[en] Air pollution is a major public health concern causing annually an estimated 380000 premature deaths in the European Union alone. A number of epidemiological studies carried out during recent decades have associated atmospheric particulate matter (PM) with cardiovascular and respiratory morbidity and mortality. Thus, investigation of the sources and mechanisms responsible for increasing PM concentrations in urban environments has become one of the most important fields of research in environmental sciences. The sources, dispersion and chemical processes governing air quality vary in each European region, so that, for example conclusions regarding atmospheric particle contamination reported for central and northern European cities cannot necessarily be directly applied to the Mediterranean area, where information on the number and size distribution of particles and chemical speciation PM data are relatively scarce. In this context, the study presented in this thesis offers an unprecedentedly detailed investigation of the processes and sources affecting atmospheric pollutants at an urban background site in the coastal Mediterranean city of Barcelona. Road traffic is the most important particle source in Barcelona, with exhaust emissions representing about 40-45% of the PM1 mass. It governs the time variation of Black Carbon (BC) levels, which may be proposed as a vehicle exhaust emissions tracer to be added to urban air quality control networks. Study of the BC/CO, BC/NO2 and BC/NO ratios in different European urban environments evidenced the variability of these ratios as a function of the specific characteristic of each site, such as the distance to traffic, vehicle fleet composition and age and the influence of other carbonaceous sources, such as biomass burning. The evaluation of the coarse aerosol (PM2.5-10) daily cycle during an intensive sampling campaign (DAURE) evidenced the influence of construction-demolition works. These activities increased hourly PM2.5-10 levels by up to 8 µg m-3 on an annual mean basis based on hourly averages. Although the mineral matter content of this source is similar to traffic resuspension, regional dust or Saharan dust, and it was therefore not possible to discriminate construction/demolition particles in a distinct way, the time variation of coarse Ca and S (tracers of construction works), allowed us to demonstrate the impact of these activities on the PM coarse fraction in our measurements. Particle number (N) data were analysed during the DAURE campaign in search for the primary emissions of vehicle exhaust (N1) and the secondary particles from gaseous precursors, primary particles from non-traffic sources, and/or particles inherited in the air mass (N2). This analysis was based on the relation between N and BC. The N2 fraction accounted for 40% of number concentrations, ranging from 37% during the morning rush hour to 61% at midday. This high contribution of N2 during midday prompted us to carry out further analysis using data collected during the whole of 2009, comparing the results in Barcelona with those collected in five other European cities in different regions. This study allowed us to conclude that the midday N peak was only observed in southern European cities, which at that time of day is controlled by: 1) higher solar radiation, 2) higher temperature and 3) a contribution of SO2 from shipping and industry governed by the breeze circulation, all of this resulting in enhanced nucleation processes at these latitudes, giving rise to high particle number concentrations. The significant contribution of secondary inorganic aerosols to PMx mass detected in Barcelona, higher than in other European cities with similar NOx and SO2 levels, motivated a study of the levels and sources of NH3, the main precursor of these new formed particles. Passive samplers were used in order to cover a large area of the city in summer and winter, proving higher levels during summer. During this season levels were well above those reported in other European cities. Waste containers were found to be the main source responsible for the high levels, although an important local contribution from traffic emissions was also detected. The highest NH3 levels were mostly registered in the historic city centre, which is located to the south of the monitoring site, in an area closest to the sea from where the wind typically transports pollutants at midday. This transport of NH3, the main precursor of particles through reactions with sulphuric and nitric acids, could also partly explain the N midday peak associated with secondary inorganic aerosol formation. An annual contribution from regional-scale biomass burning emissions was detected and quantified for the fist time in Barcelona by means of specific tracers, namely Levoglucosan, K+ and OC, and the application of a special-purpose Multilinear Engine-2 (ME-2) script. It results in a contribution of 3% to PM10 and PM2.5 and 5% to PM1, much lower than those calculated for other northern and central European cities. A regional-scale origin of this contribution was concluded, as it showed a characteristic hourly trend with night-time maxima, coinciding with the land-to-sea breeze. Finally, the study was broadened to evaluate the exposure risk and toxicology of PM2.5-10 and PM0.1-2.5 using a multidisciplinary approach to obtain an estimation of the health impact of the different emission sources of Barcelona. Two different tests were performed to characterise the oxidative stress generation capacity of the samples, obtaining similar results than those reported in other urban sites with intense metal emissions. Results concerning the ROS-generation capacity were correlated with the ones obtained from a cancer risk assessment of the different PM sources detected in Barcelona by means of the receptor model Positive Matrix Factorization (PMF) and a ME-2 script, attaining a high correlation factor for the PM0.1-2.5 particles. This health risk estimation underestimated the impact of road traffic since only the particulate phase of urban emissions was considered, with the lack of VOCs measurements, which are expected greatly to increase the cancer risk of the exhaust emissions. Finally, four months of on-line measurements of the lung deposited surface area (LDSA) revealed a high correlation factor between this parameter and BC, pointing at traffic as the major factor responsible for daily variation of LDSA in the city of Barcelona.

