. Munkánk célja, hogy a légköri kátránygömbök képződési feltételeinek meghatározása érdekében laboratóriumi körülmények között kátránygömböket állítsunk elő. Módszer Kutatásaink során olyan kísérleti rendszert fejlesztettünk ki, melyben a biomassza égése során lejátszódó folyamatokat alapul véve, azonban lángtól és tűztől teljesen elzártan részecskéket állítottunk elő. A zárt rendszerben kátrány-víz emulzió nitrogénnel történt pezsgetésével kátránycseppeket hoztunk létre, majd ezután a cseppeket tartalmazó gázáramot 600 C-ra hevített üvegcsövön vezettük keresztül, az égés során lezajló termikus folyamatokat szimulálva. Ezután a gázáramot tiszta, hideg levegővel hűtöttük és a részecskéket TEM vizsgálatok elvégzéséhez szükséges mikrostélyra gyűjtöttük. A kátrány-víz emulziót, melyet a részecskék előállításához használtunk, aprított, száraz csertölgy (Quercus cerris) száraz lepárlásával állítottuk elő. 24

Eredmények A részecskék morfológiáját és elemi összetételét transzmissziós elektronmikroszkóphoz csatolt energiadiszperzív röntgenspektrométerrel (TEM-EDS) vizsgáltuk. Az általunk előállított részecskékről készített felvételek alapján a részecskék a légköri kátránygömbökhöz hasonlóan gömb alakúak, amorf szerkezetűek, illetve homogének, vagyis nem tartalmaznak belső magot (1.b. ábra). Összetételüket tekintve a laboratóriumban előállított kátránygömbök C/O moláris aránya (9,2) az irodalmi értékekhez hasonló. a.) b.) 1. ábra. Kátránygömbök TEM felvételei. (a.) Szavannatűzből (Mozambik) származó légköri kátránygömbök (Pósfai et al. 2003); (b.) laboratóriumban előállított kátránygömb. Eredményeink alapján arra következtethetünk, hogy a szimulált elsődleges képződési mechanizmus egy lehetséges módja lehet a légköri kátránygömbök létrejöttének a biomassza égése során, azonban e következtetés megerősítéséhez további vizsgálatok szükségesek. Köszönetnyilvánítás Munkánk a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0064, Az éghajlatváltozásból eredő időjárási szélsőségek regionális hatásai és a kárenyhítés lehetőségei a következő évtizedekben nevű projekt keretében készült. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Irodalom Alexander, D. T. L., P. A. Crozier, J. R. Anderson, (2008) Brown carbon spheres in East Asian outflow and their optical properties, Science 321, 833. Pósfai, M., R. Simonics, J. Li, P. V. Hobbs, and P. R. Buseck, (2003) Individual aerosol particles from biomass burning in southern Africa, 1, Compositions and size distributions of carbonaceous particles, J. Geophys. Res. 108, (D13), 8483. Pósfai, M., A. Gelencsér, R. Simonics, K. Arató, J. Li, P. V. Hobbs, and P. R. Buseck, (2004) Atmospheric tar balls: Particles from biomass and biofuel burning, J. Geophys. Res. 109, D06213. 25

Bevezetés LÉGKÖRI KOROM AEROSZOLOK VALÓS IDEJŰ VIZSGÁLATA FOTOAKUSZTIKUS MÓDSZERREL VÁROSI KÖRNYEZETBEN Ajtai Tibor 1, Utry Noémi 2, Pintér Máté 2, Bozóki Zoltán 1, Szabó Gábor 1 1 MTA-SZTE, Fotoakusztikus Kutatócsoport, 6720 Szeged, Dóm tér 9 2 SZTE, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 9 E-mail: ajtai@titan.physx.u-szeged.hu A légköri szálló por abszorbativ frakciójának valósidejű, összetétel-szelektív vizsgálata napjaink egyik kiemelt jelentőségű tudományos feladata. Számos az utóbbi időben megjelent tudományos eredmény igazolta, hogy a légköri korom aeroszolok abszorpciós spektruma és a kémiai összetétele között van összefüggés (Andreae, M.O., Gelencsér, A., 2006). Az abszorpciós spektrum megbízható, utólagos korrekcióktól mentes mérése nagy kihívás elé állította/állítja a műszerfejlesztőket. Az egyetlen olyan méréstechnikai eljárás, amely képes a légkör aeroszolok abszorpciós koefficiensének szelektív, mintavételi hibáktól mentes meghatározására a fotoakusztikus spektroszkópia (Andreae, M.O., 2005). Az utóbbi időben felfedezett, a fekete korom aeroszolétól jelentősen eltérő spektrális válasszal rendelkező ún. barna korom aeroszolok szelektív azonosítása csak az abszorpciós spektrum széles hullámhossztartományát átölelő UV hullámhosszakat is tartalmazó gerjesztés alkalmazásával lehetséges. Az elmúlt években megjelentek a több hullámhosszú fotoakusztikus aeroszolmérő műszerek, új perspektívát nyitva a korom aeroszolok, valós idejű abszorpciós spektrumának megbízható vizsgálatára. Az SZTE fotoakusztikus kutatócsoportjában kifejlesztett négy hullámhosszú fotoakusztikus mérőműszer az egyetlen, amely képes az abszorpciós spektrum finomszerkezetének mérési hibáktól mentes, pontos vizsgálatára, mind a klímareleváns, mind pedig a fotokémiailag aktív UV tartományban. Az előadásban a fotoakusztikusan mért abszorpciós spektrum, a méreteloszlás és a kémiai összetétel közötti számszerűsített összefüggések kerülnek bemutatásra. Ábrák 1.ábra: Az abszorpciós Angström exponens és a NGMD100/NGMD20 módusarány közötti összefüggés 2.ábra: Az abszorpciós Angström exponens korrelációja a mért LG/TC és a származtatott OC/EC tömegaránnyal 26

