2.1. STRATEGIE DI DISTRIBUZIONE DELLE STAZIONI DI PRELIEVO DEI CAMPIONI VEGETALI
Al fine di garantire un adeguato trattamento statistico dei dati è stato approntato un protocollo sperimentale con carattere di sistematicità (in cui ogni sito rappresenta una porzione di territorio) e di omogeneità (in modo da ridurre le sorgenti locali di disturbo, in grado di compromettere la rappresentatività del sito stesso).
Il campionamento, di tipo sistematico, stratificato e non allineato, è stato effettuato in tre città campione: Livorno, Piombino e Rosignano (cfr. paragrafo 1.10.). Le unità di rilevamento sono state disposte sul territorio rispettando alcuni criteri di base: in ogni città, l’area in esame è stata suddivisa in quadranti (reticolo 2 x 2 km) ed in ognuno di questi sono stati effettuati prelievi di materiale vegetale (su base fresca) da siepi di pittosforo (Pittosporum tobira) naturalmente presenti in punti qualunque dei settori definiti dalla griglia. Sono state prelevate foglie di pittosforo risalenti all’anno precedente, che non mostrassero effetti macroscopici di stress di natura biotica o abiotica. Ogniqualvolta possibile il campionamento è stato effettuato dal lato delle siepi (alte in media 50 – 150 cm) direttamente esposto al traffico (figura 12), ponendo attenzione a raccogliere i campioni a mezza altezza (60-90 cm), in modo tale da avere materiale il più possibile omogeneo.
Dalla suddivisione delle tre città, sono state ottenute le aree di campionamento riportate con il loro codice nella tabella 10 e individuate sulle mappe delle città nelle figure 13-16.
Tab. 10 - Codice di riferimento delle aree di campionamento relative alle città di Livorno, Piombino e Rosignano Marittimo prese in esame in questo studio.
Città
campionamento
Area di
riferimento
Codice di
Viale Petrarca 1 Viale Carducci 2 Viale Nievo 3 Via Marchiani 4 4 SS1 Aurelia km 317 5 Via Artigianato 6 Via Magri 139 7 Via Artigianato 4 8 Via Graziani 9 Via Salviano 291 10 Via di Levante 11 Via di Popogna 128 12 Via Belgio 47/49 13 Villa Maurogordato 14 Via di Popogna 379 15 Via Grotta delle fate 16 Via di Montenero 146 17 Viale Antignano 18
Rotonda Ardenza 19
Viale Italia (Hotel Gennarino) 20 Viale Italia 143 21
Piazza Mazzini 22
Monumento Quattro mori 23
Viale Carducci 24 Piazza Grande 25 Via Lamarmora 26 Via Filzi 6 27 Via Donnini 28 Via Campania 29 Via Redi 18 30 Via Libertà 13 31 Piazza Roma 32
Via della Vittoria 21 33
Livorno
Via Aurelia 117, Località LaRosa 34 Piazzetta del mare 35 Largo Marinai d’Italia 36 Viale del Popolo 37 Via del Cimitero 38
Via Gori 39
Piazza del Castello 40 Via del Castello 41 Via Leonardo da Vinci 42 Piazza della Cittadella 43
Via Senni 44
Piombino
Piazza Verdi 46 Piazza Niccolini 47 Via Regina Margherita 48
Via Pisa 49
Via Colombo 50
Via Fucini 51
Via Petrarca 52
Piazza della Costituzione 53
Via Amendola 54 Località Cotone 55 Via Raffaello 56 Località Ghiaccioni 57 Via Salivoli 58 Via Matteotti 59 Largo Calamandrei 60 Piazza Appiani 61
Via della Resistenza 62 Via Cavallotti 63 Via Croce 64 Via Serragrande 65 Via Lambruschini 66 Via Di Giacomo 67 Via Galilei 68
Via Lago Maggiore 69
Via Crocetta 70
Via Collodi 71
Via Fermi 72
Via della Cava 73
Via Allende 74
Via Roma 75
Via Piave 76
Via Aurelia (angolo Via Petrarca) 77 Via Aurelia (angolo Via Mascagni) 78 Via Veneto (angolo Via Alberelli) 79 Via Veneto (presso centralina) 80 Via Trieste (angolo Via Mantellasi) 81 Via Trieste (angolo Via Malatesta) 82
Via Chiesa 83
Via Gigli 84
Via Mulini a vento 85 Piazza della Chiesa 86
Castello 87
Rosignano
Marittimo
Via della Repubblica 88
I prelievi sono stati effettuati il 19 giugno 2004 nelle città di Livorno e di Piombino e il 22 giugno 2004 a Rosignano Marittimo durante condizioni anticicloniche stazionarie dopo un prolungato periodo di siccità (più di cinque giorni senza pioggia). E’ stato dimostrato che le precipitazioni dilavano parzialmente le foglie e puliscono la loro superficie dalle polveri depositatasi, sebbene poi le superfici umide risultanti possano portare a valori di deposizione
maggiori (Chamberlain, 1967). Un tipico campione è rappresentato da circa 200 g di materiale fresco raccolto da tre piante vicine tra di loro.
