Jedes Jahr führt die Belastung durch Feinstaub in der Luft, bekannt als PM2,5 (Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometern), weltweit zu Millionen vorzeitiger Todesfälle.
Organische Aerosole sind an vielen Orten auf der Welt die Hauptbestandteile von PM2,5. In der Vergangenheit war es aufgrund der chemischen Komplexität organischer Aerosole schwierig, deren Toxizitätsgrad einzuschätzen.
Eine von Forschern des Georgia Institute of Technology durchgeführte Studie hat jedoch das Verständnis sowohl der chemischen Zusammensetzung von PM2,5 als auch der Reaktion der Alveolarzellen der Lunge, die dieser Verschmutzung ausgesetzt sind, erweitert und die wachsende Bedrohung für die menschliche Gesundheit hervorgehoben.
Veröffentlicht in Umweltwissenschaften und -technologie, die Studie zeigt, dass oxidierte organische Aerosole (OOA) die giftigste Art organischer Aerosole bei PM2,5 sind.
„Oxidierte organische Aerosole sind die am häufigsten vorkommende Art organischer Aerosole weltweit“, sagte Nga Lee (Sally) Ng, Love Family-Professorin an der School of Chemical and Biomolecular Engineering und der School of Earth and Atmospheric Sciences der Georgia Tech. „Wenn beispielsweise Waldbrandrauch in der Atmosphäre reagiert, erzeugt er OOA.“
Messtechniken
Während die Forscher fortschrittliche Techniken wie Massenspektrometrie verwendeten, um die chemische Zusammensetzung von PM2,5 in Atlanta, Georgia, zu analysieren, maßen sie gleichzeitig die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) in Alveolarzellen, die aus der Belastung durch Umweltverschmutzung resultieren.
ROS sind Moleküle, die oxidativen Stress und Schäden an unseren Zellen verursachen können, was möglicherweise zu verschiedenen Gesundheitsproblemen, einschließlich Herz-Lungen-Erkrankungen, führen kann.
Um die Mechanismen hinter PM2,5-induziertem oxidativem Stress zu verstehen, verwendeten die Forscher zelluläre Tests, die es ihnen ermöglichten, sowohl chemisch als auch biologisch erzeugte ROS zu messen.
Die Studie ergab, dass hoch ungesättigte Spezies mit Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen und aromatischen Ringen innerhalb der OOA die Haupttreiber der zellulären ROS-Produktion sind, was das Verständnis der chemischen Eigenschaften organischer Aerosole in der Umgebung, die sie toxisch machen, fördert.
Waldbrände sind eine wachsende Quelle
Da der Beitrag fossiler Brennstoffquellen zur Bildung organischer Aerosole in den Vereinigten Staaten in den letzten Jahrzehnten aufgrund von Reduktionsstrategien zurückgegangen sei, habe die relative Bedeutung anderer Quellen zugenommen, sagte Fobang Liu, Hauptautor der Studie.
„Zum Beispiel wird erwartet, dass die Verbrennung von Biomasse mit der zunehmenden Tendenz zu Waldbränden eine wichtigere Quelle für OOA wird“, fügte Liu hinzu, ein ehemaliger Postdoktorand in Ngs Labor an der Georgia Tech, der jetzt außerordentlicher Professor an der Xi’an Jiaotong University in ist China.
Ein wesentliches chemisches Merkmal von OOA, das bei der Verbrennung von Biomasse entsteht, ist der hohe Anteil an sauerstoffhaltigen aromatischen Verbindungen. „Daher zeigt diese Arbeit, dass organische Aerosole in Zukunft noch giftiger werden können“, sagte er.
Fortsetzung der Zusammenarbeit
Den Forschern zufolge unterstreichen ihre Ergebnisse die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Zusammenarbeit zwischen den Bereichen Atmosphärenchemie, Toxikologie, Epidemiologie und Biotechnologie, um die globale Luftverschmutzungskrise zu bewältigen.
„OOA sind ein Ersatz für sekundäre organische Aerosole. Sekundäre organische Aerosole sind in der Atmosphäre allgegenwärtig und reichlich vorhanden. Wir müssen ihre Quellen und ihre chemische Verarbeitung verstehen, wenn wir wirksame Strategien zur Minderung der gesundheitlichen Auswirkungen von PM2,5 entwickeln wollen“, sagte Professor Ng.
„Zukünftige Arbeiten sollten weiterhin die gesundheitlichen Auswirkungen verschiedener PM2,5-Komponenten untersuchen, insbesondere sekundäre organische Aerosole, die aus Vorläufern entstehen, die bei unvollständigen Verbrennungsprozessen von fossilen Brennstoffen und Biomassebrennstoffen freigesetzt werden“, sagte sie.
Verschiedene Regionen können aufgrund unterschiedlicher Emissionsquellen und atmosphärischer Bedingungen unterschiedliche Arten organischer Aerosole aufweisen. Daher sei die langfristige Messung organischer Aerosoltypen in einem breiten Spektrum geografischer Gebiete wichtig, um das Verständnis der gesundheitlichen Auswirkungen zu verbessern, betonten die Forscher.
Mehr Informationen:
Fobang Liu et al, Oxidized and Unsaturated: Key Organic Aerosol Traits Associated with Cellular Reactive Oxygen Species Production in the Southeastern United States, Umweltwissenschaft und -technologie (2023). DOI: 10.1021/acs.est.3c03641