Köszönetnyilvánítás A mérések a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0047, TÁMOP-4.2.2.C- 11/1/KONV-2012-0003 és az OTKA K101905 pályázatok támogatásával valósultak meg Irodalom Andreae, M.O., Gelencsér, A., 2006. Black carbon or brown carbon? The nature of lightabsorbing carbonaceous aerosols, Atmos. Chem. Phys. 6, 3131 3148. Andreae, M.O., 2005. The dark side of the aerosols, Nature 409, 671-672. 27

Bevezetés RE-DISZPERGÁLT ÁSVÁNYI POR ÖSSZETEVŐK ABSZORPCIÓS VÁLASZÁNAK MÉRÉSE FOTOAKUSZTIKUS MÓDSZERREL Ajtai Tibor 1, Utry Noémi 2, Pintér Máté 2, Bozóki Zoltán 1, Szabó Gábor 1 1 MTA-SZTE, Fotoakusztikus Kutatócsoport, 6720 Szeged, Dóm tér 9 2 SZTE, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 9 E-mail: ajtai@titan.physx.u-szeged.hu A légkör ásványi összetevőinek vizsgálata elsősorban a Föld és légkörének sugárzásos egyensúlyára gyakorolt hatása miatt van a tudományos érdeklődés homlokterében. Annak ellenére, hogy a légkörbe főként felporzás útján kerülő homokszemcsék tömegre vonatkoztatott abszorpciós koefficiense, más antropogén eredetű abszorptív (korom) aeroszolokéhoz képest elhanyagolható, hatásuk a sugárzásos egyensúlyra, a magas tömegkibocsátásuk miatt mégis jelentős. Mindezek miatt a klímareleváns hullámhossztartományba eső spektrális válaszuk megbízható és pontos vizsgálata kiemelt jelentőségű tudományos célkitűzés, amit részben a megfelelő méréstechnikai eljárások hiánya miatt, főként a tömbi anyagból származtatott optikai tulajdonságokat felhasználva határoznak meg. Az utóbbi időben már megjelentek aeroszol fázisú mérési eredmények is, azonban az ezekben alkalmazott eljárások számos méréstechnikai és analitikai hibával terheltek. Az egyetlen méréstechnikai eljárás, amely képes a légköri aeroszolok abszorpciós koefficiensének, in-situ, mintavételi hibáktól és utólagos korrekcióktól mentes megbízható meghatározására, a fotoakusztikus spektroszkópia (Andreae (2005)). Az előadásban ismertetésre kerül az ásványi porok legfontosabb összetevőinek fotoakusztikusan meghatározott abszorpciós válasza, a részecskeveszteség korrekció szerepe a mért abszorpciós koefficiens adatok értelmezésében és a mérési eredmények modellszámításokkal történő alátámasztása. Ábrák 1.ábra: a montmorillonite fotoakusztikusan mért és modellezett abszorpciós spektruma részecskeveszteség korrekció előtt és után 28

Köszönetnyilvánítás A mérések a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0047, TÁMOP-4.2.2.C- 11/1/KONV-2012-0003 és az OTKA K101905 pályázatok támogatásával valósultak meg. Irodalom Andreae, M.O., 2005. The dark side of the aerosols, Nature 409, 671-672. 29

Bevezetés LÉZERGENERÁLT KOROMAEROSZOLOK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS KARAKTERIZÁLÁSA Ajtai Tibor 1, Utry Noémi 2, Pintér Máté 2, Bozóki Zoltán 1, Szabó Gábor 1 1 MTA-SZTE, Fotoakusztikus Kutatócsoport, 6720 Szeged, Dóm tér 9 2 SZTE, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 9 E-mail: ajtai@titan.physx.u-szeged.hu Az légköri korom aeroszolok klimatikus hatására vonatkozó legújabb tudományos összegzés szerint a légköri szálló por tömegkoncentrációjában elhanyagolható hányaddal rendelkező korom a második legfontosabb antropogén eredetű üvegházhatású légköri összetevő 1. Egyedül a CO 2 globális, átlagos hőmérsékletemelő hatása nagyobb, mint a korom aeroszolé. Jelentőségüket tovább növeli, hogy ezen összetevők felelősek a sugárzásos egyensúly számolásánál fellépő bizonytalanságok döntő hányadáért 2. A korom aeroszolok sajátos fizikai-kémiai tulajdonságainak jobb megértéséhez, laboratóriumi körülmények közötti standardizált előállításuk kiemelt jelentőségű tudományos célkitűzés. A légkörbe kerülő korom aeroszolok fizikai sajátosságai (spektrálátviteli függvény, méreteloszlása és morfológiája) jelentős mértékben függnek a keletkezésük körülményeitől (C/O arány, hőmérséklet, stb), illetve a keletkezésükkor és a légköri életidejük alatt fennálló meteorológiai és légkörkémiai folyamatoktól. Jelenleg két, a gyakorlatban is alkalmazott, standardizált koromgenerálási eljárást alkalmaznak a légköri koromaeroszolok laboratóriumi modelljéül (szikrakisülésen és szénhidrogének égetésén alapuló), de ezek egyike sem képes a keletkezés vagy a légköri hatásokat befolyásoló paramétereket egymástól függetlenül modellezni. Az előadásban bemutatásra kerül egy a lézeres abláción alapuló koromgenerátor, amely egyedülálló és egymástól független módon képes, különböző égetési hőmérséklethez tartozó, eltérő méreteloszlású és morfológiájú korom aeroszolok előállítására. Ábrák 1.ábra: A mérési elrendezés 2.ábra: Méreteloszlás görbék N 2 áramban és szintetikus levegőben végzett abláláskor, illetve a maximumba eső részecskékről készített TEM képek 30

Köszönetnyilvánítás A mérések a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0047, TÁMOP-4.2.2.C- 11/1/KONV-2012-0003 és az OTKA K101905 pályázatok támogatásával valósultak meg. Irodalom Bond, T. C. et al., 2013. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. Journal of Geophysical Research. Atmsophere, Vol. 118 p. 1 to 173. 31