Fig. 13 - Distribuzione delle aree di campionamento all’interno del reticolato geometrico del comune di Livorno.
Fig. 14 - Distribuzione delle aree di campionamento all’interno del reticolato geometrico del comune di Piombino.
Fig. 15 - Distribuzione delle aree di campionamento all’interno del reticolato geometrico per l’area di Rosignano Solvay.
Fig. 16 - Distribuzione delle aree di campionamento all’interno del reticolato geometrico del comune di Rosignano Marittimo.
Sono stati acquisiti per gli anni 2002 e 2003 i dati relativi al PM10 dagli
analizzatori automatici più vicini alle aree indagate. Le centraline erano poste nei comuni di Livorno, in Viale Carducci (stazione tipo C), in Via Gobetti (tipo B) e nella località Villa Maurogordato (tipo A), Piombino, località Cotone (tipo I), e nella frazione di Rosignano Solvay del comune di Rosignano Marittimo, Via Veneto (tipo I). La documentazione è stata gentilmente fornita dall’ARPAT. Le caratteristiche dei vari tipi di stazione di monitoraggio dell’inquinamento atmosferico, così come stabilito dal DM 16.05.1996, sono riportati nella Tabella 11.
Tab. 11 – Caratteristiche delle varie tipologie delle stazioni di monitoraggio, così come descritte nel DM del 16.05.1996.
Tipologia Caratteristiche della stazione
A
Stazione di riferimento sulla quale misurare tutti gli inquinanti primari e secondari ed i parametri meteorologici di base, nonché gli inquinanti non convenzionali da valutarsi con metodologie analitiche manuali. Tali stazioni debbono essere preferibilmente localizzate in
aree non direttamente interessate dalle sorgenti di emissione urbana (parchi, isole pedonali, etc.).
B
Stazioni situate in zone ad elevata densità abitativa nelle quali misurare la concentrazione di alcuni inquinanti primari e secondari con particolare riferimento a NO2, idrocarburi, materiale particellare
in sospensione con caratterizzazione della massa, al contenuto in piombo.
C
Stazioni situate in zone ad elevato traffico per la misura degli inquinanti emessi direttamente dal traffico autoveicolare (CO, idrocarburi volatili), situate in zone ad alto rischio espositivo, quali strade ad elevato traffico e bassa ventilazione. In tal caso i valori di
concentrazione rilevati sono caratterizzati da una rappresentatività limitata alle vicinanze del punto di prelievo.
D
Stazioni situate in periferia o in aree suburbane, sotto vento rispetto alla città, finalizzate alla misura degli inquinanti fotochimici (NO2,
O3), da pianificarsi sulla base di campagne preliminari di
valutazione dello smog fotochimico.
I
Stazioni situate nei pressi di insediamenti industriali, nelle quali vengono misurati gli inquinanti derivanti dalle emissioni dei processi
produttivi e dei servizi, inquinanti di interesse per la protezione dell’ambiente e della salute.
Nella tabella 12 sono illustrati la tipologia e gli inquinanti monitorati nelle stazioni della provincia di Livorno (solo quelle corredate di analizzatore per il monitoraggio delle PM10).
Tabella 12 – Tipologia delle centraline e inquinanti monitorati nelle stazioni della Provincia di Livorno (solo quelle corredate di analizzatore per il monitoraggio delle PM10,
esaminate in questo lavoro).
