空气传播的颗粒比以前思想更危险 - 可以引发肺炎,哮喘,甚至癌症

空气污染咳嗽概念

Paul Scherrer研究所PSI的研究人员首次观察到空气中最小粒子内部的光化学过程。在此过程中,他们发现日常条件下这些气溶胶中会形成额外的对人体健康有害的氧自由基。他们今天(2021年3月19日)在该杂志上报告了他们的结果自然传播.

众所周知,空气颗粒物质可能对人体健康构成危险。最大直径为10微米的颗粒可以深入肺组织并在那里沉淀。它们含有反应性氧物质(ROS),也称为氧自由基,这可能会损害肺部的细胞。在空气中漂浮的颗粒越多,风险越高。颗粒从森林或火山等自然来源进入空气。但是人类活动,例如在工厂和流量中,乘以金额,使得浓度达到临界水平。颗粒物质将氧气自由基带入肺部或在那里产生它们,已经研究了各种来源。现在PSI研究人员获得了重要的新见解。

从先前的研究中,众所周知,当颗粒溶解在呼吸道的表面流体中时,在人体中形成​​一些ROS。颗粒物质通常含有化学成分,例如金属,例如铜和铁,以及某些有机化合物。将这些与其他分子的交换氧原子和高反应性化合物产生,例如过氧化氢(H 2 O 2),羟(HO)和氢过氧基(HO2),其导致所谓的氧化应激。例如,它们攻击体内的不饱和脂肪酸,然后不能再作为细胞的构建块。医生将肺炎,哮喘和各种其他呼吸系统患者属于此类过程。甚至可以触发癌症,因为ROS也可能损害遗传物质DNA.

全新的见解得益于独特的设备组合

一段时间以来,人们已经知道,某些活性氧物种已经存在于大气颗粒物中,它们通过我们呼吸的空气进入我们的身体,而不必首先在那里形成所谓的外源性活性氧。正如现在所证明的,科学家们还没有足够仔细地观察:“以前的研究已经用质谱仪分析了颗粒物,以了解其组成,”新PSI研究的第一作者Peter Aaron Alpert解释道。“但这并没有给你任何关于单个粒子的结构以及它们内部发生了什么的信息。”

Markus Ammann.

马库斯·安曼(Markus Ammann)在一台用于进行细粉尘测试的设备上。信贷:保罗·舍勒研究所/马库斯·菲舍尔

相反,阿尔珀特利用PSI提供的可能性来进行更精确的观察:“通过瑞士光源发出的灿烂的x射线SLS,我们不仅能够以小于一微米的分辨率单独观察这些粒子,甚至能够在粒子内部发生反应时观察粒子。”为此,他还使用了PSI开发的一种新型电池,可以模拟各种大气环境条件。它可以精确调节温度、湿度和气体暴露,并且有一个紫外LED光源,可以代替太阳辐射。“结合高分辨率X射线显微镜,这个细胞在世界上只存在一个地方,”阿尔伯特说。因此,该研究只有在PSI时才可能进行。他与PSI表面化学研究小组组长Markus Ammann密切合作。他还得到了苏黎世ETH大气化学家乌尔里希·克里格(Ulrich Krieger)和托马斯·彼得(Thomas Peter)的研究人员以及莱比锡莱布尼茨对流层研究所哈特穆特·赫尔曼(Hartmut Hermann)专家的支持,他们在苏黎世ETH对悬浮粒子进行了额外的实验。yabovip2021

如何形成危险的化合物

研究人员检查了含有有机成分和铁的颗粒。铁来自沙漠灰尘和火山灰等自然来源,但它也包含在工业和交通排放中。有机成分同样来自自然和人为来源。在大气中,这些成分结合形成铁络合物,当暴露在阳光下时,铁络合物会与所谓的自由基发生反应。它们反过来结合所有可用的氧,从而产生ROS。

彼得·阿尔伯特

Peter Aaron Alpert分析了空气中最好的颗粒中的过程。有害物质已经在大气中形成,而不仅仅是在人体中。信贷:Paul Scherrer Institute / Markus Fischer

通常,在潮湿的日子里,这些活性氧的很大一部分会从颗粒物扩散到空气中。在这种情况下,如果我们吸入含有较少活性氧的颗粒物,就不再构成额外的危险。然而,在干燥的日子里,这些自由基会在粒子内部积聚,并在几秒钟内消耗掉所有可用的氧气。这是由于粘性:颗粒物质可以是石头一样的固体,也可以是水一样的液体——但取决于温度和湿度,它也可以是半流体,如糖浆、干口香糖或瑞士草药滴剂。“我们发现,粒子的这种状态确保了自由基仍然被困在粒子中,”阿尔伯特说。没有额外的氧气可以从外面进入。

尤其令人震惊的是,通过在日常天气条件下的铁和有机化合物的相互作用的相互作用来形成最高浓度的ROS和激进的:平均低于60%,温度约为20℃,也是室内房间的典型条件。“曾经认为只有在空气中只形成ROS - 如果有的话 - 当细尘颗粒含有相对稀有的化合物如醌时,”Alpert说。这些是氧化酚,例如,在植物和真菌的颜料中发生。最近明确表示颗粒物质中有许多其他ROS源。“正如我们现在所确定的那样,在完全正常的日常条件下,这些已知的根治源可以显着增强。”每一种二十颗粒都是有机的,含有铁。

但这并不是全部:“同样的光化学反应也可能发生在其他尘埃微粒中,”研究小组组长Markus Ammann说。阿尔伯特补充道:“我们甚至怀疑空气中几乎所有的悬浮颗粒都会以这种方式形成额外的自由基。”。“如果这一点在进一步的研究中得到证实,我们迫切需要调整我们关于空气质量的模型和临界值。我们可能已经在这里找到了另一个因素来帮助解释为什么这么多人在没有任何特定原因的情况下患上呼吸道疾病或癌症。”

研究还表明,活性氧至少有一个积极的一面——特别是在新冠肺炎大流行期间——它们还攻击气溶胶中的细菌、病毒和其他病原体,使其无害。这种联系可能解释了SARS-CoV-2病毒在室温和中等湿度的空气中存活时间最短。

参考文献:“由于缺氧缺陷症的缺陷气溶胶颗粒缺乏症”的参考文献A. Alpert,Jing Dou,Pablo Corral Arroyo,Frederic Sc​​hneider,Jacinta XTO,Beiping Luo,Thomas Peter,Thomas Huthwelker,Camelia N.Borca,Katja D.Henzler,Thomas Schaefer,Hartmut Herrmann,JörgRaabe,Benjamin Watts,Ulrich K. Krieger和Markus Ammann,2021年3月19日,自然传播.
内政部:10.1038/s41467-021-21913-x

1评论在“空气中的颗粒比以前思想更危险 - 可以引发肺炎,哮喘甚至癌症”

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