FEJLESZTÉSEK DEBRECENBEN: LEVEGŐRE KIVEZETETT IONNYALÁBOS MIKRO-PIXE RENDSZER AEROSZOL MINTÁK MÉRÉSÉRE Török Zsófia 1,2,c, Angyal Anikó 1, Furu Enikő 1,2,a, Szoboszlai Zoltán 1,a, Kertész Zsófia 2,b 1 Debreceni Egyetem, 4032 Debrecen Egyetem tér 1. E-mail: torok.zsofia@atomki.mta.hu 2 MTA Atomki, 4026 Debrecen Bem tér 18/c Bevezetés Az újabb nemzetközi trendek az aeroszolkutatásban azt mutatják, hogy a részecskék egyre összetettebb fizikai, kémiai és optikai tulajdonságainak vizsgálata, valamint a transzportfolyamatok meghatározása meteorológiai adatok segítéségével előtérbe kerültek. Debrecenben az Atomki IBA csoportjában évtizedek óta vizsgálunk aeroszol mintákat részecskeindukált röntgenemisszión (PIXE) alapuló módszerrel. Jelenleg is több projekt fut a csoportunkban: szmogos napokon 3 órás feloldással vett minták alapján forrásmeghatározás; beltéri aeroszolterhelés vizsgálata oktatási intézményekben és munkahelyeken; a debreceni 2- es villamos építésének hatása a város légterére; a régió aeroszol szennyezettségének hosszú távú vizsgálata, amelyet a 20 éve heti rendszerességgel történő mintavételezés két méretfrakcióban (PM 2,5 és PM 2,5-10 ) alapozott meg. Az általunk alkalmazott PIXE módszer hátránya, hogy gyorsított ionnyaláb kell hozzá. Az aeroszol források meghatározásához és a gyors időbeli változások nyomon követéséhez nagyszámú minta analízisét kell elvégezni, amihez általában a rendelkezésünkre álló nyalábidő nem elég. Ezért kifejlesztettünk egy új mérőrendszert, amivel rövidül a mérési idő, valamint lehetőségünk lesz a PIXE módszerhez használt polikarbonát szűrőkön kívül teflonra gyűjtött aeroszol részecskék vizsgálatára is. A kihozott nyalábos mérőrendszer Az Atomki 5 MV-os Van de Graaff gyorsítójának 0 -os nyalábcsatornáján található a pásztázó nukleáris mikroszonda, ahol vákuum alatt egyedi aeroszol szemcsék analízisét végeztük. A PIXE módszert kiegészítve az RBS (Rutherford visszaszórásos spektrometria) és STIM (pásztázó transzmissziós ion mikroszkópia) módszerekkel egy olyan komplex analitikai rendszert kapunk, amivel nem csak az elemkoncentrációkat és azok eloszlását, hanem a minták vastagságát is meghatározhatjuk, valamint információ kapunk a tömegsűrűségéről és a morfológiájáról (Kertész et al., 2006). Az elrendezés hátránya, hogy vákuum alatt van a minta, a szigetelő minták könnyen feltöltődnek és fennáll a minta megégetésének veszélye is. Vákuumban a PIXE módszer nehezen alkalmazható a közkedvelt teflon anyagú szűrőkön, mivel a teflon fluor tartalma nagy Compton röntgenhátteret ad a középső elemtartományban. Az előbb említett hátrányok miatt, valamint a mérési idő rövidítésének érdekében kiépítettük a kihozott nyalábos mikro-pixe rendszert. Ez az elrendezés a már meglévő mikroszonda folytatásaként került kialakításra egy kilépő csőrvég segítségével. Az 1. ábrán a rendszer sematikus rajza látható. Az Oxford típusú csőrvéget egy 200 nm vastag Si 3 N 4 fóliával zártuk le. Ennek a fóliának nagy a mechanikai ellenállása, csak 2 kev energiaveszteséget okoz az ionnyaláb energiájában, valamint a nyaláb szóródása is ezen a fólián a legkisebb. Az új SDD (silicon drift detector) detektor alkalmazása lehetővé teszi a könnyű elemek precízebb meghatározását a jobb feloldási ideje (125 ev) és a magas 32

beütésszám miatt. A detektort ezen tulajdonságai alkalmassá teszik teflonszűrőre gyűjtött aeroszol minták analízisére is (Lucarelli et al., 2013). 1.ábra: A kihozott nyalábvég sematikus ábrája: (1) tárgyrések, (2) pneumatikus zsilip, (3) kvarc, (4) gyorszsilip, (5) kollimátor rés, (6) pásztázó tekercsek, (7) kvadrupól triplett, (8) vákuumkamra, (9) kilépő csőrvég, (10) SDD röntgendetektor, (11) Si(Li) röntgendetektor, (12) precíziós XYZ mintamozgató A kihozott nyalábos elrendezéssel szintén több módszert is tudunk szimultán alkalmazni, pl. PIXE-PIXE-RBS-PIGE. A könnyű elemek szóródnak a levegő részecskéin, ezért a minta és a kilépő ablak között He áramoltatást alkalmazunk. Ez csökkenti a nyaláb energiaveszteségét és a szóródását is. A 2. ábrán láthatóak az első mérés során kapott elemtérképek. Mivel a levegőre kivezetett nyalábot tudjuk pásztázni a minta felületén, jó képet kaphatunk a részecskék eloszlásáról is. max Köszönetnyilvánítás Fe Ca S min 2. ábra: Aeroszol elemtérképek az új rendszerrel. a) A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése országos program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. b) Ez a munka az MTA Bólyai János Kutatási Ösztöndíj keretében és támogatásával készült. c) Ez a munka a TAMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024 projekt támogatásával, valamint az Európai Unió és az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával készült. Irodalom Kertész Zs., Borbélyné Kiss I., Dobos E., Simon A., Szíki G., Szikszai Z., Uzonyi I., 2006. Fejlesztések a debreceni pásztázó ion mikroszondán: Új lehetőségek a légköri aeroszol kutatásában, VIII. Magyar Aeroszol Konferencia F. Lucarelli, G. Calzonai, M. Chiari, M. Giannoni., D., Mochi, S. Nava, L. Carreresi, 2013. The ipgraded external-beam PIXE/PIGE set-up at LABEC for very fast measurements on aerosol samples. Nucl. Instr. Meth.B, (Article in press) 33