Comune Livorno Livorno Livorno Piombino Rosignano Ubicazione Viale Carducci Via Gobetti Villa Maurogordato Località Cotone Via Veneto
Tipo C B A I I Proprietà Pubblica Pubblica Pubblica Pubblica Pubblica
PM10 SI SI SI SI SI
SO2 SI NO NO NO SI
CO SI SI SI SI NO
NOx SI SI SI SI SI
O3 NO NO SI NO NO
2.2. LA SPECIE VEGETALE UTILIZZATA
E’ stato scelto il pittosforo (Pittosporum tobira L.), molto comune e presente omogeneamente nel territorio della provincia di Livorno. Si tratta di una pianta sempreverde e questo garantisce che, essendo sempre presente una grossa quantità di biomassa, possa asportare maggiormente e durante tutto l’arco dell’anno le polveri sottili dall’atmosfera cittadina adsorbendole sulla sua superficie. Inoltre, la sua diffusione in tutta l’area indagata consente la ripetibilità dell’esperimento in altre città. Il pittosforo è una specie che si sviluppa poco in altezza e quindi presenta la maggior parte della biomassa fogliare al livello a cui avvengono le emissioni veicolari. Una caratteristica che pone il pittosforo in una posizione preferenziale nella selezione della specie vegetale è la conformazione delle foglie le quali, essendo disposte molto densamente, e avendo una superficie laminare espansa, contribuiscono ad una maggiore capacità di trattenere il particolato atmosferico.
Il pittosforo appartiene alla famiglia delle Pittosporaceae, comprendente arbusti e alberi di piccole dimensioni, sempreverdi, semirustici, dotati di un fogliame molto ornamentale e particolarmente adatti ad essere coltivati come cespugli nei giardini delle zone con clima mite; in quelle litoranee sono utilizzati per formare siepi. Alle nostre latitudini, Pittosporum tobira viene utilizzato come ornamento cittadino. Proveniente dal Giappone e dalla Cina, vive facilmente in tutte le zone a clima mite. Le foglie sono obovate, lucide e di colore verde scuro.
2.3. IL PRELIEVO E LA PREPARAZIONE DEI CAMPIONI VEGETALI
Da ogni campione fogliare sono stati prelevati circa 200 g di materiale (su base fresca) e da questo sono state prese tre foglie, sistemate ognuna in una capsula Petri, identificata da una apposita sigla (es. Li 23.A) rappresentante la sigla della città di provenienza (Li, Pb, Rs), il numero del quadrante relativo alla zona di campionamento e una lettera progressiva dell’alfabeto per la replicazione (A, B, C). Le capsule Petri così preparate sono state poste in frigorifero a 4 °C per la conservazione. Prima di procedere all’analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM), le foglie sono state messe in stufa a 40 °C, in modo tale da evitare che la superficie si deformasse a causa del calore generato dal fascio elettronico dello strumento.
Porzioni vegetali di 0,5 x 0,5 cm sono state poste su supporti di alluminio e sottoposte all’osservazione al SEM (Joel 5600LVS) associato ad un sistema di microanalisi EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer), con una risoluzione nominale di Z≥5, che permette di effettuare l’analisi chimica del campione ed individuare semiquantitativamente il contenuto dei principali elementi (es. Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Br e Pb). Poiché lo strumento acquisisce lo spettro delle singole particelle e la sua area, è possibile ottenere l’analisi delle singole particelle ed il valore medio dei costituenti di un gruppo di esse. Per ottenere migliori risultati dalla microanalisi, le foglie non sono state rivestite (con oro, platino o carbonio), ma è stato utilizzato il sistema ad alto vuoto (fino a 12 Pa) del SEM. Per ogni spettro le osservazioni sono state effettuate con un tempo di acquisizione di 55 secondi, che determina un numero di segnali che varia da 3500 a 5500, o più. La magnificazione varia da 1000x fino a 5000x e le particelle identificate ed analizzate erano di dimensioni maggiori di 0,5 µm. Il voltaggio di accelerazione (da 10 a 18keV), la taglia degli spot (20 nm) e la distanza di lavoro (≈ 15-17 mm) sono stati adattati per ottenere il migliore risultato per ogni particella. Le immagini ottenute sono state elaborate con uno specifico software (Image-Pro® Plus), in modo tale da paragonare le loro dimensioni ed evidenziare le caratteristiche. Alcuni parametri sono stati determinati per la classificazione del
PM, sia per la caratterizzazione dimensionale (diametro, area, perimetro) che per la classificazione morfologica (aspetto, rotondità, dimensione frattale).
