Partikler er farligere end hidtil antaget

Forskere ved Paul Scherrer Instituttet PSI har for første gang observeret fotokemiske processer inde i de mindste partikler i luften. Derved, de opdagede, at yderligere iltradikaler, der kan være skadelige for menneskers sundhed, dannes i disse aerosoler under daglige forhold. De rapporterer om deres resultater i dag i tidsskriftet Naturkommunikation .

Det er velkendt, at luftbårne partikler kan udgøre en fare for menneskers sundhed. Partiklerne, med en maksimal diameter på ti mikrometer, kan trænge dybt ind i lungevæv og sætte sig der. De indeholder reaktive oxygenarter (ROS), også kaldet iltradikaler, som kan beskadige lungernes celler. Jo flere partikler der flyder i luften, jo højere risiko. Partiklerne kommer ind i luften fra naturlige kilder som skove eller vulkaner. Men menneskelige aktiviteter, for eksempel i fabrikker og trafik, gange mængden, så koncentrationerne når et kritisk niveau. Partiklers potentiale til at bringe iltradikaler ind i lungerne, eller at generere dem der, er allerede blevet undersøgt for forskellige kilder. Nu har PSI-forskerne fået vigtig ny indsigt.

Fra tidligere forskning er det kendt, at nogle ROS dannes i menneskekroppen, når partikler opløses i overfladevæsken i luftvejene. Partikler indeholder normalt kemiske komponenter, for eksempel metaller som kobber og jern, samt visse organiske forbindelser. Disse udveksler iltatomer med andre molekyler, og der dannes meget reaktive forbindelser, såsom hydrogenperoxid (H2O2), hydroxyl (HO), og hydroperoxyl (HO2), som forårsager såkaldt oxidativ stress. For eksempel, de angriber de umættede fedtsyrer i kroppen, som så ikke længere kan fungere som byggesten til cellerne. Læger tilskriver lungebetændelse, astma, og forskellige andre luftvejssygdomme til sådanne processer. Selv kræft kan udløses, da ROS også kan beskadige arvematerialet DNA.

Ny indsigt takket være en unik kombination af enheder

Det har været kendt i nogen tid, at visse reaktive oxygenarter allerede er til stede i partikler i atmosfæren, og at de kommer ind i vores krop som såkaldt eksogene ROS via den luft, vi indånder, uden at skulle dannes der først. Som det nu viser sig, Forskere havde endnu ikke kigget nøje nok:"Tidligere undersøgelser har analyseret partiklerne med massespektrometre for at se, hvad det består af, " forklarer Peter Aaron Alpert, første forfatter til det nye PSI-studie. "Men det giver dig ingen information om strukturen af ​​de enkelte partikler, og hvad der foregår inde i dem."

Alpert, i modsætning, brugte de muligheder, PSI tilbyder til at tage et mere præcist udseende:"Med det strålende røntgenlys fra Swiss Light Source SLS, vi var ikke kun i stand til at se sådanne partikler individuelt med en opløsning på mindre end en mikrometer, men endda at se ind i partikler, mens reaktioner fandt sted inde i dem." For at gøre dette, han brugte også en ny type celle udviklet på PSI, hvor en bred vifte af atmosfæriske miljøforhold kan simuleres. Det kan præcist regulere temperaturen, fugtighed, og gaseksponering, og har en ultraviolet LED-lyskilde, der står for solstråling. "I kombination med højopløsnings røntgenmikroskopi, denne celle eksisterer kun ét sted i verden, " siger Alpert. Undersøgelsen ville derfor kun have været mulig på PSI. Han arbejdede tæt sammen med lederen af ​​Surface Chemistry Research Group på PSI, Markus Ammann. Han modtog også støtte fra forskere, der arbejder med atmosfæriske kemikere Ulrich Krieger og Thomas Peter ved ETH Zürich, hvor der blev udført yderligere forsøg med suspenderede partikler, samt eksperter, der arbejder med Hartmut Hermann fra Leibniz Institute for Tropospheric Research i Leipzig.

Hvordan farlige forbindelser dannes

Forskerne undersøgte partikler indeholdende organiske komponenter og jern. Jernet kommer fra naturlige kilder som ørkenstøv og vulkansk aske, men det er også indeholdt i emissioner fra industri og trafik. De organiske komponenter kommer ligeledes fra både naturlige og menneskeskabte kilder. I atmosfæren, disse komponenter kombineres for at danne jernkomplekser, som så reagerer på såkaldte radikaler, når de udsættes for sollys. Disse binder igen al tilgængelig ilt og producerer dermed ROS.

Normalt, på en fugtig dag, en stor del af disse ROS ville diffundere fra partiklerne til luften. I så fald udgør det ikke længere yderligere fare, hvis vi inhalerer partiklerne, som indeholder færre ROS. På en tør dag, imidlertid, disse radikaler akkumuleres inde i partiklerne og forbruger al tilgængelig ilt der inden for få sekunder. Og det skyldes viskositeten:Partikler kan være faste som sten eller flydende som vand - men afhængigt af temperatur og fugtighed, det kan også være halvflydende som sirup, tørret tyggegummi, eller schweiziske urtehalsdråber. "Denne tilstand af partiklen, vi fandt, sikrer, at radikaler forbliver fanget i partiklen, " siger Alpert. Og der kan ikke komme yderligere ilt ind udefra.

Det er især alarmerende, at de højeste koncentrationer af ROS og radikaler dannes gennem interaktionen af ​​jern og organiske forbindelser under daglige vejrforhold:med et gennemsnit på under 60 procent og temperaturer omkring 20 grader C. også typiske forhold for indendørs rum. "Man troede, at ROS kun dannes i luften - hvis overhovedet - når de fine støvpartikler indeholder forholdsvis sjældne forbindelser som quinoner, " siger Alpert. Disse er oxiderede phenoler, der forekommer, for eksempel, i pigmenter fra planter og svampe. Det er for nylig blevet klart, at der er mange andre ROS-kilder i partikler. "Som vi nu har bestemt, disse kendte radikale kilder kan forstærkes betydeligt under helt normale hverdagsforhold." Omkring hver tyvende partikel er organisk og indeholder jern.

Men det er ikke alt:"De samme fotokemiske reaktioner finder sandsynligvis også sted i andre fine støvpartikler, " siger forskningsgruppeleder Markus Ammann. "Vi har endda mistanke om, at næsten alle suspenderede partikler i luften danner yderligere radikaler på denne måde, " Alpert tilføjer. "Hvis dette bekræftes i yderligere undersøgelser, vi har et presserende behov for at tilpasse vores modeller og kritiske værdier med hensyn til luftkvalitet. We may have found an additional factor here to help explain why so many people develop respiratory diseases or cancer without any specific cause."

At least the ROS have one positive side—especially during the COVID-19 pandemic—as the study also suggests:They also attack bacteria, vira, and other pathogens that are present in aerosols and render them harmless. This connection might explain why the SARS-CoV-2 virus has the shortest survival time in air at room temperature and medium humidity.