INHALÁCIÓS GYÓGYSZEREK ALKALMAZÁSA A GYAKORLATBAN: A BETEG LÉGZÉSI TECHNIKÁJÁNAK HATÁSA A VÁRHATÓ DEPOZÍCIÓRA ÉS AZ OPTIMALIZÁCIÓ LEHETŐSÉGEI Herke Paula 1, Balásházy Imre 2, Farkas Árpád 2, Szigethy Dezső 3 1 Szigetszentmiklósi Szakorvosi Rendelőintézet Tüdőgondozója, 2310 Szigetszentmiklós, Viola u. 1, E-mail: herkepaula@citromail.hu 2 MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Környezetfizikai Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33, E-mail: balashazy.imre@energia.mta.hu 3 Technoorg Linda Kft., 1044 Budapest, Ipari Park utca 10. Bevezetés Aeroszolok légúti kiülepedés-eloszlását elsősorban az aeroszol mérete, az azt belégző ember légzési módja és légúti paraméterei befolyásolják. Igaz ez az inhalációs gyógyszerek esetében is. Nem mindegy, hogy a gyógyszer tüdőbeli eloszlását egészséges emberen, vagy asztmás, illetve COPD-s betegen és ezen belül milyen súlyossági fokon mérik. A gyógyszeraeroszol MMAD-ja mellett mono vagy polidiszperz volta is befolyásolja, hogy az adott szer vagy kombinált készítményeknél: szerek elérik-e, a megcélzott, rájuk specifikus receptorokat (Usmani et al., 2003, Heyder 2004). A légutakban többféle gyógyszer-receptor található. Lokalizációjuk és sűrűségbeli eloszlásuk részben különbözik. Jelenleg a tüdőgyógyászati gyakorlatban használt inhalációs gyógyszerek MMAD-ja 1-5μm közötti mérettartományban van. Általánosságban elmondható, a korábbi hiedelmekkel ellentétben, hogy az 1μm körüli MMAD mellett is jó terápiás effektus érhető el, amit légzésfunkciós vizsgálatok, gyulladásos markerek vagy életminőségi tesztek támasztanak alá. A legoptimálisabb gyógyszerdepozíció érdekében eszköztől, a beteg légzési és légúti paramétereitől, valamint a megcélzott receptor denzitásától függetlenül gyógyszerbevételi légzési protokollként, egy kilégzést követően, lassú maximális belégzést, kb. 8-10 s légzésvisszatartást, és lassú kilégzést javasolnak. A porinhalátoroknál (DPI) a gyógyszer kinyeréséhez legalább 30 l/min belégzési áramlási sebesség szükséges. Felmerült a kérdés, hogy vajon az inhalációs gyógyszerek használata mennyire marad előírásszerű a betanítást követően? A való életben felülírja-e a beteg légzési technikája a gyógyszer-technológiára alapozott depozíciós elvárásokat? Optimalizálható-e a beteg légzése adott inhalációs eszközhöz és választhatunk-e eszközt a beteg légzési mintázata alapján? Kis esetszámú vizsgálatunk és számításaink eredményei egy nagyobb esetszámú vizsgálat szükségességét alapozzák meg. Úgy tűnik, hogy az AEROMEDI optimalizáló szoftver segítségével megvalósítható lesz egy, a gyakorlatban is használható (olcsó, egyszerű és gyors) módszer, ami megkönnyíti a személyre szabott inhalációs eszköz kiválasztását, illetve amivel optimalizálni lehet a beteg gyógyszerbevételi légzési módját és ezzel a gyógyszer légúti kiülepedését. Módszer Betegeinket minden esetben megtanítjuk a kiválasztott inhalációs eszköz használatára és a fent is említett, javasolt gyógyszerbevételi protokoll szerinti légzési technikára. Hét, véletlenszerűen kiválasztott asztma bronchiale miatt gondozott beteg kontroll vizsgálatánál stopperrel mértük a belégzési, benntartási és kilégzési időket, spirometriával (Lungtest2000) a maximális belégzési térfogatot (FVC IN ). Rögzítettük nemüket, életkorukat, a BMI-t és a légzésfunkciós paramétereiket. A nyert adatokat összevetettük az ajánlásokkal. A jelenlegi 34

inhalációs gyógyszerek MMAD-jük alapján jó közelítéssel 3 csoportba (1μm, 3μm és 5 μm) sorolhatóak. Így erre a három értékre számoltuk a teljes légzőrendszeri, a felsőlégúti, a bronchiális és az acináris depozíciós frakciókat, majd optimalizáltunk a bronchiális részre mellékhatások figyelembe vételével és anélkül, porinhalátorok (uniform) és hajtógázas aeroszolok (az elején aktív 1s -os bolus) eseteire, mindegyik betegnél és szájlégzésre. Eredmények A légzési szakaszok hossza jelentősen eltér az ajánlásokban szereplőktől és nem mutat összefüggést sem a belégzési térfogattal, sem a BMI-vel. 1. táblázat. A betegeken mért légzési szakaszok hossza és a mért belégzési térfogatok beteg sorszáma T belégzés T benntartás T kilégzés FVC IN (l) (s) (s) (s) 1 1,75 4,40 2,21 2,80 2 1,60 2,36 3,62 1,78 3 1,73 3,91 1,75 3,27 4 1,98 3,98 5,21 2,33 5 1,45 4,73 9,38 4,64 6 1,67 2,02 10,90 2,76 7 4,97 3,08 3,32 2,16 Valamennyi beteg esetében belégzési térfogatuk és légzési mintázatuk alapján jelentősen eltérő és az egyénre jellemző depozíció számolható attól függően, hogy kezelésükre száraz por inhalátort (DPI) vagy hajtógázas aeroszolt (MDI) választunk és ezen belül az alkalmazható gyógyszer MMAD-ja mekkora. 2. táblázat. Az 1. beteg számított kiülepedési adatai DPI esetében, MMAD: 1, 3, és 5 μm bevétel módja d p ( m) teljes depoz. frakció (%) felsőlégúti depoz. frakció (%) bronchiális depoz. frakció (%) acinar depoz. frakció (%) homogén 1 26,0 1,3 2,5 22,2 homogén 3 80,6 29,2 5,4 46,1 homogén 5 95,6 70,0 5,0 20,6 Optimalizálással a beteg légzési korlátait figyelembe véve tudunk ajánlást tenni a választandó inhalációs eszköz típusára, valamint jelentősen növelni tudjuk a célterületi depozíciót és csökkenteni a nem kivánt területeken a kiülepedést. Irodalom Usmani O.S. et al., 2003. Effects of bronchodilatator particle size in asthmatic patients using monodisperse aerosols. J. Appl. Physiol. 95, 2106-2112. Heyder J., 2004. Deposition of inhaled particles in the human respiratory tract and conseqences for regional targeting in respiratory drug delivery. Proc. Am. Thorac. Soc. 315-320. 35

