Repenser la chimie de l’air intérieur

Les gens passent généralement 90 % de leur vie à l’intérieur, à la maison, au travail ou dans les transports. Dans ces espaces clos, les occupants sont exposés à une multitude de produits chimiques provenant de diverses sources, y compris les polluants extérieurs pénétrant à l’intérieur, les émissions gazeuses des matériaux de construction et de l’ameublement, et les produits de nos propres activités telles que la cuisine et le nettoyage. De plus, nous sommes nous-mêmes de puissantes sources d’émission mobiles de produits chimiques qui pénètrent dans l’air intérieur par notre respiration et notre peau.

Mais comment les produits chimiques disparaissent-ils à nouveau ? Dans l’atmosphère à l’extérieur, cela se produit dans une certaine mesure naturellement par lui-même, lorsqu’il pleut et par oxydation chimique. Les radicaux hydroxyles (OH) sont en grande partie responsables de ce nettoyage chimique. Ces molécules très réactives sont également appelées les détergents de l’atmosphère et elles se forment principalement lorsque la lumière UV du soleil interagit avec l’ozone et la vapeur d’eau.

À l’intérieur, en revanche, l’air est bien sûr beaucoup moins affecté par la lumière directe du soleil et la pluie. Étant donné que les rayons UV sont largement filtrés par les fenêtres en verre, on a généralement supposé que la concentration de radicaux OH est nettement inférieure à l’intérieur qu’à l’extérieur et que l’ozone, qui s’infiltre de l’extérieur, est le principal oxydant des polluants chimiques en suspension dans l’air intérieur.

Les radicaux OH sont formés à partir d’ozone et d’huiles cutanées

Cependant, il a maintenant été découvert que des niveaux élevés de radicaux OH peuvent être générés à l’intérieur, simplement en raison de la présence de personnes et d’ozone. C’est ce qu’a montré une équipe dirigée par l’Institut Max Planck de chimie en coopération avec des chercheurs américains et danois.

« La découverte que nous, les humains, sommes non seulement une source de produits chimiques réactifs, mais que nous sommes également capables de transformer nous-mêmes ces produits chimiques, nous a beaucoup surpris », déclare Nora Zannoni, première auteure de l’étude publiée dans La science, et maintenant à l’Institut des sciences de l’atmosphère et du climat de Bologne, en Italie. « La force et la forme du champ d’oxydation sont déterminées par la quantité d’ozone présente, l’endroit où il s’infiltre et la configuration de la ventilation de l’espace intérieur », ajoute le scientifique de l’équipe de Jonathan Williams. Les niveaux trouvés par les scientifiques étaient même comparables aux niveaux de concentration d’OH en dehors de la journée.

Le champ d’oxydation est généré par la réaction de l’ozone avec les huiles et les graisses de notre peau, en particulier le squalène triterpène insaturé, qui constitue environ 10 % des lipides cutanés qui protègent notre peau et la maintiennent souple. La réaction libère une multitude de produits chimiques en phase gazeuse contenant des doubles liaisons qui réagissent davantage dans l’air avec l’ozone pour générer des niveaux substantiels de radicaux OH.

Ces produits de dégradation du squalène ont été caractérisés et quantifiés individuellement à l’aide de spectrométrie de masse à réaction de transfert de protons et de systèmes de chromatographie en phase gazeuse rapide-spectrométrie de masse. De plus, la réactivité OH totale a été déterminée en parallèle, permettant de quantifier empiriquement les niveaux d’OH.

Les expériences ont été menées à l’Université technique du Danemark (DTU) à Copenhague. Quatre sujets de test sont restés dans une chambre climatisée spéciale dans des conditions standardisées. De l’ozone a été ajouté à l’entrée d’air de la chambre en une quantité qui n’était pas nocive pour les humains mais représentative de niveaux intérieurs plus élevés. L’équipe a déterminé les valeurs OH avant et pendant le séjour des volontaires avec et sans présence d’ozone.

Afin de comprendre à quoi ressemblait le champ OH généré par l’homme dans l’espace et dans le temps au cours des expériences, les résultats d’un modèle cinétique chimique multiphase détaillé de l’Université de Californie à Irvine ont été combinés avec un modèle de dynamique des fluides informatique de l’Université d’État de Pennsylvanie.

Après avoir validé les modèles par rapport aux résultats expérimentaux, l’équipe de modélisation a examiné comment le champ OH généré par l’homme variait dans différentes conditions de ventilation et d’ozone, au-delà de celles testées en laboratoire. D’après les résultats, il était clair que les radicaux OH étaient présents, abondants et formant de forts gradients spatiaux.

« Notre équipe de modélisation est le premier et actuellement le seul groupe capable d’intégrer les processus chimiques entre la peau et l’air intérieur, des échelles moléculaires aux échelles de la pièce », a déclaré Manabu Shiraiwa, professeur à l’UC Irvine qui a dirigé la partie modélisation du nouveau travail. . « Le modèle donne un sens aux mesures – pourquoi OH est généré à partir de la réaction avec la peau. »

Shiraiwa a ajouté qu’il restait des questions sans réponse, comme l’impact des niveaux d’humidité sur les réactions tracées par l’équipe. « Je pense que cette étude ouvre une nouvelle voie pour la recherche sur l’air intérieur », a-t-il déclaré.

« Nous devons repenser la chimie intérieure dans les espaces occupés car le champ d’oxydation que nous créons transformera de nombreux produits chimiques dans notre voisinage immédiat. L’OH peut oxyder beaucoup plus d’espèces que l’ozone, créant une multitude de produits directement dans notre zone respiratoire avec des propriétés encore inconnues. Ce champ d’oxydation aura également un impact sur les signaux chimiques que nous émettons et recevons, et contribuera peut-être à expliquer la récente découverte selon laquelle notre odorat est généralement plus sensible aux molécules qui réagissent plus rapidement avec l’OH », explique le chef de projet Jonathan Williams.

La nouvelle découverte a également des implications pour notre santé : actuellement, les émissions chimiques de nombreux matériaux et meubles sont testées de manière isolée avant d’être approuvées pour la vente. Cependant, il serait conseillé d’effectuer également des tests en présence de personnes et d’ozone, explique le chimiste atmosphérique Williams. En effet, les processus d’oxydation peuvent conduire à la génération d’irritants respiratoires tels que le 4-oxopentanal (4-OPA) et d’autres espèces oxygénées générées par des radicaux OH, et de petites particules à proximité immédiate des voies respiratoires. Ceux-ci peuvent avoir des effets indésirables, en particulier chez les enfants et les infirmes.

Ces découvertes font partie du projet ICHEAR (Indoor Chemical Human Emissions and Reactivity Project) qui a réuni un groupe de scientifiques internationaux collaborateurs du Danemark (DTU), des États-Unis (Université Rutgers) et d’Allemagne (MPI). La modélisation faisait partie du projet MOCCIE basé à l’Université de Californie à Irvine et à l’Université d’État de Pennsylvanie.