Da questo tipo di applicazione si possono ottenere molteplici informazioni e, in particolare, tramite l’acquisizione di immagini a successivi ingrandimenti e dall’applicazione di tecniche di elaborazione, vengono acquisiti dati relativi alle dimensioni ed alla forma delle particelle. Dall’analisi dimensionale e chimica di esse si può stimare la composizione elementare media del PM10 ed avere un
elevato grado di dettaglio sulle caratteristiche delle frazioni granulometriche. Come già accennato, da ogni foglia destinata all’analisi è stata ottenuta una porzione di lamina di dimensioni adatte all’analisi al SEM pari ad 0,5 x 0,5 cm, avendo cura di prelevare nella zona internervale della parte mediana, al livello della quinta nervatura laterale, e di effettuare l’analisi microscopica sulla pagina superiore della foglia, in quanto è quella che presumibilmente è più soggetta al deposito per precipitazione atmosferica del particolato. Su questa superficie sono state “fotografate”, in modo casuale, in media 2–3 aree e su di esse è stata effettuata l’analisi tramite il fascio elettronico incidente della composizione chimica di una media di circa 15–20 particelle, che risultassero inferiori a 10 µm, come evidenziato in figura 17.
Fig 17 - Immagine della superficie fogliare derivante da una fotografia ottenuta tramite il microscopio elettronico a scansione, dove si evidenzia la particella analizzata, la dimensione e lo spettro relativo alla composizione chimica
2.4. ANALISI DEGLI ELEMENTI IN TRACCE
Il materiale vegetale rimanente è stato posto in stufa a 40 °C fino al raggiungimento del peso costante; le foglie sono state triturate e collocate in provette. Sui campioni polverizzati sono stati analizzati i seguenti elementi: alluminio (Al), bario (Ba), berillio (Be), bismuto (Bi), bromo (Br), cadmio (Cd), cloro (Cl), cobalto (Co), cromo (Cr), cesio (Cs), rame (Cu), ferro (Fe), litio (Li),
manganese (Mn), molibdeno (Mo), sodio (Na), nichel (Ni), piombo (Pb), zolfo (S), titanio (Ti), vanadio (V), zinco (Zn).
L'analisi degli elementi in tracce si è svolta in due fasi:
1) mineralizzazione in ambiente acido a temperatura e pressione elevate per portare il campione, inizialmente solido, in soluzione;
2) analisi vera e propria, ossia determinazione della concentrazione degli elementi presenti nel campione.
2.4.1. Mineralizzazione del campione
La polvere di foglie di pittosforo è stata sottoposta a digestione in ambiente acido mediante mineralizzazione a microonde. Di ogni campione sono stati pesati 300 mg, a cui sono stati aggiunti 6 ml di HNO3 al 65% e 1 ml di H2O2 al
30%. Dopodiché, la miscela è stata introdotta all’interno di contenitori in teflon in forno a microonde dotato di carosello rotante, nel quale possono essere inseriti fino a dieci contenitori (Milestone Ethos 900), e sottoposta ad attacco in “bomba” per 25 minuti a 280 °C e ad una pressione di 5,5 MPa, utilizzando un programma specifico per i vegetali.
Le bombe in teflon sono munite di un coperchio filettato con una speciale valvola di sicurezza. In caso di sovrapressioni, questa si apre, scaricando l'eccesso di pressione per mezzo di un tubo in polietilene, in un contenitore posto al centro del carosello, in cui vengono raccolti i tubi di scarico di tutte le bombe. Per assicurare la perfetta tenuta dei contenitori, il coperchio è stato bloccato automaticamente ad una pressione prefissata mediante un apposito dispositivo. Con lo sfiato si verifica la perdita di quella parte di campione presente nei fumi che si formano durante l'ebollizione. Una volta terminato il trattamento termico, è necessario lasciare raffreddare il campione prima di aprire i contenitori, per consentire la ricondensazione dei fumi ed il recupero di tutto il campione. Se tutte le fasi della procedura di attacco vengono rispettate, è raro che si verifichi uno sfiato. Dopo il raffreddamento, ogni campione è stato filtrato (filtro in policarbonato) e la soluzione finale è stata portata ad un volume di 100 ml con acqua deionizzata.