INHALÁCIÓS KÉSZÍTMÉNYEK LÉGÚTI DEPOZÍCIÓJÁNAK LOKÁLIS MEGHATÁROZÁSA IN VITRO MÓDSZERREL Kerekes Attila, Veres Miklós, Nagy Attila, Himics László, Oszetzky Dániel, Kugler Szilvia, Czitrovszky Aladár Bevezetés MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdestfizikai és Optikai Intézet 1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33. E-mail: kerekes.attila@wigner.mta.hu A légúti megbetegedések évről évre növekvő számának köszönhetően sorra jelennek meg a tüneti kezelésre alkalmas inhalációs készítmények, illetve a különböző formában piacra kerülő hatóanyagokat inhalációs úton a légúti rendszerbe bejuttatni képes eszközök. A különböző gyártók egymáshoz kisebb-nagyobb mértékben hasonló termékei közül kiválasztani azt, amely az esetenként jelentősen eltérő élettani sajátosságokkal, légzésfunkciós paraméterekkel rendelkező betegek egyedi igényeihez leginkább illeszkedik, nem triviális feladat (Herke és Szabó (2012)). Az eszközválasztás hatékonysága az adott szakember tapasztalatának, termékismeretének a függvénye (Müller et al. (2012)).. A megfelelő eszköz alkalmazása sem feltétlenül jelent automatikus sikert, mivel a kívánt hatásfok eléréséhez a paciens aktív szerepvállalása is szükséges, például az inhaláció indítását és a permet befújását szinkronizálni kell. Ha a gyógyszer nem az inspiratorikus légáramba kerül, akkor nagy lesz a szájüregi depozíció. Célkitűzésünk az áramlástani szempontból hatékonyabb, egyénekre szabott terápiás eszközök, módszerek, eljárások kifejlesztése, melyekkel adott paciens esetében jelentősen növelni tudjuk a kívánt célterületre bejuttatott hatóanyagok depozíciós hatásfokát, nem mellesleg egyúttal csökkentjük az esetlegesen fellépő nem kívánt szisztémás hatásokat is. Mivel a kutatásunk alapvetően egy áramlástani kérdéskör minél részletesebb megismerésére irányul, így az egyébként is nehézkesen kivitelezhető in vivo kísérletek elvégzése helyet az in vitro mérésekre és a számítógépes szimulációs módszerekre (Salma et al. (2002); Balásházy et al. (2002); Hegedűs et al. (2004); Balásházy et al. (2007)) esett a választásunk. A kutatási infrastruktúra tervezése (Kerekes et al. (2009)), legyártása és felépítése (Kerekes et al. (2013)) után a beüzemelés tapasztalatai alapján döntünk az esetleges továbbfejlesztésről vagy a konkrét mérések elindításáról. Eredmények A próbamérések során a kiválasztott mérési pontokon a humán légúti modell belső felületére azonos méretű szilícium lapkákat helyeztünk. A hatóanyag bejuttatását követően a lapkák felületén deponálódott hatóanyag mennyiségét Raman-spektroszkópiai módszerrel mértük meg. Az eljárás lényege, hogy a lapkák felületének egyes pontjairól detektált jel intenzitását skálázzuk, majd pásztázva a teljes lapkafelületen elvégezzük a mérést. A kapott eredményekből elkészítjük az adott lapka Raman térképét és meghatározzuk a teljes felületen kiülepedett hatóanyag mennyiségét. 36

a, b, 1. ábra. a, mérési pontok; b, adott terület Raman térképe és a róla készült optikai mikroszkópos felvétel Az eljárás alkalmasnak bizonyult arra, hogy segítségével az inhalációs készítmények légúti depozícióját in vitro mérjük, a hatóanyag preparálása, jelző részecske hozzáadása nélkül. Köszönetnyilvánítás A munka a KTIA_AIK_12-1-2012-0019 számú szerződés keretében a Nemzeti Fejlesztési Ügynökség kezelésében, a Kutatási és technológiai Innovációs Alap finanszírozásával valósul meg. Irodalom Salma I, Balásházy I, Winkler-Heil R, Hofmann W, Záray Gy; Effect of particle mass size distribution on the deposition of aerosols in the human respiratory system; J AEROSOL SCI; 33: 119-132; (2002) Balásházy I, Farkas Á, Hofmann W, Kurunczi S; Local deposition distributions of inhaled radionuclides in the human tracheobronchial tree. RADIAT PROT DOSIM 99, 469-470 (2002) Hegedűs Cs, Balásházy I, Farkas Á; Detailed mathematical description of the geometry of airway bifurcations. RESPIR PHYSIOL NEUROBIOL 141, 99-114 (2004) Farkas Á, Balásházy I, Szőcs K; Characterization of regional and local deposition of inhaled aerosol drugs in the respiratory system by computational fluid and particle dynamics methods. J AEROSOL MED 19, 329-343 (2006) Imre Balásházy, Bálint Alföldy, Andrea J. Molnár, Werner Hofmann, István Szőke and Erika Kiss; Aerosol Drug Delivery Optimization by Computational Methods for the Caracterization of Total and Regional Deposition of Therapeutic Aerosols in the Respiratory System; Current Computer- Aided Drug Design; 3, 13-32; (2007) A. Kerekes, A. Nagy, A. Czitrovszky, Experimental air flow and deposition studies with hollow bronchial airway models, Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery 22(2)., pp.175-176. (2009) Müller V, Tamási L, Somfay A, Kovács G, Losonczy G. Az eltérő inhalációs eszközből adagolt azonos hatóanyagú készítmények közötti különbségek, Medicina Thoracalis, 65:5, p. 329-335. (2012) Herke P, Szabó M. Légúti szerepváltások: hangsúly-eltolódás vagy elvi jelentőség? Medicina Thoracalis, 65:6 432-437. (2012) Kerekes Attila, Farkas Árpád, Balásházy Imre, Horváth Alpár, Aeroszol gyógyszerek légzőrendszeri depozícióeloszlásának mérése és numerikus modellezése, Medicina Thoracalis, 66:1, p. 11-20. (2013) 37

