Исследователи PSI Института Пауля Шеррера нашли фотохимические процессы внутри мельчайших частиц РМ2.5 в воздухе. При этом они обнаружили, что в этих аэрозолях в повседневности образуются дополнительные кислородные радикалы, которые могут быть вредными для здоровья человека.

Хорошо известно, что взвешенные в воздухе твердые частицы РМ2.5 могут представлять опасность для здоровья человека. Частицы с максимальным диаметром десять микрометров могут проникать глубоко в ткань легких и оседать там. Они содержат активные формы кислорода, называемых кислородными радикалами, которые могут повредить клетки легких. Чем больше частиц находится в воздухе, тем выше риск.

Из предыдущих исследований известно, что свободные радикалы образуются в организме человека, когда частицы растворяются в поверхностной жидкости дыхательных путей. Твердые частицы обычно содержат химические компоненты, например, металлы, такие как медь и железо, а также определенные органические соединения. Они обмениваются атомами кислорода с другими молекулами, и образуются высокореактивные соединения — такие, как перекись водорода (H₂O₂), гидроксил (HO) и гидропероксил (HO₂), которые вызывают так называемый окислительный стресс. Например, они атакуют ненасыщенные жирные кислоты в организме, которые больше не могут служить строительными блоками для клеток. К таким процессам врачи относят пневмонию, астму и другие респираторные заболевания. Может быть спровоцирован даже рак, поскольку свободные радикалы также могут повредить ДНК генетического материала.

Благодаря яркому рентгеновскому свету от швейцарского источника света SLS ученые смогли не только рассматривать такие частицы по отдельности с разрешением менее одного микрометра, но даже заглянули внутрь частиц, пока внутри них протекают реакции. Для этого они также использовали новый тип ячейки, в которой можно моделировать самые разные атмосферные условия окружающей среды. Он может точно регулировать температуру, влажность и воздействие газов и имеет ультрафиолетовый светодиодный источник света, который заменяет солнечное излучение.

Исследователи изучили частицы, содержащие органические компоненты и железо. Железо поступает из природных источников, таких как пустынная пыль и вулканический пепел, но также содержится в выбросах от промышленности и транспорта. Органические компоненты поступают как из естественных, так и из антропогенных источников. В атмосфере эти компоненты объединяются с образованием комплексов железа, которые затем реагируют на так называемые радикалы при воздействии солнечного света. Они, в свою очередь, связывают весь доступный кислород и, таким образом, производят свободные радикалы.

Обычно во влажный день большая часть свободные радикалы диффундирует из частиц в воздух. В этом случае больше не будет дополнительной опасности, если мы вдыхаем частицы, которые содержат меньше свободных радикалов. Однако в сухой день эти радикалы накапливаются внутри частиц и потребляют весь доступный кислород за секунды. И это из-за вязкости: твердые частицы могут быть твердыми, как камень, или жидкими, как вода, но в зависимости от температуры и влажности они также могут быть полужидкими.

Особенно тревожно то, что самые высокие концентрации свободных радикалов образуются в результате взаимодействия железа и органических соединений в повседневных погодных условиях: в среднем ниже 60% и температурах около 20 градусов Цельсия, что также типично для внутренних помещений.

«Раньше считалось, что свободные радикалы образуются в воздухе, если вообще образуются, когда мелкие частицы пыли содержат сравнительно редкие соединения, такие как хиноны. Это окисленные фенолы, которые присутствуют, например, в пигментах растений и грибов. Недавно стало ясно, что есть много других источников свободных радикалов в твердых частицах. Как мы теперь определили, эти известные радикальные источники могут быть значительно усилены в совершенно нормальных повседневных условиях. Примерно каждая двадцатая частица является органической и содержит железо», – Питер Аарон Альперт, исследователь PSI Института Пауля Шеррера.

Те же фотохимические реакции, вероятно, имеют место и в других мелких частицах пыли. Ученые подозревают, что почти все взвешенные частицы в воздухе таким образом образуют дополнительные радикалы. Если это подтвердится в ходе дальнейших исследований, то исследователям срочно необходимо адаптировать модели и критические значения в отношении качества воздуха. Эта находка может быть дополнительным фактором, который поможет объяснить, почему у стольких людей возникают респираторные заболевания или рак без какой-либо конкретной причины.

В любом случае, у свободных радикалов есть одна положительная сторона, как также предполагает исследование: они атакуют бактерии, вирусы и другие патогены, присутствующие в аэрозолях, и делают их безвредными. Эта связь может объяснить, почему вирус SARS-CoV-2 имеет самое короткое время выживания на воздухе при комнатной температуре и средней влажности.