Forskere opdager potentielt skadelige nanopartikler produceret ved afbrænding af kul

Miljøforskere ledet af Virginia Tech College of Science har opdaget, at afbrænding af kul producerer utroligt små partikler af en meget usædvanlig form for titaniumoxid.

Ved indånding, disse nanopartikler kan komme ind i lungerne og muligvis i blodbanen.

Partiklerne - kendt som titan -suboxid -nanopartikler - produceres utilsigtet, når kul forbrændes, skaber disse mindste partikler, så lille som 100 milliontedele af en meter, sagde Virginia Tech-ledede team. Når partiklerne indføres i luften-medmindre de fanges af højteknologiske partikelfælder-kan de flyde væk fra kraftværksstabler og bevæge sig med luftstrømme lokalt, regionalt, og endda globalt.

Som et eksempel på dette, disse nanopartikler blev fundet på byens gader, fortove, og i stående vand i Shanghai, Kina.

Resultaterne er offentliggjort i det seneste nummer af Naturkommunikation under teamleder Michael F. Hochella Jr., University Distinguished Professor of Geosciences med College of Science, og Yi Yang, en professor ved East China Normal University i Shanghai. Andre undersøgelsesdeltagere omfatter Duke University, universitetet i Kentucky, og Laurentian University i Canada.

"Problemet med disse nanopartikler er, at der ikke er nogen let eller praktisk måde at forhindre deres dannelse under kulforbrænding, "Sagde Hochella, tilføjer, at i lande med stærke miljøregler, såsom USA, de fleste nanopartikler ville blive fanget af partikelfælder. Sådan er det ikke i Afrika, Kina, eller Indien, hvor reglerne er slap eller ikke -eksisterende, med kulaske og røg ind i det fri.

"På grund af avanceret teknologi, der anvendes på USA-baserede kulforbrændingsværker, bemyndiget af Clean Air Act og Environmental Protection Agency, de fleste af disse nanopartikler og andre små partikler fjernes før den endelige emission af plantens udstødningsgasser, "Hochella sagde." Men i lande, hvor partiklerne fra kulforbrændingen ikke er nær så effektivt fjernet, eller slettet overhovedet, disse titan -suboxid -nanopartikler og mange andre partikeltyper udsendes til atmosfæren, delvis resulteret i diset himmel, der plager mange lande, især i Kina og Indien. "

Hochella og hans team fandt disse tidligere ukendte nanopartikler ikke kun i kulaske fra hele verden og i de gasformige affaldsemissioner fra kulanlæg, men på byens gader, i jord og stormvandsdamme, og på rensningsanlæg.

"Jeg kunne ikke tro, hvad jeg fandt i begyndelsen, fordi de var blevet rapporteret så ekstremt sjældent i det naturlige miljø, "sagde Yang, der engang arbejdede som gæsteprofessor i Virginia Techs afdeling for geovidenskab med Hochella. "Det tog mig flere måneder at bekræfte deres forekomst i kulaskeprøver."

Det nyfundne titansuboxid - kaldet Magnéli -faser - blev engang tænkt sjældent, findes kun sparsomt på Jorden i nogle meteoritter, fra et lille område med klippeformationer i det vestlige Grønland, og lejlighedsvis i måneklipper. Resultaterne fra Hochella og hans team indikerer, at disse nanopartikler faktisk er udbredt globalt. De bliver først nu undersøgt for første gang i naturlige miljøer ved hjælp af kraftfulde elektronmikroskoper.

Hvorfor fandt opdagelsen sted nu? Ifølge rapporten, næsten alt kul indeholder spor af mineralerne rutil og/eller anatase, begge "normale, " naturligt forekommende, og relativt inerte titaniumoxider, især i fravær af lys. Når disse mineraler brændes i nærvær af kul, forskning fandt, at de let og hurtigt konverterede til disse usædvanlige titan -suboxid -nanopartikler. Nanopartiklerne bliver derefter indesluttet i de gasser, der forlader kraftværket.

Ved indånding, nanopartiklerne kommer dybt ned i lungerne, muligvis helt ind i luftsækkene, der flytter ilt ind i vores blodbaner under den normale vejrtrækningsproces. Mens menneskelig lungetoksicitet af disse partikler endnu ikke er kendt, en foreløbig biotoksicitetstest af Hochella og Richard Di Giulio, professor i miljøtoksikologi, og Jessica Brandt, en doktorand, begge på Duke University, angiver, at partiklerne faktisk har toksicitetspotentiale.

Ifølge holdet, yderligere undersøgelse er klart nødvendig, især biotoksicitetstest, der er direkte relevant for den menneskelige lunge. Partnerskab med kulkraftværker enten i USA eller Kina ville være ideelt, sagde Yang.

Mere bekymrende, undersøgelsen viser, at titan -suboxid -nanopartikler er biologisk aktive i mørket, gør partiklerne stærkt mistænkelige. De nøjagtige virkninger på menneskers sundhed er endnu ukendte.

"Fremtidige undersøgelser skal meget omhyggeligt undersøge og få adgang til toksiciteten af ​​titan -suboxid -nanopartikler i den menneskelige lunge, og det kan tage år, en ædruende tanke i betragtning af dens potentielle fare, "Sagde Hochella.

Da titan -suboxid -nanopartiklen i sig selv fremstilles i øvrigt, Hochella og hans team stødte på nanopartiklen ved et uheld, mens de studerede et kulasespild i 2014 i Dan -floden, North Carolina. Under undersøgelsen af ​​nedstrøms bevægelse af giftige metaller i asken i Dan -floden, teamet opdagede og anerkendte tilstedeværelsen af ​​små mængder af det meget usædvanlige titaniumsuboxid.

Gruppen producerede senere titan -suboxid -nanopartiklerne, når de brændte kul i en laboratoriesimulering.

Denne nye potentielle sundhedsfare for luftforurening bygger på allerede etablerede resultater fra Verdenssundhedsorganisationen. Det anslår, at 3,3 millioner for tidlige dødsfald sker på verdensplan om året på grund af forurenet luft, Sagde Hochella. I Kina, 1,6 millioner for tidlige dødsfald anslås årligt på grund af hjerte- og luftvejsskader som følge af luftforurening. De fleste kinesiske megabyer topper 100 alvorligt disede dage hvert år med partikelkoncentrationer to til fire gange højere end WHO's retningslinjer, Sagde Yang.

Direkte sundhedseffekter på mennesker er kun en faktor. Fund fra tusinder af forskere har fastslået, at den største drivkraft for opvarmning af planeten og de deraf følgende klimaforandringer er kulforbrænding i industriel skala. Virkningen af ​​titanium suboxid nanopartikler fundet i atmosfæren, ud over drivhusgasser, på dyr, vand, og planter kendes endnu ikke.