Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben voor het eerst fotochemische processen waargenomen in de kleinste deeltjes in de lucht. Daarbij, ze ontdekten dat in deze aerosolen onder alledaagse omstandigheden extra zuurstofradicalen worden gevormd die schadelijk kunnen zijn voor de menselijke gezondheid. Ze rapporteren vandaag over hun resultaten in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het is algemeen bekend dat fijnstof in de lucht een gevaar kan vormen voor de menselijke gezondheid. de deeltjes, met een maximale diameter van tien micrometer, kan diep in het longweefsel doordringen en zich daar vestigen. Ze bevatten reactieve zuurstofsoorten (ROS), ook wel zuurstofradicalen genoemd, die de cellen van de longen kunnen beschadigen. Hoe meer deeltjes er in de lucht zweven, hoe hoger het risico. De deeltjes komen in de lucht uit natuurlijke bronnen zoals bossen of vulkanen. Maar menselijke activiteiten, bijvoorbeeld in fabrieken en verkeer, vermenigvuldig de hoeveelheid zodat de concentraties een kritiek niveau bereiken. Het potentieel van fijnstof om zuurstofradicalen in de longen te brengen, of om ze daar te genereren, is al voor verschillende bronnen onderzocht. Nu hebben de PSI-onderzoekers belangrijke nieuwe inzichten gekregen.

Uit eerder onderzoek is bekend dat sommige ROS in het menselijk lichaam worden gevormd wanneer deeltjes oplossen in de oppervlaktevloeistof van de luchtwegen. Fijnstof bevat meestal chemische componenten, bijvoorbeeld metalen zoals koper en ijzer, evenals bepaalde organische verbindingen. Deze wisselen zuurstofatomen uit met andere moleculen, en er ontstaan ​​zeer reactieve verbindingen, zoals waterstofperoxide (H2O2), hydroxyl (HO), en hydroperoxyl (HO2), die zogenaamde oxidatieve stress veroorzaken. Bijvoorbeeld, ze vallen de onverzadigde vetzuren in het lichaam aan, die dan niet meer als bouwstenen voor de cellen kunnen dienen. Artsen schrijven longontsteking toe, astma, en diverse andere aandoeningen van de luchtwegen aan dergelijke processen. Zelfs kanker kan worden veroorzaakt, omdat de ROS ook het genetisch materiaal DNA kan beschadigen.

Nieuwe inzichten dankzij een unieke combinatie van apparaten

Het is al enige tijd bekend dat bepaalde soorten reactieve zuurstof al aanwezig zijn in deeltjes in de atmosfeer, en dat ze ons lichaam binnenkomen als zogenaamde exogene ROS via de lucht die we inademen, zonder dat je je daar eerst hoeft te vormen. Zoals nu blijkt, wetenschappers hadden nog niet goed genoeg gekeken:"Eerdere studies hebben het fijnstof geanalyseerd met massaspectrometers om te zien waar het uit bestaat, " legt Peter Aaron Alpert uit, eerste auteur van de nieuwe PSI-studie. "Maar dat geeft je geen informatie over de structuur van de afzonderlijke deeltjes en wat er binnenin gebeurt."

Alpert, in tegenstelling tot, maakte gebruik van de mogelijkheden die PSI biedt om nauwkeuriger te kijken:"Met het schitterende röntgenlicht van de Zwitserse lichtbron SLS, we waren niet alleen in staat om dergelijke deeltjes afzonderlijk te bekijken met een resolutie van minder dan een micrometer, maar zelfs om in deeltjes te kijken terwijl er binnenin reacties plaatsvonden." Om dit te doen, hij gebruikte ook een nieuw type cel ontwikkeld bij PSI, waarin een grote verscheidenheid aan atmosferische omgevingscondities kan worden gesimuleerd. Het kan de temperatuur nauwkeurig regelen, vochtigheid, en blootstelling aan gas, en heeft een ultraviolette LED-lichtbron die staat voor zonnestraling. "In combinatie met röntgenmicroscopie met hoge resolutie, deze cel bestaat maar op één plek in de wereld, ", zegt Alpert. De studie zou daarom alleen mogelijk zijn geweest bij PSI. Hij werkte nauw samen met het hoofd van de Surface Chemistry Research Group bij PSI, Markus Ammann. Hij kreeg ook steun van onderzoekers die samenwerkten met atmosferische chemici Ulrich Krieger en Thomas Peter van ETH Zürich, waar aanvullende experimenten werden uitgevoerd met zwevende deeltjes, evenals experts die werken met Hartmut Hermann van het Leibniz Institute for Tropospheric Research in Leipzig.

Hoe gevaarlijke verbindingen ontstaan?

De onderzoekers onderzochten deeltjes met organische componenten en ijzer. Het ijzer is afkomstig uit natuurlijke bronnen zoals woestijnstof en vulkanische as, maar het zit ook in de emissies van industrie en verkeer. De organische componenten zijn eveneens afkomstig uit zowel natuurlijke als antropogene bronnen. In de atmosfeer, deze componenten combineren om ijzercomplexen te vormen, die vervolgens reageren op zogenaamde radicalen bij blootstelling aan zonlicht. Deze binden op hun beurt alle beschikbare zuurstof en produceren zo de ROS.

Normaal gesproken, op een vochtige dag, een groot deel van deze ROS zou vanuit de deeltjes de lucht in diffunderen. Dan vormt het geen extra gevaar meer als we de deeltjes inademen, die minder ROS bevatten. Op een droge dag, echter, deze radicalen hopen zich op in de deeltjes en verbruiken daar binnen enkele seconden alle beschikbare zuurstof. En dit komt door de viscositeit:fijnstof kan vast zijn als steen of vloeibaar als water, maar afhankelijk van de temperatuur en vochtigheid, het kan ook halfvloeibaar zijn, zoals siroop, gedroogde kauwgom, of Zwitserse kruiden keeldruppels. "Deze toestand van het deeltje, we hebben gevonden, zorgt ervoor dat radicalen gevangen blijven in het deeltje, ", zegt Alpert. En er kan geen extra zuurstof van buiten naar binnen.

Het is vooral zorgwekkend dat de hoogste concentraties ROS en radicalen worden gevormd door de interactie van ijzer en organische verbindingen onder alledaagse weersomstandigheden:met een gemiddelde van minder dan 60 procent en temperaturen rond de 20 graden C. ook typische omstandigheden voor binnenruimtes. "Vroeger dacht men dat ROS zich alleen in de lucht vormt - of helemaal niet - wanneer de fijne stofdeeltjes relatief zeldzame verbindingen bevatten zoals chinonen, " zegt Alpert. Dit zijn geoxideerde fenolen die voorkomen, bijvoorbeeld, in de pigmenten van planten en schimmels. Recent is duidelijk geworden dat er veel andere ROS-bronnen zijn in fijn stof. "Zoals we nu hebben vastgesteld, deze bekende radicale bronnen kunnen onder volkomen normale alledaagse omstandigheden aanzienlijk worden versterkt." Ongeveer elk twintigste deeltje is organisch en bevat ijzer.

Maar dat is niet alles:"Dezelfde fotochemische reacties vinden waarschijnlijk ook plaats in andere fijne stofdeeltjes, ", zegt onderzoeksgroepleider Markus Ammann. "We vermoeden zelfs dat bijna alle zwevende deeltjes in de lucht op deze manier extra radicalen vormen, " voegt Alpert toe. "Als dit wordt bevestigd in verdere studies, we moeten onze modellen en kritische waarden met betrekking tot luchtkwaliteit dringend aanpassen. 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, virussen, 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.