I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI hanno osservato per la prima volta processi fotochimici all'interno delle particelle più piccole nell'aria. Così facendo, hanno scoperto che in questi aerosol si formano in condizioni quotidiane ulteriori radicali dell'ossigeno che possono essere dannosi per la salute umana. Riportano i loro risultati oggi sul giornale Comunicazioni sulla natura .

È noto che il particolato aerodisperso può rappresentare un pericolo per la salute umana. Le particelle, con un diametro massimo di dieci micrometri, può penetrare in profondità nel tessuto polmonare e stabilirsi lì. Contengono specie reattive dell'ossigeno (ROS), chiamati anche radicali dell'ossigeno, che possono danneggiare le cellule dei polmoni. Più particelle fluttuano nell'aria, maggiore è il rischio. Le particelle entrano nell'aria da fonti naturali come foreste o vulcani. Ma le attività umane, per esempio nelle fabbriche e nel traffico, moltiplicare la quantità in modo che le concentrazioni raggiungano un livello critico. Il potenziale del particolato di portare i radicali dell'ossigeno nei polmoni, o per generarli lì, è già stato indagato per varie fonti. Ora i ricercatori del PSI hanno acquisito nuove importanti intuizioni.

Da ricerche precedenti è noto che alcuni ROS si formano nel corpo umano quando i particolati si dissolvono nel fluido superficiale delle vie respiratorie. Il particolato di solito contiene componenti chimici, ad esempio metalli come rame e ferro, così come alcuni composti organici. Questi scambiano atomi di ossigeno con altre molecole, e vengono creati composti altamente reattivi, come il perossido di idrogeno (H2O2), idrossile (HO), e idroperossile (HO2), che causano il cosiddetto stress ossidativo. Per esempio, attaccano gli acidi grassi insaturi nel corpo, che poi non possono più fungere da mattoni per le cellule. I medici attribuiscono la polmonite, asma, e varie altre malattie respiratorie a tali processi. Anche il cancro potrebbe essere innescato, poiché i ROS possono danneggiare anche il DNA del materiale genetico.

Nuove intuizioni grazie a una combinazione unica di dispositivi

È noto da tempo che alcune specie reattive dell'ossigeno sono già presenti nel particolato nell'atmosfera, e che entrano nel nostro corpo come i cosiddetti ROS esogeni attraverso l'aria che respiriamo, senza doversi formare prima lì. Come risulta ora, gli scienziati non avevano ancora guardato abbastanza da vicino:"Studi precedenti hanno analizzato il particolato con spettrometri di massa per vedere in cosa consiste, " spiega Peter Aaron Alpert, primo autore del nuovo studio PSI. "Ma questo non ti dà alcuna informazione sulla struttura delle singole particelle e su cosa sta succedendo al loro interno".

Allerta, in contrasto, sfruttato le possibilità offerte da PSI per dare un'occhiata più precisa:"Con la brillante luce a raggi X della Swiss Light Source SLS, siamo stati in grado non solo di visualizzare tali particelle singolarmente con una risoluzione inferiore a un micrometro, ma anche guardare nelle particelle mentre al loro interno avvenivano reazioni." Per fare questo, ha anche usato un nuovo tipo di cellula sviluppato al PSI, in cui è possibile simulare un'ampia varietà di condizioni ambientali atmosferiche. Può regolare con precisione la temperatura, umidità, ed esposizione al gas, e ha una sorgente di luce a LED ultravioletta che sostituisce la radiazione solare. "In combinazione con la microscopia a raggi X ad alta risoluzione, questa cellula esiste solo un posto nel mondo, " dice Alpert. Lo studio quindi sarebbe stato possibile solo al PSI. Ha lavorato a stretto contatto con il capo del Surface Chemistry Research Group al PSI, Markus Ammann. Ha anche ricevuto supporto da ricercatori che lavorano con i chimici atmosferici Ulrich Krieger e Thomas Peter all'ETH di Zurigo, dove sono stati condotti ulteriori esperimenti con particelle sospese, così come esperti che lavorano con Hartmut Hermann dell'Istituto Leibniz per la ricerca troposferica di Lipsia.

Come si formano i composti pericolosi

I ricercatori hanno esaminato particelle contenenti componenti organici e ferro. Il ferro proviene da fonti naturali come polvere del deserto e cenere vulcanica, ma è contenuta anche nelle emissioni dell'industria e del traffico. Anche i componenti organici provengono da fonti naturali e antropiche. Nell'atmosfera, questi componenti si combinano per formare complessi di ferro, che poi reagiscono ai cosiddetti radicali se esposti alla luce solare. Questi a loro volta legano tutto l'ossigeno disponibile e quindi producono il ROS.

Normalmente, in una giornata umida, una grande proporzione di questi ROS si diffonderebbe dalle particelle nell'aria. In tal caso non rappresenta più un pericolo aggiuntivo se inaliamo le particelle, che contengono meno ROS. In una giornata asciutta, però, questi radicali si accumulano all'interno delle particelle e consumano tutto l'ossigeno disponibile in pochi secondi. E questo è dovuto alla viscosità:il particolato può essere solido come la pietra o liquido come l'acqua, ma a seconda della temperatura e dell'umidità, può anche essere semifluido come lo sciroppo, gomme da masticare essiccate, o gocce per la gola alle erbe svizzere. "Questo stato della particella, abbiamo trovato, assicura che i radicali rimangano intrappolati nella particella, " dice Alpert. E nessun altro ossigeno può entrare dall'esterno.

È particolarmente allarmante che le più alte concentrazioni di ROS e radicali si formino attraverso l'interazione di ferro e composti organici nelle condizioni meteorologiche quotidiane:con una media inferiore al 60 percento e temperature intorno ai 20 gradi C., anche condizioni tipiche per ambienti interni. "Si pensava che i ROS si formassero nell'aria, se non del tutto, quando le particelle di polvere fine contengono composti relativamente rari come i chinoni, " dice Alpert. Questi sono fenoli ossidati che si verificano, ad esempio, nei pigmenti di piante e funghi. Di recente è diventato chiaro che ci sono molte altre fonti di ROS nel particolato. "Come abbiamo ora stabilito, queste fonti radicali note possono essere notevolmente rafforzate in condizioni quotidiane completamente normali." Circa ogni ventesima particella è organica e contiene ferro.

But that's not all:"The same photochemical reactions likely takes place also in other fine dust particles, " says research group leader Markus Ammann. "We even suspect that almost all suspended particles in the air form additional radicals in this way, " Alpert adds. "If this is confirmed in further studies, we urgently need to adapt our models and critical values with regard to air quality. We may have found an additional factor here to help explain why so many people develop respiratory diseases or cancer without any specific cause."

At least the ROS have one positive side—especially during the COVID-19 pandemic—as the study also suggests:They also attack bacteria, viruses, and other pathogens that are present in aerosols and render them harmless. This connection might explain why the SARS-CoV-2 virus has the shortest survival time in air at room temperature and medium humidity.