Modellazione al computer della reattività OH (a sinistra) e della concentrazione di OH (a destra) attorno ai corpi umani in una tipica situazione interna mentre le persone sono sedute attorno a un tavolo. Credito:UC Irvine
Le persone in genere trascorrono il 90% della loro vita all'interno, a casa, al lavoro o nei trasporti. All'interno di questi spazi chiusi, gli occupanti sono esposti a una moltitudine di sostanze chimiche provenienti da varie fonti, inclusi inquinanti esterni che penetrano all'interno, emissioni gassose da materiali da costruzione e arredi e prodotti delle nostre attività come cucinare e pulire. Inoltre, noi stessi siamo potenti fonti mobili di emissione di sostanze chimiche che entrano nell'aria interna dal nostro respiro e dalla nostra pelle.
Ma come fanno a scomparire di nuovo le sostanze chimiche? Nell'atmosfera all'aperto, questo accade in una certa misura naturalmente da solo, quando piove e per ossidazione chimica. I radicali idrossilici (OH) sono in gran parte responsabili di questa pulizia chimica. Queste molecole molto reattive sono anche chiamate detergenti dell'atmosfera e si formano principalmente quando la luce UV del sole interagisce con l'ozono e il vapore acqueo.
All'interno, invece, l'aria è ovviamente molto meno influenzata dalla luce solare diretta e dalla pioggia. Poiché i raggi UV sono in gran parte filtrati dalle finestre di vetro, si è generalmente ritenuto che la concentrazione di radicali OH sia sostanzialmente inferiore all'interno rispetto all'esterno e che l'ozono, che fuoriesce dall'esterno, sia il principale ossidante degli inquinanti chimici nell'aria interna.
I radicali OH sono formati dall'ozono e dagli oli per la pelle
Tuttavia, ora è stato scoperto che alti livelli di radicali OH possono essere generati all'interno, semplicemente a causa della presenza di persone e ozono. Lo ha dimostrato un team guidato dal Max Planck Institute for Chemistry in collaborazione con ricercatori statunitensi e danesi.
"La scoperta che noi umani non siamo solo una fonte di sostanze chimiche reattive, ma siamo anche in grado di trasformare queste sostanze chimiche noi stessi è stata molto sorprendente per noi", afferma Nora Zannoni, prima autrice dello studio pubblicato su Scienza , e ora presso l'Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima a Bologna, Italia. "La forza e la forma del campo di ossidazione sono determinate dalla quantità di ozono presente, da dove si infiltra e da come è configurata la ventilazione dello spazio interno", aggiunge lo scienziato del team di Jonathan Williams. I livelli trovati dagli scienziati erano persino paragonabili ai livelli di concentrazione di OH al di fuori del giorno.
Il campo di ossidazione è generato dalla reazione dell'ozono con oli e grassi sulla nostra pelle, in particolare il triterpene squalene insaturo, che costituisce circa il 10% dei lipidi cutanei che proteggono la nostra pelle e la mantengono elastica. La reazione rilascia una serie di sostanze chimiche in fase gassosa contenenti doppi legami che reagiscono ulteriormente nell'aria con l'ozono per generare livelli sostanziali di radicali OH.
Questi prodotti di degradazione dello squalene sono stati caratterizzati e quantificati individualmente utilizzando la spettrometria di massa della reazione di trasferimento di protoni e sistemi di gas cromatografia-spettrometria di massa veloce. Inoltre, è stata determinata in parallelo la reattività totale di OH, consentendo di quantificare empiricamente i livelli di OH.
Gli esperimenti sono stati condotti presso l'Università tecnica della Danimarca (DTU) a Copenaghen. Quattro soggetti del test sono rimasti in una speciale camera climatizzata in condizioni standardizzate. L'ozono è stato aggiunto all'afflusso d'aria della camera in una quantità non dannosa per l'uomo ma rappresentativa di livelli interni più elevati. Il team ha determinato i valori di OH prima e durante la permanenza dei volontari sia con che senza ozono presente.
Per comprendere l'aspetto del campo OH generato dall'uomo nello spazio e nel tempo durante gli esperimenti, i risultati di un modello cinetico chimico multifase dettagliato dell'Università della California, Irvine, sono stati combinati con un modello di fluidodinamica computazionale della Pennsylvania State University.
Dopo aver convalidato i modelli rispetto ai risultati sperimentali, il team di modellizzazione ha esaminato come variasse il campo OH generato dall'uomo in diverse condizioni di ventilazione e ozono, oltre a quelle testate in laboratorio. Dai risultati, era chiaro che i radicali OH erano presenti, abbondanti e formavano forti gradienti spaziali.
"Il nostro team di modellisti è il primo e attualmente l'unico gruppo in grado di integrare i processi chimici tra la pelle e l'aria interna, dalle scale molecolari alle scale della stanza", ha affermato Manabu Shiraiwa, professore alla UC Irvine che ha guidato la parte di modellazione del nuovo lavoro . "Il modello dà un senso alle misurazioni, perché l'OH viene generato dalla reazione con la pelle."
Shiraiwa ha aggiunto che rimangono domande senza risposta, come il modo in cui i livelli di umidità influiscono sulle reazioni tracciate dal team. "Penso che questo studio apra una nuova strada per la ricerca sull'aria indoor", ha affermato.
Non visibile, ma misurabile:un campo di ossidazione viene generato attorno a ogni persona nella camera climatica in acciaio inossidabile dell'Università tecnica della Danimarca. Credito:Mikal Schlosser, TU Danimarca
"Dobbiamo ripensare la chimica interna negli spazi occupati perché il campo di ossidazione che creiamo trasformerà molte delle sostanze chimiche nelle nostre immediate vicinanze. L'OH può ossidare molte più specie dell'ozono, creando una moltitudine di prodotti direttamente nella nostra zona di respirazione con ancora sconosciuto impatti sulla salute. Questo campo di ossidazione avrà un impatto anche sui segnali chimici che emettiamo e riceviamo, e forse aiuterà a spiegare la recente scoperta che il nostro senso dell'olfatto è generalmente più sensibile alle molecole che reagiscono più velocemente con l'OH", afferma il leader del progetto Jonathan Williams.
La nuova scoperta ha anche implicazioni per la nostra salute:attualmente, le emissioni chimiche di molti materiali e arredi vengono testate in isolamento prima che ne venga approvata la vendita. Tuttavia, sarebbe opportuno condurre test anche in presenza di persone e ozono, afferma il chimico atmosferico Williams. Questo perché i processi di ossidazione possono portare alla generazione di irritanti respiratori come il 4-oxopentanale (4-OPA) e altre specie ossigenate generate da radicali OH e piccole particelle nelle immediate vicinanze del tratto respiratorio. Questi possono avere effetti negativi, soprattutto nei bambini e negli infermi.
Questi risultati fanno parte del progetto ICHEAR (Indoor Chemical Human Emissions and Reactivity Project) che ha riunito un gruppo di scienziati internazionali in collaborazione provenienti da Danimarca (DTU), Stati Uniti (Rutgers University) e Germania (MPI). La modellazione faceva parte del progetto MOCCIE con sede presso l'Università della California Irvine e la Pennsylvania State University. + Esplora ulteriormente
