Wetenschappers van Virginia Tech hebben ontdekt dat ongelooflijk kleine deeltjes van een ongewoon en zeer giftig titaniumoxide dat wordt aangetroffen in kolensmog en as, longschade kunnen veroorzaken bij muizen na een enkele blootstelling, met langdurige schade in slechts zes weken.

De tests werden geleid door Irving Coy Allen, een professor aan het Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine, met medewerkers uit heel Virginia Tech en onderzoekers van de Universiteit van Colorado, de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill, Universiteit van Oost-Carolina, en East China Normal University in Shanghai. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Grenzen in de immunologie .

Ze volgen de bevindingen uit 2017 van Virginia Tech-geowetenschapper Michael Hochella dat het verbranden van steenkool - wanneer rook niet wordt opgevangen door hoogwaardige filters die momenteel worden aangetroffen in Amerikaanse energiecentrales - kleine deeltjes die bekend staan ​​als titaniumsuboxide-nanodeeltjes in de atmosfeer uitstoten. Dergelijke nanodeeltjes werden gevonden door Hochella's team van wetenschappers in as verzameld uit de straten van de stad, voetpaden, en in vijvers en baaien in de buurt van Amerikaanse en Chinese steden.

Met behulp van muismodellen in een laboratoriumomgeving, deze kleinste nanodeeltjes - zo klein als 100 miljoenste van een meter - kwamen de longen binnen nadat ze waren ingeademd. Eenmaal in de longen, de nanodeeltjes ontmoetten macrofagen, de verdedigingscellen van de longen die vreemde materialen vangen en verwijderen. Typisch, deze cellen beschermen de longen tegen ziekteverwekkers, zoals bacteriën en virussen. Maar tegen deze nanodeeltjes, de macrofagen haperen.

"Ze kunnen de titanium nanodeeltjes niet afbreken, dus de cellen beginnen af ​​te sterven, en dit proces werft meer macrofagen. Deze processen beginnen een feedbacklus waarbij elke ronde van stervende cellen zich concentreert rond de nanodeeltjes, " zei Allen, lid van het departement Biomedische Wetenschappen en Pathobiologie. "Het sterven, nanodeeltjesbevattende cellen beginnen dan afzettingen te maken in de longen en deze afzettingen veroorzaken problemen. We beginnen negatieve effecten op de longfunctie te zien, en in feite blijven de longen niet goed werken."

In wat Allen een "opvallende vondst noemt, " zijn team ontdekte negatieve effecten na slechts één blootstelling aan de giftige nanodeeltjes. Langdurige schade door de afzettingen kan in slechts zes weken optreden, zorgen voor sterk vervuilde steden. "We realiseerden ons dat als iemand in de buurt van een elektriciteitscentrale woont, of in de buurt van een van deze kolenverbrandingsbronnen, ze zouden niet worden blootgesteld aan een enkele dosis, ze zouden hier dagelijks aan worden blootgesteld, " zei hij. "We zagen ook geen longklaring na een week, dus als deze dingen in je longen zitten, blijven ze daar, en ze blijven daar voor een langere tijd."

Meer nog, beschadigde longen kunnen leiden tot een hogere gevoeligheid voor virussen of bacteriële infecties, en kan de symptomen verergeren die gepaard gaan met astma of chronische obstructieve longziekte (COPD).

Echter, de exacte effecten van deze giftige nanodeeltjes op de mens, andere dieren, vegetatie, en watersystemen zijn niet bekend en vereisen nader onderzoek door internationale onderzoekers, zei Allen.

"Muis en menselijke longen zijn functioneel vergelijkbaar, maar anatomisch verschillend op verschillende subtiele manieren, " voegde Allen toe. "Hoewel de onderzoeken in dit artikel vaak worden gebruikt om luchtwegaandoeningen bij mensen te modelleren, meer directe klinische gegevens zijn nodig om de menselijke impact van blootstelling aan deze nanodeeltjes volledig te begrijpen."

De titaniumsuboxide-nanodeeltjes - door onderzoekers Magnéli-fasen genoemd - werden ooit als zeldzaam beschouwd, gevonden op aarde in sommige meteorieten, uit een klein gebied van bepaalde rotsen in het westen van Groenland, en af ​​en toe in maanstenen. Echter, Hochella, in 2017 samen met andere onderzoekers, ontdekte dat deze nanodeeltjes in feite wereldwijd wijdverbreid zijn door de verbranding van steenkool.