A VÖRÖSISZAP POR FIZIKAI TULAJDONSÁGAINAK, LÉGÚTI DEPOZÍCIÓ- ELOSZLÁSÁNAK ÉS AZ EGÉSZSÉGRE GYAKOROLT HATÁSÁNAK ELEMZÉSE Füri Péter 1, Balásházy Imre 1, Czitrovszky Aladár 2, Nagy Attila 2, Pándics Tamás 3, Dura Gyula 3, Kerényi Tibor 4, Farkas Árpád 1, Jókay Ágnes 1, Madas Balázs 1, Nikovits Tibor 5 1 Magyar Tudományos Akadémia, Energiatudományi Kutatóközpont 1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33., E-mail: furi.peter@energia.mta.hu 2 Magyar Tudományos Akadémia, Wigner Fizikai Kutatóközpont 1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33., E-mail: czitrovszky.aladar@wigner.mta.hu 3 Országos Környezetegészségügyi Intézet, 1097 Budapest, Gyáli út 2-6. 4 Semmelweis Egyetem, II. sz. Patológiai Intézet, 1091 Budapest, Üllői út 93. 5 ELTE Informatikai Kar, Információs Rendszerek Tanszék 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/C Bevezetés 2010. október 4-én 600-700 ezer köbméter lúgos kémhatású zagy ömlött ki az Ajkai Timföldgyár tározójából, és az a környező településeket is elöntötte. A katasztrófát követően szálló por mintavételezés történt a környéken, valamint kontrollterületként Ajkán. Vizsgáltuk a por számos tulajdonságát, így méreteloszlását, koncentrációját és elemösszetételét is. Az átlagos PM 10 szennyezettség 2010. október - 2011. április között számos településen több esetben meghaladta a napi 50 g/m 3 -es határértéket. A vörös iszap por nem bizonyult különösen toxikusnak, veszélyességét elsősorban kiporzása, azaz esetleges nagy koncentrációja okozta. Az előadásban az eddig nem publikált eredményekre koncentrálunk. A vörösiszap por részecskeméret eloszlásának meghatározása Az MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet Lézeralkalmazási Osztálya mozgó laboratóriumával terepi és laborméréseket végzett, amelyben a részecskeméret és koncentráció eloszlások meghatározása mellett a porminták mikroanalízisére EDAX, SEM, Raman és Fluoreszcencia spektroszkópia módszerekkel került sor. Az 1. ábra bal felső panelje egy Devecseren mért tömegszerinti részecskeméret eloszlást mutat be, ahol a 250 nmtől a 60 m-ig szinte minden részecskeméret szerepel. Az eloszlás hasonlít a városi aeroszolokéra. Légúti depozícióeloszlás számítások Az MTA Atomenergia Kutatóintézet Sugárvédelmi és Környezetfizikai Laboratóriumában a korábban kifejlesztett aeroszol depozíciós tüdőmodelljeinkkel légúti részecskekiülepedés-eloszlás számításokat végeztünk a mért méreteloszlások és koncentrációk alapján. Az előbb bemutatott eloszlásból számolva az 1. ábra jobb felső panelje a teljes tüdő, azaz a bronchiális és az acináris régiók együttes részecske depozíció terhelését mutatja, g/óra egységben, öt karakterisztikus légzési mód mellett. Természetesen a terhelés abszolút értéke jó közelítéssel lineárisan növekszik a porkoncentrációval. Az egészségre gyakorolt hatás Az Országos Környezetegészségügyi Intézet mérésekkel és statisztikai módszerekkel vizsgálta a heti átlagos szálló por koncentráció (PM 10 ) és a légzőrendszeri betegséggel orvoshoz fordulás heti gyakoriságát hat vörösiszap expozícióval érintett településen, valamint kontrollcsoportként Ajkán. Az 1. ábra bal alsó panelje egy ilyen eredményt szemléltet és erős korreláció mutatható ki a PM 10 és a megbetegedések gyakorisága közt mind a hat településen. 38

