Raumluftchemie neu denken

Menschen verbringen in der Regel 90 % ihres Lebens in Innenräumen, zu Hause, bei der Arbeit oder in Verkehrsmitteln. Innerhalb dieser geschlossenen Räume sind die Bewohner einer Vielzahl von Chemikalien aus verschiedenen Quellen ausgesetzt, darunter Schadstoffe von außen, die in die Innenräume eindringen, gasförmige Emissionen von Baumaterialien und Einrichtungsgegenständen sowie Produkte unserer eigenen Aktivitäten wie Kochen und Reinigen. Außerdem sind wir selbst potente mobile Emissionsquellen von Chemikalien, die über unseren Atem und unsere Haut in die Raumluft gelangen.

Doch wie verschwinden die Chemikalien wieder? In der Atmosphäre im Freien geschieht dies gewissermaßen von selbst, bei Regen und durch chemische Oxidation. Hydroxyl (OH)-Radikale sind maßgeblich für diese chemische Reinigung verantwortlich. Diese sehr reaktiven Moleküle werden auch als Reinigungsmittel der Atmosphäre bezeichnet und entstehen hauptsächlich, wenn UV-Licht der Sonne mit Ozon und Wasserdampf interagiert.

In Innenräumen hingegen wird die Luft natürlich weit weniger von direkter Sonneneinstrahlung und Regen beeinflusst. Da UV-Strahlen durch Glasfenster weitgehend herausgefiltert werden, wurde allgemein angenommen, dass die Konzentration von OH-Radikalen in Innenräumen wesentlich geringer ist als im Freien und dass Ozon, das von außen eindringt, das Hauptoxidationsmittel für chemische Schadstoffe in der Luft in Innenräumen ist.

OH-Radikale entstehen aus Ozon und Hautfetten

Jetzt wurde jedoch entdeckt, dass in Innenräumen allein aufgrund der Anwesenheit von Menschen und Ozon hohe Konzentrationen an OH-Radikalen erzeugt werden können. Das hat ein Team unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Chemie in Zusammenarbeit mit Forschern aus den USA und Dänemark gezeigt.

„Die Entdeckung, dass wir Menschen nicht nur eine Quelle reaktiver Chemikalien sind, sondern diese Chemikalien auch selbst umwandeln können, war für uns sehr überraschend“, sagt Nora Zannoni, Erstautorin der in veröffentlichten Studie Wissenschaft, und jetzt am Institut für Atmosphärenwissenschaften und Klima in Bologna, Italien. „Stärke und Form des Oxidationsfeldes werden davon bestimmt, wie viel Ozon vorhanden ist, wo es eindringt und wie die Belüftung des Innenraums konfiguriert ist“, ergänzt der Wissenschaftler aus dem Team von Jonathan Williams. Die von den Wissenschaftlern gefundenen Werte waren sogar vergleichbar mit den OH-Konzentrationen außerhalb des Tages.

Das Oxidationsfeld entsteht durch die Reaktion von Ozon mit Ölen und Fetten auf unserer Haut, insbesondere dem ungesättigten Triterpen Squalen, das etwa 10 % der Hautlipide ausmacht, die unsere Haut schützen und geschmeidig halten. Die Reaktion setzt eine Vielzahl von Gasphasenchemikalien frei, die Doppelbindungen enthalten, die in der Luft weiter mit Ozon reagieren, um erhebliche Mengen an OH-Radikalen zu erzeugen.

Diese Squalen-Abbauprodukte wurden einzeln unter Verwendung von Protonentransfer-Reaktions-Massenspektrometrie und schnellen Gaschromatograph-Massenspektrometrie-Systemen charakterisiert und quantifiziert. Zusätzlich wurde parallel die Gesamt-OH-Reaktivität bestimmt, wodurch die OH-Gehalte empirisch quantifiziert werden konnten.