[es] La contaminación atmosférica es un problema de salud pública que causa más de 380000 muertes sólo en la Unión Europa. Un número importante de estudios epidemiológicos llevados a cabo en las últimas décadas ha asociado el material particulado atmosférico (PM) con la mortalidad y la morbilidad de origen respiratorio y cardiovascular. Así, la investigación sobre las fuentes y mecanismos implicados en esta asociación es hoy en día uno de los campos más relevantes en ciencias ambientales. Las fuentes de emisión y los procesos fisico-químicos que rigen la calidad del aire varían ampliamene de una región Europea a otra, por lo que las conclusiones sobre los procesos y fuentes de partículas atmosféricas obtenidas para ciudades del centro y norte de Europa no pueden ser directamente aplicadas al área del Mediterráneo, donde existe escasa información a escala urbana sobre el número y la distribución de tamaños de partículas, y sobre datos en tiempo real de especiación química. Para este estudio, se investigó en profundidad una estación de fondo urbano situada en la ciudad de Barcelona, en la costa Mediterránea. Para ello, se contó con una extensa instrumentación que proporcionó datos sobre niveles y composición de PM con una alta resolución temporal que nos permitió aportar nuevos conocimientos sobre los principales procesos y fuentes que afectan a los contaminantes atmosféricos en esta zona. El tráfico rodado es la fuente más importante de partículas en Barcelona, con las emisiones del tubo de escape representando alrededor del 40-45% de la masa de PM1. Esta fuente rige la variación de los niveles de Black Carbon (BC), parámetro que proponemos como un preciso trazador de este tipo de emisiones y que debería ser incluido en las redes de control de calidad del aire. El análisis de los ratios BC/CO, BC/NO2 y BC/NO en diferentes ambientes urbanos europeos mostró una dependencia de estos valores de las características específicas de cada zona de estudio, variando con la distancia al tráfico, la composición y antigüedad del parque de vehículos y la posible influencia de otras fuentes de naturaleza carbonosa, como la quema de biomasa. La evaluación de la variación horaria del aerosol grueso (PM2.5-10) durante la intensiva campaña internacional DAURE suministró evidencias acerca del impacto de los trabajos de construcción y demolición en la calidad del aire. Estas actividades podrían aumentar hasta en 8µg m-3 los niveles horarios de PM2.5-10 considerando valores medios anuales. A pesar de que el contenido mineral de esta fuente es similar al presente en el material resuspendido por tráfico, en el material de origen regional o en el de las intrusiones saharianas, y que no es posible asociar todo el incremento de la fracción PM2.5-10 a las particulas resuspendidas por el viento procedentes de estas actividades, la variación horaria de Ca y S en la fracción gruesa (considerados los principales trazadores de los trabajos de construcción en estudios anteriores), permitió demostrar el impacto de este tipo de actividades en nuestras mediciones. Los datos sobre el número de partículas (N) fueron analizados durante la campaña DAURE, estudiando la relación entre las concentraciones de N y BC, y dividiendo N en dos componentes (N=N1+N2) mediante el uso de la pendiente mínima entre ambos parámetros. N1 representa las emisiones procedentes de los tubos de escape, más concretamente emisiones de material carbonoso y de determinados compuestos que nuclean/condensan inmediatamente tras su entrada en el aire ambiente. N2 se define como la componente que constituye la fracción secundaria de partículas formadas a partir de precursores gaseosos, la fracción primaria de fuentes diferentes al tráfico y/o partículas heredadas en la masa de aire. N2 representa el 40% de la concentración en número, variando del 37% durante las horas matinales de tráfico hasta el 61% al mediodía. Esta elevada contribución durante las horas centrales del día nos llevó a realizar el mismo anális usando datos recogidos durante todo el año 2009 y