PM10 ( g/m 3 ) Orvoshoz fordulás (ezrelék) Koncentráció [ m / log D] Tüdőben kiülepedett tömeg / idő ( g/óra) Késői biológiai hatás A Semmelweis Egyetemen patkányok tüdejébe instillált vörösiszap porral (PM 10 ) vizsgálták a belélegzett részecskék késői tüdőszöveti hatását. Az instilláció után a harmadik napon a szövetben gyulladásos folyamat, ödéma és esetenként sokkra utaló tünetek jelentkeztek. Hat hónap után a makrofág tartalmú alveolusok szeptumai fokálisan fibrotikusan kiszélesedtek, feltehetően a fagocitált porszemcsékben EDX analízissel és polarizációs mikroszkóppal kimutatható kettőstörő kvarc irritáló hatására (1. ábra jobb alsó panel). Koncentráció [ m / logd] 100 10 Részecskék méreteloszlása Devecser 2010. október 20. 12:25 66 g/m 3 koncentráció 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 Tüdőbeli (bronchiális + acináris) kiülepedés öt különböző légzési módnál nehéz fizikai munka, szájlégzés nehéz fizikai munka, orrlégzés könnyű fizikai munka alvó ülő 1 10 Részecske geometriai átmérője ( ( m) m) 2 0 60 50 baloldali tengely jobboldali tengely 40 30 40 30 20 20 10 10 0 0 5 10 15 20 25 Az Az elmúlt elmult hetek száma 0 A tüdő szöveti képe 6 hónappal az instilláció után 1. ábra. A vörösiszap porának méreteloszlása (bal felső panel), tüdőbeli kiülepedése (jobb felső panel), egészségre gyakorolt hatása és késői biológiai szövethatása (alsó panelek). Következtetések Korábbi publikációkból ismert, hogy a vörösiszap pora nem radioaktív, lúgossága a tüdő jelentős pufferkapacitása miatt igazi veszélyt nem jelentett. A vörösiszap por és a városi por méreteloszlása hasonló. Toxikus elemek koncentrációja a vörös iszap porában nem több mint a városi aeroszoléban. Nem indokolt tehát a városi aeroszolra vonatkozó egészségügyi határértéktől eltérő szabályozás alkalmazása. Azonban a vörös iszap por lúgos kémhatása és a benne lévő kvarcszemcsék miatt, a belélegzett por mennyiségének minél kisebbre csökkentése indokolt, hiszen 1 g kvarcpor a tüdőben már fibrózist és halált okozhat. Köszönetnyilvánítás A munka az Európai Unió és Magyarország támogatásával a TÁMOP 4.2.4.A/1-11-1-2012-0001 azonosító számú kiemelt projekt és a KTIA_AIK_12-1-2012-0019 projekt keretei között valósult meg. 39

AEROSZOL GYÓGYSZEREK LÉGÚTI KIÜLEPEDÉSÉNEK NUMERIKUS MODELLEZÉSE ÉS OPTIMALIZÁLÁSA Jókay Ágnes, Farkas Árpád, Balásházy Imre, Füri Péter MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Környezetfizikai Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33, E-mail: jokay.agnes@energia.mta.hu Bevezetés Napjainkban az aeroszol gyógyszerek használata egyre elterjedtebb. Ennek hátterében a légúti betegségek (főleg asztma, COPD) előfordulási gyakoriságának növekedése áll, továbbá az, hogy az elmúlt évtizedek kutatás-fejlesztési munkájának eredményeként tovább fokozódott az inhalációs eszközök hatékonysága. Az aeroszol gyógyszerek elterjedését jelzi, hogy egyre több nem légúti betegségre is alkalmazzák (pl. fájdalomcsillapítás). Mind a betegek, mind a gyógyszergyártó cégek közös érdeke, hogy a megfelelő gyógyszer megfelelő helyre kerüljön, a mellékhatások minimalizálásával, költséghatékony módon. Ennek megfelelően, a fejlesztési irányokat a hatóanyag fejlesztés, az inhalátorok tökéletesítése és a légzőrendszeri kiülepedés optimalizálása (olyan légzési mód és részecske tulajdonságok, amely a gyógyszer célzott területre jutását optimalizálja) határozza meg. Ez utóbbi feladatot vállalták fel a KTIA_AIK_12-1-2012-0019 azonosítószámú pályázat konzorciumi partnerei is. Ennek keretében az Energiatudományi Kutatóközpont számítógépes modellezést végez. A projekt első szakaszának célja, hogy a piacon lévő aeroszol gyógyszerek légúti kiülepedéseloszlását tanulmányozzuk, valamint háromdimenziós légúti geometriákat állítsunk elő CT rétegfelvételekből. Módszer Az aeroszol gyógyszerek légúti kiülepedésének vizsgálatára számítógépes szimulációt alkalmazunk. A gyakorlatban a már meglévő sztochasztikus tüdőmodellt fejlesztjük tovább, hogy az alkalmassá váljék az aeroszol gyógyszerek légúti kiülepedés-eloszlásának minél pontosabb leírására. A numerikus szimuláció alkalmazásával hatékony módon jellemezhetjük mind a regionális, mind pedig a generációszám szerinti gyógyszerkiülepedést. A 3D légúti geometriák előállításához speciális szegmentáló és felületszerkesztő algoritmusokat használunk. A rekonstrukcióhoz a kiindulási adatokat a képalkotó eljárással (CT) felvett kétdimenziós képekből vesszük. A rekonstruált háromdimenziós digitális modellek 3D nyomtatóval fizikai üreges légúti modellekké alakíthatók, amelyekben már kísérletileg tanulmányozható a részecskeáramlás és kiülepedés (Kerekes et al. 2009, 2012). Eredmények Az 1. ábra bal panelje egy CT-s képsorozat alapján numerikusan rekonstruált realisztikus három-dimenziós centrális légúti geometriát mutat. A projekt során ilyen geometriákban kerül majd sor aeroszol gyógyszerek kiülepedés-eloszlásának mérésére. Az aeroszolok légúti depozícióját befolyásoló egyik legfontosabb tényező a részecskeméret. Az 1. ábra jobb paneljén a regionális kiülepedett frakciók láthatók a részecskeméret függvényében. Észrevehető, hogy az 5 mikrométernél nagyobb átmérőjű részecskék jelentős mértékben a felső légutakban ülepednek ki. Ez egybevág azzal a gyógyszeripari tendenciával, mely szerint a gyógyszerméretet néhány mikronra, lehetőleg egy mikrométer körülire csökkentik. Így megnövekszik annak az esélye, hogy a gyógyszer 40

