Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har för första gången observerat fotokemiska processer inuti de minsta partiklarna i luften. Genom att göra så, de upptäckte att ytterligare syreradikaler som kan vara skadliga för människors hälsa bildas i dessa aerosoler under vardagliga förhållanden. De rapporterar om sina resultat i dag i tidskriften Naturkommunikation .

Det är välkänt att luftburna partiklar kan utgöra en fara för människors hälsa. Partiklarna, med en maximal diameter på tio mikrometer, kan tränga djupt in i lungvävnaden och bosätta sig där. De innehåller reaktiva syreämnen (ROS), även kallade syreradikaler, som kan skada cellerna i lungorna. Ju fler partiklar det svävar i luften, ju högre risk. Partiklarna kommer in i luften från naturliga källor som skogar eller vulkaner. Men mänskliga aktiviteter, till exempel i fabriker och trafik, multiplicera mängden så att koncentrationerna når en kritisk nivå. Partiklarnas potential att föra in syreradikaler i lungorna, eller för att generera dem där, har redan undersökts för olika källor. Nu har PSI-forskarna fått viktiga nya insikter.

Från tidigare forskning är det känt att vissa ROS bildas i människokroppen när partiklar löses upp i ytvätskan i luftvägarna. Partiklar innehåller vanligtvis kemiska komponenter, till exempel metaller som koppar och järn, samt vissa organiska föreningar. Dessa utbyter syreatomer med andra molekyler, och högreaktiva föreningar skapas, såsom väteperoxid (H2O2), hydroxyl (HO), och hydroperoxyl (HO2), som orsakar så kallad oxidativ stress. Till exempel, de angriper de omättade fettsyrorna i kroppen, som då inte längre kan fungera som byggstenar för cellerna. Läkare tillskriver lunginflammation, astma, och olika andra luftvägssjukdomar till sådana processer. Till och med cancer kan utlösas, eftersom ROS också kan skada arvsmaterialet DNA.

Nya insikter tack vare en unik kombination av enheter

Det har varit känt sedan en tid tillbaka att vissa reaktiva syreämnen redan finns i partiklar i atmosfären, och att de kommer in i vår kropp som så kallade exogena ROS via luften vi andas, utan att behöva bilda sig där först. Som det nu visar sig, forskare hade ännu inte tittat tillräckligt noga:"Tidigare studier har analyserat partiklarna med masspektrometrar för att se vad det består av, " förklarar Peter Aaron Alpert, första författaren till den nya PSI-studien. "Men det ger dig ingen information om strukturen hos de enskilda partiklarna och vad som händer inuti dem."

Alpert, i kontrast, använde de möjligheter som PSI erbjuder för att ta en mer exakt titt:"Med det briljanta röntgenljuset från Swiss Light Source SLS, vi kunde inte bara se sådana partiklar individuellt med en upplösning på mindre än en mikrometer, men till och med att titta in i partiklar medan reaktioner ägde rum inuti dem." För att göra detta, han använde också en ny typ av cell utvecklad vid PSI, där en mängd olika atmosfäriska miljöförhållanden kan simuleras. Den kan reglera temperaturen exakt, fuktighet, och gasexponering, och har en ultraviolett LED-ljuskälla som står för solstrålning. "I kombination med högupplöst röntgenmikroskopi, den här cellen finns bara en plats i världen, " säger Alpert. Studien skulle därför bara ha varit möjlig vid PSI. Han arbetade nära med chefen för Surface Chemistry Research Group vid PSI, Markus Ammann. Han fick också stöd från forskare som arbetar med atmosfärskemisterna Ulrich Krieger och Thomas Peter vid ETH Zürich, där ytterligare experiment utfördes med suspenderade partiklar, samt experter som arbetar med Hartmut Hermann från Leibniz Institute for Tropospheric Research i Leipzig.

Hur farliga föreningar bildas

Forskarna undersökte partiklar som innehåller organiska komponenter och järn. Järnet kommer från naturliga källor som ökendamm och vulkanisk aska, men det ingår också i utsläpp från industri och trafik. De organiska komponenterna kommer likaledes från både naturliga och antropogena källor. I atmosfären, dessa komponenter kombineras för att bilda järnkomplex, som sedan reagerar på så kallade radikaler när de utsätts för solljus. Dessa binder i sin tur allt tillgängligt syre och producerar därmed ROS.

I vanliga fall, på en fuktig dag, en stor del av dessa ROS skulle diffundera från partiklarna till luften. I så fall utgör det inte längre någon ytterligare fara om vi andas in partiklarna, som innehåller färre ROS. En torr dag, dock, dessa radikaler ackumuleras inuti partiklarna och förbrukar allt tillgängligt syre där inom några sekunder. Och detta beror på viskositeten:Partiklar kan vara fasta som sten eller flytande som vatten - men beroende på temperatur och luftfuktighet, det kan också vara halvflytande som sirap, torkat tuggummi, eller schweiziska växtbaserade halsdroppar. "Detta tillstånd av partikeln, vi hittade, säkerställer att radikaler förblir fångade i partikeln, " säger Alpert. Och inget extra syre kan komma in från utsidan.

Det är särskilt alarmerande att de högsta koncentrationerna av ROS och radikaler bildas genom interaktionen av järn och organiska föreningar under vardagliga väderförhållanden:med ett genomsnitt under 60 procent och temperaturer runt 20 grader C. även typiska förhållanden för inomhusrum. "Förr trodde man att ROS bara bildas i luften - om alls - när de fina dammpartiklarna innehåller jämförelsevis sällsynta föreningar som kinoner, " säger Alpert. Dessa är oxiderade fenoler som förekommer, till exempel, i pigmenten hos växter och svampar. Det har nyligen blivit klart att det finns många andra ROS-källor i partiklar. "Som vi nu har bestämt, dessa kända radikala källor kan förstärkas avsevärt under helt normala vardagliga förhållanden." Omkring var tjugonde partikel är organisk och innehåller järn.

Men det är inte allt:"Samma fotokemiska reaktioner äger sannolikt rum även i andra fina dammpartiklar, " säger forskargruppsledare Markus Ammann. "Vi misstänker till och med att nästan alla suspenderade partiklar i luften bildar ytterligare radikaler på detta sätt, ", tillägger Alpert. "Om detta bekräftas i ytterligare studier, vi behöver snarast anpassa våra modeller och kritiska värden med avseende på 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, virus, 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.