Gli scienziati ambientali guidati dal Virginia Tech College of Science hanno scoperto che la combustione del carbone produce particelle incredibilmente piccole di una forma molto insolita di ossido di titanio.

Quando inalato, queste nanoparticelle possono entrare nei polmoni e potenzialmente nel flusso sanguigno.

Le particelle, note come nanoparticelle di subossido di titanio, sono prodotte involontariamente mentre il carbone viene bruciato, creando queste minuscole particelle, fino a 100 milionesimi di metro, ha detto il team guidato da Virginia Tech. Quando le particelle vengono introdotte nell'aria, a meno che non vengano catturate da trappole di particelle ad alta tecnologia, possono allontanarsi dalle pile delle centrali elettriche e viaggiare localmente sulle correnti d'aria, a livello regionale, e anche a livello globale.

A titolo di esempio di ciò, queste nanoparticelle sono state trovate nelle strade della città, marciapiedi, e nell'acqua stagnante a Shanghai, Cina.

I risultati sono pubblicati nell'ultimo numero di Comunicazioni sulla natura sotto la guida del team leader Michael F. Hochella Jr., Illustre professore universitario di geoscienze presso il College of Science, e Yi Yang, professore alla East China Normal University di Shanghai. Altri partecipanti allo studio includono la Duke University, l'Università del Kentucky, e la Laurentian University in Canada.

"Il problema con queste nanoparticelle è che non esiste un modo facile o pratico per prevenire la loro formazione durante la combustione del carbone, "Hochella ha detto, aggiungendo che nelle nazioni con forti normative ambientali, come gli Stati Uniti, la maggior parte delle nanoparticelle verrebbe catturata da trappole di particelle. Non così in Africa, Cina, o l'India, dove i regolamenti sono lassisti o inesistenti, con cenere di carbone e fumo che entrano all'aria aperta.

"A causa della tecnologia avanzata utilizzata nelle centrali elettriche a carbone con sede negli Stati Uniti, mandato dal Clean Air Act e dall'Agenzia per la protezione dell'ambiente, la maggior parte di queste nanoparticelle e di altre minuscole particelle vengono rimosse prima dell'emissione finale dei gas di scarico dell'impianto, " Ha detto Hochella. "Ma nei paesi in cui le particelle della combustione del carbone non vengono rimosse in modo così efficiente, o rimosso del tutto, queste nanoparticelle di subossido di titanio e molti altri tipi di particelle vengono emesse nell'atmosfera, con conseguente in parte cieli nebbiosi che affliggono molti paesi, soprattutto in Cina e in India".

Hochella e il suo team hanno trovato queste nanoparticelle precedentemente sconosciute non solo nelle ceneri di carbone di tutto il mondo e nelle emissioni di rifiuti gassosi delle centrali a carbone, ma per le strade della città, nei terreni e negli stagni di acqua piovana, e negli impianti di trattamento delle acque reflue.

"Non potevo credere a quello che ho trovato all'inizio, perché erano stati segnalati molto raramente nell'ambiente naturale, " disse Yang, che una volta ha lavorato come visiting professor nel Dipartimento di Geoscienze della Virginia Tech con Hochella. "Mi ci sono voluti diversi mesi per confermare la loro presenza nei campioni di cenere di carbone".

Il subossido di titanio appena scoperto, chiamato fasi Magnéli, un tempo era ritenuto raro, trovato solo con parsimonia sulla Terra in alcuni meteoriti, da una piccola area di formazioni rocciose nella Groenlandia occidentale, e occasionalmente nelle rocce lunari. I risultati di Hochella e del suo team indicano che queste nanoparticelle sono infatti diffuse a livello globale. Solo ora vengono studiati per la prima volta in ambienti naturali utilizzando potenti microscopi elettronici.

Perché la scoperta è avvenuta adesso? Secondo il rapporto, quasi tutto il carbone contiene tracce dei minerali rutilo e/o anatasio, entrambi "normali, "naturale, e ossidi di titanio relativamente inerti, soprattutto in assenza di luce. Quando quei minerali vengono bruciati in presenza di carbone, la ricerca ha scoperto che si convertivano facilmente e rapidamente in queste insolite nanoparticelle di subossido di titanio. Le nanoparticelle vengono quindi trascinate nei gas che escono dalla centrale.

Quando inalato, le nanoparticelle entrano in profondità nei polmoni, potenzialmente fino alle sacche d'aria che spostano l'ossigeno nel nostro flusso sanguigno durante il normale processo di respirazione. Sebbene la tossicità polmonare umana di queste particelle non sia ancora nota, un test preliminare di biotossicità di Hochella e Richard Di Giulio, professore di tossicologia ambientale, e Jessica Brandt, un dottorando, entrambi alla Duke University, indica che le particelle hanno effettivamente un potenziale di tossicità.

Secondo la squadra, sono chiaramente necessari ulteriori studi, in particolare test di biotossicità direttamente rilevanti per il polmone umano. La partnership con centrali a carbone negli Stati Uniti o in Cina sarebbe l'ideale, disse Yang.

Più preoccupante, lo studio mostra che le nanoparticelle di subossido di titanio sono biologicamente attive al buio, rendendo le particelle altamente sospette. Gli effetti esatti sulla salute umana sono ancora sconosciuti.

"Gli studi futuri dovranno indagare molto attentamente e accedere alla tossicità delle nanoparticelle di subossido di titanio nel polmone umano, e questo potrebbe richiedere anni, un pensiero che fa riflettere considerando il suo potenziale pericolo, " ha detto Hochella.

Poiché la stessa nanoparticella di subossido di titanio viene prodotta accidentalmente, Hochella e il suo team si sono imbattuti per caso nella nanoparticella mentre studiavano una fuoriuscita di cenere di carbone nel 2014 nel fiume Dan, Carolina del Nord. Durante lo studio del movimento a valle dei metalli tossici nelle ceneri del fiume Dan, il team ha scoperto e riconosciuto la presenza di piccole quantità dell'insolito subossido di titanio.

Il gruppo ha successivamente prodotto le nanoparticelle di subossido di titanio durante la combustione del carbone in una simulazione di laboratorio.

Questo nuovo potenziale pericolo per la salute dell'inquinamento atmosferico si basa sui risultati già stabiliti dall'Organizzazione mondiale della sanità. Si stima che 3,3 milioni di morti premature si verificano in tutto il mondo all'anno a causa dell'inquinamento dell'aria, ha detto Hochella. In Cina, Ogni anno si stimano 1,6 milioni di morti premature dovute a lesioni cardiovascolari e respiratorie dovute all'inquinamento atmosferico. La maggior parte delle megalopoli cinesi supera i 100 giorni di forte nebbia ogni anno con concentrazioni di particelle da due a quattro volte superiori alle linee guida dell'OMS, ha detto Yang.

Gli effetti diretti sulla salute degli esseri umani sono solo uno dei fattori. I risultati di migliaia di scienziati hanno determinato che il principale motore del riscaldamento del pianeta e del conseguente cambiamento climatico è la combustione del carbone su scala industriale. L'impatto delle nanoparticelle di subossido di titanio presenti nell'atmosfera, oltre ai gas serra, sugli animali, acqua, e le piante non sono ancora note.