A digestioni alternate è stata effettuata una prova in bianco, inserendo nel contenitore in teflon solo i reagenti senza il campione, per verificare eventuali contaminazioni del materiale utilizzato e il disturbo di fondo dato dallo strumento.
La capacità delle radiazioni a microonde di attraversare vetri e plastiche senza alcun accoppiamento col materiale del contenitore previene un riscaldamento dello stesso, a differenza di quanto accade con l'utilizzo di una piastra riscaldante, nella quale l'energia, sotto forma di calore, deve essere trasferita prima al contenitore e poi all'acido. Nell'unità a microonde l'energia di radiazione è applicata direttamente alle molecole dell'acido per portare ad ebollizione la soluzione; in questo modo è possibile ottenere un riscaldamento estremamente rapido ed un migliore controllo della potenza e dei tempi. L'unità a microonde è, quindi, una sorgente di intensa energia che agisce sia internamente che esternamente, generando un contatto intimo ed ottimale tra le particelle del campione e degli acidi, elemento-chiave per una rapida mineralizzazione. Il riscaldamento interno, che ha luogo nelle particelle individuali, comporta la loro rottura e, quindi, la continua esposizione di una superficie fresca al contatto con i reattivi. Inoltre, i liquidi riscaldati (H2O, acido)
generano calore a contatto con la superficie delle particelle e questo può creare potenti correnti di convezione termica, che agitano continuamente gli strati stagnanti delle soluzioni. Infine, una distribuzione omogenea delle microonde mediante un ventilatore assicura condizioni di riscaldamento uniformi e assenza di hot spots (punti a temperatura più elevata), comuni nei forni a microonde per impieghi domestici e tali da creare “bruciature” sui campioni solidi e la non uniformità di temperatura nei liquidi.
I singoli metalli sono stati successivamente determinati attraverso la spettrometria di massa con sorgente a plasma induttivo ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry), utilizzando uno spettrometro (Perkin-Elmer-Sciex ELAN 6100). La qualità analitica è stata verificata con il Certified Reference Material CRM-062 ‘olive leaves’. L’accuratezza era attorno al 7% per tutti i campioni misurati. Tutte le analisi sono state effettuate in tre repliche.
Per verificare l’attendibilità delle procedure di pre-trattamento e di analisi dei campioni, è stato utilizzato lo standard internazionale GBW 07603 dell’IGGE
(Institute of Geophisical and Geochemical Exploration, Cina), dotato di certificazione degli elementi analizzati.
2.5. TRATTAMENTO STATISTICO DEI DATI
I risultati relativi all’indice medio M24 sono stati riportati come media aritmetica su base mensile e relativamente all’intero anno.
La composizione elementare di tutte le foglie non lavate, come risulta dall’analisi tramite ICP-MS, e quella del PM10, come risulta dall’analisi con il
SEM-EDS, è stata soggetta ad analisi tramite la rotazione fattoriale varimax (FA), un trattamento statistico multivariato frequentemente utilizzato nelle ricerche sull’inquinamento atmosferico per ottenere informazioni sulle sorgenti degli inquinanti (Hopke et al., 1976; Plaisance e Guillermo, 1997). La FA separa un dato gruppo di elementi in gruppi o fattori basati sulla loro fluttuazione e sulla comune varianza, provvedendo che ogni associazione di specie chimica trovata nella FA sia relazionata ad un tipo di sorgente identificabile conosciuta in precedenza. La rotazione varimax migliora l’ortogonalità dei fattori risolti. I fattori con autovalori maggiori di 1 (prima della rotazione) sono considerati significativi (Kaiser, 1960). Le comunalità, che rappresentano la somma della varianza di ogni elemento spiegato dal modello fattoriale, sono mostrate.
La verifica del rapporto di interdipendenza tra variabili è stata effettuata tramite il metodo delle correlazioni/regressioni.
