Även om avgasutsläppen kan minska under de kommande åren när fler nollutsläppsfordon kör ut på gatorna, en viktig källa till luftföroreningar från motorvägar visar inga tecken på att avta:broms- och däckdamm.

Metaller från bromsar och andra bilsystem släpps ut i luften som fina partiklar, dröjer sig kvar över trafikerade vägar. Nu, forskare vid Georgia Institute of Technology har visat hur det där molnet av små metallpartiklar kan orsaka förödelse för andningshälsan.

I en studie publicerad 31 januari i tidskriften Miljövetenskap och teknik , forskarna beskrev hur fordonsutsända metaller som koppar, järn och mangan interagerar med sura sulfatrika partiklar som redan finns i luften för att producera en giftig aerosol.

"Det händer en kedjereaktion i luften ovanför trafikerade motorvägar, sa Rodney Weber, professor vid Georgia Techs School of Earth &Atmospheric Sciences. "Surt sulfat i atmosfären kommer i kontakt med de metaller som släpps ut från trafiken och ändrar deras löslighet, vilket gör dem mer benägna att orsaka oxidativ stress när de andas in."

Studien, som sponsrades av National Science Foundation och U.S. Environmental Protection Agency, visade hur metallerna emitteras huvudsakligen i olöslig form men långsamt blir lösliga efter blandning med sulfat.

"Sulfat har länge förknippats med negativa hälsoeffekter, sade Athanasios Nenes, en professor och Georgia Power Scholar vid School of Earth &Atmospheric Sciences och School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Den gamla hypotesen var att det sura sulfatet bränner din lungslemhinna, vilket i sin tur leder till de dåliga hälsoeffekterna. Men det finns inte tillräckligt med syra i luften ensam för att verkligen ha den effekten."

Men sulfat spelar en nyckelroll för att göra metaller lösliga innan de andas in, vilket kan förklara sambandet mellan sulfat och negativa hälsoeffekter, sa forskarna.

Forskarna samlade in prover av omgivande partiklar på två platser i Atlanta - en nära en större mellanstatlig motorväg och en annan urban plats 420 meter från vägbanan. De analyserade det kemiska innehållet, provernas storleksfördelning och surhet.

En betydande mängd av det omgivande sulfatet som hittades var i storlek liknande metallpartiklarna, vilket tyder på att det omgivande sulfatet och metallerna blandades i enskilda partiklar, vilket under timmar eller dagar skulle tillåta det sura sulfatet att omvandla metallen till en löslig form.

För att kvantifiera hur farlig aerosolen kan vara, forskarna utvecklade ett analytiskt system med hög genomströmning för en kemisk analys - kallad oxidativ potential - som simulerar det toxiska svaret som en sådan blandning skulle ha på cellulära organismer. Detta instrument användes för att generera stora datamängder om omgivande aerosoloxidativ potential, som när den användes i en tidigare epidemiologisk studie, forskare vid Georgia Tech och Emory University fann att den kemiska analysen statistiskt sett var associerad med sjukhusinläggningar i Atlanta för astma och väsande andning.

I den nya studien, forskarna observerade att den maximala toxiciteten som indikerades av analysen var nära korrelerad till de partiklar som innehöll den största mängden lösliga metaller, vilket inträffade endast när metallpartiklar blandas med mycket surt sulfat.

"Det där är den rykande pistolen, " sade Nenes. "Sulfatet löser i huvudsak dessa metaller; när du andas in dessa partiklar, metallerna kan absorberas direkt i blodomloppet och orsaka problem i hela kroppen. För första gången, en mekanism uppstår för att förklara varför små mängder surt sulfat kan påverka hälsan negativt."

Medan provet som togs från testplatsen som ligger längre bort från motorvägen hade mindre partikelformig metall, det fanns fortfarande tillräckligt för att orsaka en ökning av den oxidativa potentialen, visar att vägföroreningar kan färdas genom luften och potentiellt orsaka problem även i omgivande områden.

Damm från bromsar och däck är inte den enda källan till metaller i luften. Förbränningsugnar och andra former av förbränning producerar också mineraldamm och metallpartiklar, som kan blandas med sulfat för att utlösa en liknande reaktion.

Forskarna noterade att även om mängden partikelsulfat i sydöstra USA har minskat under de senaste 15 åren eftersom svaveldioxidutsläppen från kraftverk har minskat, det finns fortfarande tillräckligt med surt sulfat i luften för att hålla partiklarnas pH mycket lågt, i intervallet 0 till 2, omvandling av olösliga omgivande metaller till en löslig form.

"Fordons avgasutsläpp minskar, men den här typen av utsläpp från bromsning kommer att finnas kvar till viss del, även om du kör elbil, " sa Weber. "Därför, den här typen av process kommer att fortsätta spela i framtiden och kommer att vara en viktig faktor när vi tittar på hälsoeffekterna av partiklar."

Detta material är baserat på arbete som stöds av National Science Foundation under anslag nr 1360730 och U.S. Environmental Protection Agency under anslag nr RD834799. Några åsikter, fynd, och slutsatser eller rekommendationer som uttrycks i detta material är författarnas och återspeglar inte nödvändigtvis åsikterna från National Science Foundation eller U.S. Environmental Protection Agency.