Твердые частицы в воздухе опаснее, чем считалось ранее

Исследователи из Института Пауля Шеррера впервые наблюдали фотохимические процессы внутри мельчайших частиц в воздухе. Они обнаружили, что в этих аэрозолях при обычных условиях образуются дополнительные кислородные радикалы, вредные для здоровья человека. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Известно, что взвешенные частицы (PM) опасны для здоровья, проникая глубоко в лёгочную ткань. Они содержат активные формы кислорода (АФК), или кислородные радикалы, которые повреждают клетки лёгких. Источниками частиц являются как природные (леса, вулканы), так и антропогенные (заводы, транспорт) факторы. Новое исследование показало, что опасные радикалы могут образовываться внутри самих частиц в атмосфере, а не только в организме человека после вдыхания.

Это открытие важно, поскольку ранее считалось, что основная часть АФК образуется в жидкости дыхательных путей при растворении частиц, содержащих металлы (медь, железо) и органические соединения. Эти АФК, такие как перекись водорода (H₂O₂) и гидроксильный радикал (HO·), вызывают окислительный стресс, связывают с развитием астмы, пневмонии, других респираторных заболеваний и даже рака. Теперь же доказано, что значительное количество АФК уже присутствует в частицах, которые мы вдыхаем.

Используя уникальную комбинацию методов на источнике синхротронного излучения Swiss Light Source, учёные впервые смогли в реальном времени наблюдать реакции внутри отдельных частиц размером менее микрометра. Они моделировали различные атмосферные условия (температуру, влажность, УФ-излучение) в специальной ячейке. Исследовались частицы, содержащие органические компоненты и железо (из природной пыли и промышленных выбросов).

Ключевой вывод: при обычных условиях (температура около 20 °C и влажность ниже 60%) внутри частиц образуются комплексы железа, которые под действием солнечного света генерируют радикалы. Эти радикалы связывают весь доступный кислород внутри частицы, производя АФК. В сухую погоду высокая вязкость частицы (состояние, похожее на сироп) удерживает радикалы внутри, не позволяя кислороду проникнуть извне. Это приводит к накоплению опасных соединений. Такие условия типичны и для многих помещений.

«Раньше думали, что АФК в воздухе образуются, только если частицы содержат редкие соединения, например, хиноны. Теперь мы видим, что известные источники радикалов могут значительно усиливаться при совершенно обычных условиях», — поясняет первый автор работы Питер Аарон Алперт. Примерно каждая двадцатая частица содержит органику и железо.

Исследователи предполагают, что аналогичные фотохимические реакции могут происходить почти во всех взвешенных частицах. «Если это подтвердится, нам срочно нужно пересмотреть модели и критические значения качества воздуха. Возможно, мы нашли дополнительный фактор, объясняющий, почему так много людей заболевают респираторными болезнями или раком без видимой причины», — добавляет Алперт. При этом АФК могут иметь и положительный эффект, атакуя в аэрозолях бактерии и вирусы, включая SARS-CoV-2, что объясняет его краткое время выживания в воздухе при средней влажности.