Die Experimente wurden an der Technischen Universität Dänemark (DTU) in Kopenhagen durchgeführt. Vier Probanden befanden sich unter standardisierten Bedingungen in einer speziellen Klimakammer. Ozon wurde der Kammerluft in einer Menge zugesetzt, die für den Menschen nicht schädlich, aber repräsentativ für höhere Innenkonzentrationen war. Das Team bestimmte die OH-Werte vor und während des Aufenthalts der Freiwilligen sowohl mit als auch ohne Ozon.

Um zu verstehen, wie das vom Menschen erzeugte OH-Feld während der Experimente in Raum und Zeit aussah, wurden Ergebnisse eines detaillierten mehrphasigen chemischen Kinetikmodells der University of California, Irvine, mit einem numerischen Strömungsdynamikmodell der Pennsylvania State University kombiniert.

Nach der Validierung der Modelle anhand der experimentellen Ergebnisse untersuchte das Modellierungsteam, wie sich das vom Menschen erzeugte OH-Feld unter verschiedenen Belüftungs- und Ozonbedingungen veränderte, die über die im Labor getesteten hinausgingen. Aus den Ergebnissen war klar, dass die OH-Radikale reichlich vorhanden waren und starke räumliche Gradienten bildeten.

„Unser Modellierungsteam ist die erste und derzeit einzige Gruppe, die chemische Prozesse zwischen der Haut und der Raumluft integrieren kann, von molekularen Skalen bis hin zu Raumskalen“, sagte Manabu Shiraiwa, Professor an der UC Irvine, der den Modellierungsteil der neuen Arbeit leitete . „Das Modell macht Sinn aus den Messungen – warum OH aus der Reaktion mit der Haut entsteht.“

Shiraiwa fügte hinzu, dass es noch unbeantwortete Fragen gebe, wie die Art und Weise, wie sich die Luftfeuchtigkeit auf die vom Team verfolgten Reaktionen auswirkt. „Ich denke, diese Studie eröffnet einen neuen Weg für die Raumluftforschung“, sagte er.

„Wir müssen die Innenraumchemie in bewohnten Räumen überdenken, da das von uns geschaffene Oxidationsfeld viele der Chemikalien in unserer unmittelbaren Umgebung umwandeln wird. OH kann viel mehr Arten oxidieren als Ozon, wodurch eine Vielzahl von Produkten direkt in unserer Atemzone mit noch unbekannten Stoffen entsteht Auswirkungen auf die Gesundheit. Dieses Oxidationsfeld wird sich auch auf die chemischen Signale auswirken, die wir aussenden und empfangen, und möglicherweise dazu beitragen, die jüngste Erkenntnis zu erklären, dass unser Geruchssinn im Allgemeinen empfindlicher auf Moleküle reagiert, die schneller mit OH reagieren“, sagt Projektleiter Jonathan Williams.

Die neue Erkenntnis hat auch Auswirkungen auf unsere Gesundheit: Derzeit werden viele Materialien und Einrichtungsgegenstände isoliert auf ihre chemischen Emissionen geprüft, bevor sie für den Verkauf freigegeben werden. Allerdings wäre es ratsam, Tests auch in Anwesenheit von Menschen und Ozon durchzuführen, sagt Atmosphärenchemiker Williams. Denn Oxidationsprozesse können zur Bildung von Atemwegsreizstoffen wie 4-Oxopentanal (4-OPA) und anderen durch OH-Radikale erzeugten sauerstoffhaltigen Spezies und kleinen Partikeln in unmittelbarer Nähe der Atemwege führen. Diese können nachteilige Wirkungen haben, insbesondere bei Kindern und Kranken.

Diese Ergebnisse sind Teil des Projekts ICHEAR (Indoor Chemical Human Emissions and Reactivity Project), das eine Gruppe internationaler Wissenschaftler aus Dänemark (DTU), den USA (Rutgers University) und Deutschland (MPI) zusammengebracht hat. Die Modellierung war Teil des MOCCIE-Projekts, das an der University of California Irvine und der Pennsylvania State University angesiedelt ist.