comparando los resultados obtenidos en Barcelona con aquellos recogidos en otras cinco ciudades Europeas. Esta comparación permitió concluir que el máximo de N a mediodía sólo se observaba en ciudades del sur de Europa, que en las horas centrales del día cuentan con: 1) alta radiación solar, 2) altas temperaturas y 3) una contribución de SO2 procedente de la industria y/o de los barcos regida por la circulación de la brisa, todo esto resultando en un incremento de los procesos de nucleación en estas latitudes que dan lugar a un número elevado de partículas. La importante contribución de aerosoles inorgánicos secundarios a la masa de PMX, mayor que en otras ciudades europeas con niveles similares de NOX y SO2, motivó el estudio de las concentraciones y fuentes de NH3. Se utilizaron dosímetros pasivos para cubrir una extensa área de la ciudad de Barcelona durante las estaciones de verano e invierno, obteniendo concentraciones muy elevadas durante verano. En esta estación los niveles estuvieron muy por encima de aquellos medidos en otras ciudades europeas. Los contenedores de basura fueron el mayor responsable de los altos niveles, aunque también se detectó un impacto considerable procedente de las emisiones del tráfico. Los niveles más altos de NH3 fueron mayoritariamete registrados en el centro histórico de la ciudad, situado en el sur de Barcelona, en un área cercana a la costa, desde donde el viento típicamente transporta los contaminantes durante las horas centrales del día. Este transporte de NH3, el principal precursor de partículas en la atmósfera a través de la reacción con los ácidos de azufre y nitrógeno, podría explicaR al menos parcialmente el máximo de N a mediodía asociado con la formación de aerosoles inorgánicos secundarios. La contribución anual de quema de biomasa al PM a escala regional fue detectada y cuantificada por primera vez en Barcelona a partir de trazadores específicos, concretamente Levoglucosan, K+ y OC, y la aplicación del modelo receptor Positive Matrix Factorization (PMF) y el programa Multilinear Engine 2 (ME-2). Este análisis resultó en una estimación del 3% para la contribución de quema de biomasa al PM10 y al PM2.5 y del 5% al PM1, estos porcentajes están muy por debajo de los obtenidos para otras ciudades del centro y norte de Europa. Se concluyó que la contribución tenía un origen regional, ya que mostró una tendencia horaria característica con máximos en el periodo nocturno, coincidiendo con la brisa tierra-mar. El riesgo de exposición y la toxicología de las partículas en las fracciones PM2.5-10 y PM0.1-2.5 se evaluó mediante un enfoque multidisplinar para obtener una estimación del impacto en la salud de las diferentes fuentes de emisión de Barcelona. Se llevaron a cabo dos tipos de ensayo complementarios para caracterizar la capacidad de generar estrés oxidativo de las diferentes muestras de PM, obteniendo resultados similares a aquellos concluidos para otros ambientes urbanos con altas emisiones de metales. Los resultados de estos ensayos se correlacionaron con los obenidos de la evaluación de riesgo de cáncer de las diferentes fuentes de emisión detectadas en Barcelona a partir del modelo receptor PMF y el programa ME-2, encontrándose un factor de correlación significativo para la fracción PM0.1-2.5. Esta estimación de riesgo subestimó el impacto del tráfico ya que sólo se tuvo en cuenta la fracción particulada de las emisiones urbanas, dada la no disponibilidad de medidas de las concentraciones de VOCs, que se espera que puedan elevar el riesgo de cancer estimado para las emisiones de los tubos de escape. Asimismo, se tomaron cuatro meses de medidas en tiempo real de superficie específica de las partículas que depositadas en el pulmón, que dificultan el intercambio gaseoso (lung deposited surface area, LDSA), obteniendo una correlación muy significativa con las concentraciones de BC, señalando así al tráfico como el principal responsable de la variación diaria de este parámetro en Barcelona y por lo tanto, de potenciales efectos negativos respiratorios.