lejut a kis légutakba. Az is szembetűnő, hogy e mérettartományban leginkább az acináris kiülepedés nő meg, nem pedig a bronchiális. Ahhoz, hogy ez utóbbi legyen a domináns kiülepedési hely, a részecskeméret további csökkentésére lenne szükség, de a kislégúti depozíció a jelenlegi részecskeméret megtartása mellet a légzési mód optimalizációjával is növelhető lenne. Ezen optimalizáció az elkövetkezendő munkaszakaszok feladata lesz. 1. ábra. CT felvételek alapján rekonstruált számítógépes 3D légúti geometria (bal oldal) és a felső légúti, bronchiális, acináris és teljes légzőrendszeri aeroszol depozíciós frakciók, mint a részecskeméret függvénye közepesen súlyos asztmás felnőtt esetében (jobb oldal) Következtetések A légutakban a kiülepedés hatására kialakuló depozícióeloszlást az átlagos részecskeméret nagymértékben befolyásolja. Az optimális depozíciós hatásfok eléréséhez ezért szükséges az inhalátor készülékek által generált részecskék méreteloszlásának ismerete, azonban az semmiképp nem elégséges. Fontos a légzőrendszeri kiülepedéseloszlást befolyásoló egyéb tényezők (pl. légzési paraméterek) azonosítása és optimalizálása, amely hozzájárulhat egy hatékonyabb és egyénre szabott inhalációs terápiás módszertan kidolgozásához. Köszönetnyilvánítás A munka a KTIA_AIK_12-1-2012-0019 projekt keretei között valósult meg. Irodalom Kerekes, A., Nagy, A., Czitrovszky, A., 2009. Experimental air flow and deposition studies with hollow bronchial airway models. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery, 22, 2, 175-176. Kerekes, A., Nagy, A., Czitrovszky, A., 2012. Theoretical and experimental investigation of aerosol deposition in realistic human airway model. European Aerosol Conference EAC2012, September 2-7, Granada. 41

A LÉGZŐRENDSZER BRONCHIÁLIS RÉGIÓJÁBAN KIÜLEPEDETT RÉSZECSKÉK MUKOCILIÁRIS TISZTULÁSÁNAK NUMERIKUS MODELLEZÉSE Farkas Árpád, Balásházy Imre, Jókay Ágnes, Füri Péter MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Környezetfizikai Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33, E-mail: farkas.arpad@energia.mta.hu Bevezetés Az inhalált aeroszolok egészségre gyakorolt hatása nagymértékben függ azok légzőrendszeren belüli eloszlásától. A légutak falán az aeroszolok térbeli és időbeli eloszlása alapvetően a kiülepedéstől és a tisztulástól függ. A bronchiális szakaszban a főbb tisztulási mechanizmusok a mukociliáris tisztulás és a fagocitózis. A csillószőrös tisztulás során a csillószőrök által hajtott és a légutak falát teljesen vagy részlegesen fedő nyákréteg a kitapadt részecskéket a garat irányába mozgatja, ahonnan azok a szabadba vagy az emésztőrendszerbe jutnak. A mukusz (nyák) légutakon belüli eloszlása, valamint annak dinamikai és patofiziológiai tulajdonságai tudományos viták tárgyát képezik. E kérdések mélyreható tanulmányozásának mind etikai, mind pedig technikai akadályai vannak. Az elérhető adatokon alapuló számítógépes modellek hasznos eszközök lehetnek e kutatások során. A jelen munka célja egy numerikus áramlástan alapú modell kifejlesztése és alkalmazása a kiülepedett részecskék csillószőrös (mukociliáris) tisztulásának szimulálására és a kiülepedés-tisztulás következtében kialakuló részecskeeloszlások kiszámítására. Módszer A belélegzett részecskék légutakon belüli tér- és időeloszlásainak meghatározásához egyaránt szükség van azok kiülepedés előtti és utáni dinamikájának ismeretére. Ez a részecskepályák kiszámításával valósítható meg. A részecskék kiülepedés előtti követését és kiülepedésének modellezését több munkánkban is bemutattuk. Jelen modellezés a kiülepedés utáni, vagyis a tisztulás vezérelte részecskemozgás leírását célozza meg. A részecskepályák meghatározása érdekében először a nyákréteg áramlási terét kell kiszámítanunk. A mikrométernél nagyobb részecskék esetében a nyákmozgás teljes mértékben meghatározza a részecskemozgást, mely a nyák sebességterének áramvonalai mentén történik. A mikrométernél kisebb részecskék szabadon diffundálhatnak a nyákban lévő polimerszálak között, ezáltal pályájuk eltér a mukusz áramvonalaitól. Mindkét esetben külön modelleztük a légutak mély régióiból feltisztuló és a célgeometrián (4.-5. generációs légúti elágazás) áthaladó, valamint a célelágazásba kiülepedett és onnan tisztuló részecskéket. A részecskeeloszlások inhomogenitásának kvantifikálására lokális részecskesűrűség-értékeket számítottunk, melyeket az átlagos részecskesűrűséghez viszonyítottunk. Eredmények Számítási eredményeink alapján a nyák sebességtere inhomogén (1. ábra). Az elágazás csúcsában kialakul egy lassú tisztulási zóna. A mélyről feltisztult részecskék elkerülik a zónát, de az ide kiülepedett részecskék csak késleltetve tisztulnak (2. ábra). A kiülepedésből származó részecskeeloszlás inhomogenitásának mértéke a tisztulás hatására egy 4-7 szeres faktorral csökken. A kiülepedéssel ellentétben, 1 mikrométer felett, a részecskék tisztulása 42

nem függ a részecskemérettől. A diffúziós képesség részecskeméret függése miatt, a nano és ultrafinom részecskék tisztulási pályái méretfüggők. m/s parent branch parent branch (gen. 4) slow clearance areas daugther daughter branches (gen. (gen. 5) 5) daughter branch 1. ábra. A nyák sebességtere (bal oldal) és az elágazás csúcsában elhelyezkedő, a számítások során figyelembe vett lassú tisztulású zónák (jobb oldal) 2. ábra. Mélyről feltisztult (bal oldal) és a célelágazásba kiülepedett (jobb oldal) 1 m-es részecskék számított tisztulási pályái Következtetések A légutakban a kiülepedés hatására kialakuló részecskeeloszlást a mukociliáris tisztulás nagymértékben módosítja. A tisztulás hatására az inhomogenitás mértéke csökken, de a részecskeeloszlás továbbra is erősen egyenetlen marad, ami összefüggésben állhat a patológiai tanulmányokban kimutatott preferenciális tumorelőfordulással. Köszönetnyilvánítás A munka az Európai Unió és Magyarország támogatásával a TÁMOP 4.2.4.A/1-11-1-2012-0001 azonosítószámú Nemzeti Kiválóság Program Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése országos program című kiemelt projekt keretei között valósult meg. 43