Milieuwetenschappers onder leiding van het Virginia Tech College of Science hebben ontdekt dat de verbranding van steenkool ongelooflijk kleine deeltjes van een hoogst ongebruikelijke vorm van titaniumoxide produceert.

Bij inademing, deze nanodeeltjes kunnen de longen en mogelijk de bloedbaan binnendringen.

De deeltjes - bekend als titaniumsuboxide-nanodeeltjes - worden onbedoeld geproduceerd als steenkool wordt verbrand, het creëren van deze kleinste deeltjes, zo klein als 100 miljoenste van een meter, zei het door Virginia Tech geleide team. Wanneer de deeltjes in de lucht worden gebracht - tenzij ze worden opgevangen door hightech deeltjesvangers - kunnen ze wegdrijven van de stapels van elektriciteitscentrales en lokaal op luchtstromen reizen, regionaal, en zelfs wereldwijd.

Als voorbeeld hiervan, deze nanodeeltjes werden gevonden op straten in de stad, voetpaden, en in stilstaand water in Shanghai, China.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het laatste nummer van Natuurcommunicatie onder teamleider Michael F. Hochella Jr., Universitair Distinguished Professor of Geosciences bij het College of Science, en Yi Yang, een professor aan de East China Normal University in Shanghai. Andere studiedeelnemers zijn onder meer Duke University, de Universiteit van Kentucky, en Laurentian University in Canada.

"Het probleem met deze nanodeeltjes is dat er geen gemakkelijke of praktische manier is om hun vorming tijdens het verbranden van kolen te voorkomen, "Hochella zei, eraan toevoegend dat in landen met strenge milieuregels, zoals de Verenigde Staten, de meeste nanodeeltjes zouden worden opgevangen door deeltjesvangers. Niet zo in Afrika, China, of Indië, waar de regelgeving laks is of niet bestaat, met kolenas en rook die de open lucht binnenkomen.

"Vanwege geavanceerde technologie die wordt gebruikt in in de VS gevestigde kolencentrales, in opdracht van de Clean Air Act en de Environmental Protection Agency, de meeste van deze nanodeeltjes en andere kleine deeltjes worden verwijderd voordat de uitlaatgassen van de fabriek definitief worden uitgestoten, Hochella zei. "Maar in landen waar de deeltjes van de kolenverbranding lang niet zo efficiënt worden verwijderd, of helemaal niet verwijderd, deze titaniumsuboxide-nanodeeltjes en vele andere deeltjestypes worden uitgestoten in de atmosfeer, gedeeltelijk resulterend in wazige luchten die veel landen teisteren, vooral in China en India."

Hochella en zijn team vonden deze voorheen onbekende nanodeeltjes niet alleen in kolenas van over de hele wereld en in de gasvormige afvalemissies van kolencentrales, maar in de straten van de stad, in bodems en regenwatervijvers, en bij afvalwaterzuiveringsinstallaties.

"Ik kon niet geloven wat ik in het begin heb gevonden, omdat ze zo extreem zelden in de natuurlijke omgeving waren gemeld, " zei Yang, die ooit werkte als gasthoogleraar in Virginia Tech's Department of Geosciences met Hochella. "Het kostte me enkele maanden om hun aanwezigheid in kolenasmonsters te bevestigen."

Het nieuw gevonden titaniumsuboxide - Magnéli-fasen genoemd - werd ooit als zeldzaam beschouwd, slechts spaarzaam op aarde gevonden in sommige meteorieten, uit een klein gebied met rotsformaties in het westen van Groenland, en af ​​en toe in maanstenen. De bevindingen van Hochella en zijn team geven aan dat deze nanodeeltjes in feite wereldwijd wijdverbreid zijn. Ze worden nu pas voor het eerst bestudeerd in natuurlijke omgevingen met behulp van krachtige elektronenmicroscopen.

Waarom vond de ontdekking nu plaats? Volgens het rapport, bijna alle steenkool bevat sporen van de mineralen rutiel en/of anataas, beide "normaal, " natuurlijk voorkomend, en relatief inerte titaniumoxiden, vooral bij gebrek aan licht. Wanneer die mineralen worden verbrand in aanwezigheid van steenkool, onderzoek wees uit dat ze gemakkelijk en snel werden omgezet in deze ongebruikelijke titaniumsuboxide-nanodeeltjes. De nanodeeltjes worden dan meegesleurd in de gassen die de energiecentrale verlaten.

Bij inademing, de nanodeeltjes dringen diep de longen binnen, mogelijk helemaal in de luchtzakken die zuurstof in onze bloedbaan brengen tijdens het normale ademhalingsproces. Hoewel de menselijke longtoxiciteit van deze deeltjes nog niet bekend is, een voorlopige biotoxiciteitstest door Hochella en Richard Di Giulio, hoogleraar milieutoxicologie, en Jessica Brandt, een promovendus, beide aan de Duke University, geeft aan dat de deeltjes inderdaad toxiciteitspotentieel hebben.

Volgens de ploeg verder onderzoek is duidelijk nodig, met name biotoxiciteitstesten die direct relevant zijn voor de menselijke long. Samenwerking met kolencentrales in de Verenigde Staten of China zou ideaal zijn, zei Yang.

Meer verontrustend, de studie toont aan dat titaniumsuboxide-nanodeeltjes biologisch actief zijn in het donker, waardoor de deeltjes zeer verdacht zijn. De exacte effecten op de menselijke gezondheid zijn nog niet bekend.

"Toekomstige studies zullen de toxiciteit van titaniumsuboxide-nanodeeltjes in de menselijke long zeer zorgvuldig moeten onderzoeken en benaderen, en dit kan jaren duren, een ontnuchterende gedachte gezien het potentiële gevaar, ' zei Hochella.

Omdat het titaniumsuboxide-nanodeeltje zelf incidenteel wordt geproduceerd, Hochella en zijn team kwamen het nanodeeltje per ongeluk tegen tijdens het bestuderen van een steenkoolaslozing in 2014 in de Dan River, Noord Carolina. Tijdens de studie van de stroomafwaartse beweging van giftige metalen in de as in de Dan-rivier, het team ontdekte en herkende de aanwezigheid van kleine hoeveelheden van het hoogst ongebruikelijke titaniumsuboxide.

De groep produceerde later de titaniumsuboxide-nanodeeltjes bij het verbranden van steenkool in een laboratoriumsimulatie.

Dit nieuwe potentiële gezondheidsrisico door luchtverontreiniging bouwt voort op reeds vastgestelde bevindingen van de Wereldgezondheidsorganisatie. Het schat dat er wereldwijd 3,3 miljoen vroegtijdige sterfgevallen per jaar plaatsvinden als gevolg van vervuilde lucht, zei Hochella. In China, Jaarlijks worden 1,6 miljoen voortijdige sterfgevallen geschat als gevolg van cardiovasculaire en respiratoire verwondingen door luchtvervuiling. De meeste Chinese megasteden hebben elk jaar 100 ernstig wazige dagen met deeltjesconcentraties die twee tot vier keer hoger zijn dan de WHO-richtlijnen, zei Yang.

Directe gezondheidseffecten op de mens is slechts één factor. Bevindingen van duizenden wetenschappers hebben vastgesteld dat de grootste oorzaak van de opwarming van de planeet en de daaruit voortvloeiende klimaatverandering de kolenverbranding op industriële schaal is. De impact van titaniumsuboxide-nanodeeltjes in de atmosfeer, naast broeikasgassen, op dieren, water, en planten is nog niet bekend.