Ludzie zazwyczaj spędzają 90 procent swojego życia w domu, w pracy lub w transporcie. W tych zamkniętych przestrzeniach mieszkańcy są narażeni na wiele chemikaliów z różnych źródeł, w tym zanieczyszczenia zewnętrzne przenikające do wnętrz, emisje gazowe z materiałów budowlanych i wyposażenia oraz produkty naszej własnej działalności, takie jak gotowanie i sprzątanie. Ponadto sami jesteśmy silnymi mobilnymi źródłami emisji chemikaliów, które dostają się do powietrza w pomieszczeniach z naszego oddechu i skóry.
Ale jak chemikalia ponownie znikają? W atmosferze na zewnątrz dzieje się to w pewnym stopniu samoistnie, gdy pada deszcz i poprzez utlenianie chemiczne. Za to chemiczne oczyszczanie w dużej mierze odpowiadają rodniki hydroksylowe (OH). Te bardzo reaktywne cząsteczki są również nazywane detergentami atmosfery i powstają głównie, gdy światło UV ze słońca wchodzi w interakcję z ozonem i parą wodną.
Z drugiej strony w pomieszczeniach powietrze jest oczywiście znacznie mniej narażone na bezpośrednie działanie promieni słonecznych i deszczu. Ponieważ promienie UV są w dużej mierze filtrowane przez szklane okna, powszechnie zakłada się, że stężenie rodników OH w pomieszczeniach jest znacznie niższe niż na zewnątrz, a ozon wyciekający z zewnątrz jest głównym utleniaczem zanieczyszczeń chemicznych znajdujących się w powietrzu.
Rodniki OH powstają z ozonu i olejków skórnych
Jednak teraz odkryto, że wysokie poziomy rodników OH mogą być generowane w pomieszczeniach, po prostu z powodu obecności ludzi i ozonu. Wykazał to zespół prowadzony przez Instytut Chemii im. Maxa Plancka we współpracy z naukowcami z USA i Danii.
„Odkrycie, że my, ludzie, jesteśmy nie tylko źródłem reaktywnych substancji chemicznych, ale także sami jesteśmy w stanie je przekształcać, było dla nas bardzo zaskakujące” – mówi Nora Zannoni, pierwsza autorka badania opublikowanego w czasopiśmie naukowym Science, a teraz w Instytucie Nauk o Atmosfery i Klimatu w Bolonii we Włoszech. „Siła i kształt pola utleniania zależy od ilości ozonu, miejsca jego infiltracji i konfiguracji wentylacji przestrzeni wewnętrznej” – dodaje naukowiec z zespołu Jonathana Williamsa. Poziomy, które odkryli naukowcy, były nawet porównywalne z poziomami stężeń OH w ciągu dnia.
Pole oksydacyjne powstaje w wyniku reakcji ozonu z olejami i tłuszczami na naszej skórze, zwłaszcza z nienasyconym triterpenowym skwalenem, który stanowi około 10 procent lipidów skóry, które chronią naszą skórę i zapewniają jej elastyczność. Reakcja uwalnia wiele substancji chemicznych w fazie gazowej zawierających wiązania podwójne, które dalej reagują w powietrzu z ozonem, generując znaczne ilości rodników OH. Te produkty degradacji skwalenu zostały indywidualnie scharakteryzowane i ocenione ilościowo przy użyciu spektrometrii masowej reakcji przeniesienia protonu i systemów szybkiej chromatografii gazowej i spektrometrii masowej. Ponadto, równolegle wyznaczono całkowitą reaktywność OH, umożliwiając empiryczne określenie ilościowe poziomów OH.
Eksperymenty przeprowadzono na Politechnice Duńskiej (DTU) w Kopenhadze. Cztery osoby testowane przebywały w specjalnej komorze klimatycznej w znormalizowanych warunkach. Do dopływu powietrza do komory dodawano ozon w ilości nieszkodliwej dla człowieka, ale reprezentatywnej dla wyższych poziomów w pomieszczeniach. Zespół określił wartości OH przed i podczas pobytu ochotników zarówno z, jak i bez ozonu.
Aby zrozumieć, jak generowane przez człowieka pole OH wyglądało w czasie i przestrzeni podczas eksperymentów, wyniki szczegółowego, wielofazowego chemicznego modelu kinetycznego z Uniwersytetu Kalifornijskiego połączono z modelem obliczeniowej dynamiki płynów z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii. z siedzibą w USA. Po walidacji modeli z wynikami eksperymentów zespół ds. modelowania zbadał, w jaki sposób generowane przez człowieka pole OH zmieniało się w różnych warunkach wentylacji i ozonu, poza tymi testowanymi w laboratorium. Z wyników jasno wynikało, że rodniki OH były obecne, liczne i tworzyły silne gradienty przestrzenne.
„Nasz zespół modelujący jest pierwszą i obecnie jedyną grupą, która może zintegrować procesy chemiczne między skórą a powietrzem w pomieszczeniach, od skali molekularnej po skalę pokojową” – powiedział Manabu Shiraiwa, profesor na UC Irvine, który kierował modelowaniem części nowej pracy. . „Model ma sens w pomiarach – dlaczego OH jest generowane z reakcji ze skórą”.
Shiraiwa dodał, że pozostają pytania bez odpowiedzi, takie jak sposób, w jaki poziom wilgotności wpływa na reakcje śledzone przez zespół. „Myślę, że to badanie otwiera nową drogę do badań powietrza w pomieszczeniach” – powiedział.
Dostosuj metody testowania mebli i materiałów budowlanych
„Musimy przemyśleć chemię w pomieszczeniach, w których przebywamy, ponieważ pole utleniania, które tworzymy, przekształci wiele chemikaliów w naszym bezpośrednim sąsiedztwie. OH może utleniać znacznie więcej gatunków niż ozon, tworząc wiele produktów bezpośrednio w naszej strefie oddychania wpływ na zdrowie”. To pole utleniania wpłynie również na sygnały chemiczne, które emitujemy i odbieramy” – mówi kierownik projektu Jonathan Williams – „i prawdopodobnie pomoże wyjaśnić niedawne odkrycie, że nasz zmysł węchu jest ogólnie bardziej wrażliwy na cząsteczki, które szybciej reagują z OH”.
Nowe odkrycie ma również wpływ na nasze zdrowie: Obecnie emisje chemiczne wielu materiałów i mebli są testowane oddzielnie przed dopuszczeniem ich do sprzedaży. Jednak wskazane byłoby również przeprowadzenie testów w obecności ludzi i ozonu – mówi chemik atmosfery Williams. Dzieje się tak, ponieważ procesy utleniania mogą prowadzić do powstawania czynników drażniących drogi oddechowe, takich jak 4-oksopentanal (4-OPA) i inne utlenione rodniki OH oraz małe cząsteczki w bezpośrednim sąsiedztwie dróg oddechowych. Mogą one mieć niekorzystne skutki, zwłaszcza u dzieci i osób niedołężnych.
Odkrycia te stanowią część projektu ICHEAR (Indoor Chemical Human Emissions and Reactivity Project), który zgromadził grupę współpracujących międzynarodowych naukowców z Danii (DTU), USA (Rutgers University) i Niemiec (MPI). Modelowanie było częścią projektu MOCCIE prowadzonego na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine i Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii. Oba projekty zostały sfinansowane z grantów fundacji AP Sloan.