Volgens de eerdere studie, gepubliceerd in Nature Communications, bijna alle steenkool bevat kleine hoeveelheden van de mineralen rutiel of anataas, beide "normaal, " natuurlijk voorkomend, en relatief inerte titaanoxiden. Maar wanneer verbrand, deze mineralen worden omgezet in titaniumsuboxide. De nanodeeltjes komen dan in de lucht als de energiecentrale niet is uitgerust met hightech deeltjesvangers, zoals die in de Verenigde Staten. Voor landen zonder strikte regelgeving, de nanodeeltjes kunnen plaatselijk in luchtstromen wegdrijven, regionaal, en zelfs wereldwijd, zei Hochella. (Hij voegde eraan toe dat de Verenigde Staten in de jaren twintig voor het eerst elektrostatische stofvangers op kolenstapels begonnen te gebruiken.)

Vroege biotoxiciteitsstudies door Hochella's groep met zebravisembryo's toonden tekenen van negatieve biologische impact van de nanodeeltjes, wijzen op mogelijke schade voor de mens. Nutsvoorzieningen, met deze studie, de kans op toxiciteit voor mensen is veel groter. "Het probleem met deze nanodeeltjes is dat er geen gemakkelijke of praktische manier is om hun vorming tijdens het verbranden van kolen te voorkomen, " zei Hochella, Universitair Distinguished Professor Emeritus of Geosciences aan het Virginia Tech College of Science, na de release van de eerdere studie twee jaar geleden.

Hochella en zijn team kwamen vrij per ongeluk de titaniumsuboxide-nanodeeltjes tegen tijdens het bestuderen van de stroomafwaartse beweging van een kolenaslozing in 2014 in de Dan River in North Carolina. De groep produceerde later dezelfde titaniumsuboxide-nanodeeltjes bij het verbranden van steenkool in laboratoriumsimulaties. Dit potentiële gevaar voor de gezondheid bouwt voort op gevestigde bevindingen van de Wereldgezondheidsorganisatie:meer dan 3,3 miljoen vroegtijdige sterfgevallen wereldwijd per jaar als gevolg van vervuilde lucht, en alleen in China, Jaarlijks worden 1,6 miljoen voortijdige sterfgevallen geschat als gevolg van cardiovasculaire en respiratoire verwondingen door luchtvervuiling.

Dit roept meerdere vragen op:worden de nanodeeltjes op andere manieren door het lichaam opgenomen, zoals contact met ogen of huid? Kunnen ze hun weg vinden naar de vegetatie - inclusief voedsel - via de bodem? Als, wat zijn de gevolgen voor het maagdarmkanaal? Zijn ze aanwezig in drinkwater? Als een muis na zes weken langdurige schade ondervindt, wat stelt dat voor mensen die de lucht inademen?

Allen dringt erop aan dat testen overgaat op mensgerichte studies.

"We hebben een unieke verontreinigende stof in het milieu geïdentificeerd, en we hebben aangetoond dat er een mogelijk gezondheidsrisico is voor mensen, dus dat geeft ons een biomarker die we beter kunnen volgen, " zei hij. "We zouden deze deeltjes nauwkeuriger moeten gaan bekijken naarmate we ons meer bewust worden van de gevaren die deze nanodeeltjes vormen. Dat zijn vragen die gesteld moeten worden."

dat pad, hoewel duidelijk, misschien niet zo eenvoudig, ethisch of politiek. Wetenschappers kunnen menselijke proefpersonen niet blootstellen aan kolensmog of as en de giftige nanodeeltjes. Daarom, een waarschijnlijk scenario:wetenschappers zouden deze deeltjes kunnen bestuderen in menselijk longweefsel van longbiopten en klinische monsters. Echter, veel clinici hebben in veel van de landen met het meeste risico terughoudend om aan deze inspanning deel te nemen. Allen zei dat een van de redenen de gevoeligheid kan zijn die deze landen hebben voor problemen met de luchtkwaliteit.