Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han observado por primera vez procesos fotoquímicos dentro de las partículas más pequeñas del aire. Al hacerlo, descubrieron que en estos aerosoles se forman radicales de oxígeno adicionales que pueden ser perjudiciales para la salud humana en las condiciones cotidianas. Informan sobre sus resultados hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Es bien sabido que las partículas en suspensión en el aire pueden representar un peligro para la salud humana. Las partículas, con un diámetro máximo de diez micrómetros, puede penetrar profundamente en el tejido pulmonar y asentarse allí. Contienen especies reactivas de oxígeno (ROS), también llamados radicales de oxígeno, que puede dañar las células de los pulmones. Cuantas más partículas haya flotando en el aire, mayor es el riesgo. Las partículas llegan al aire de fuentes naturales como bosques o volcanes. Pero las actividades humanas, por ejemplo en fábricas y tráfico, multiplique la cantidad para que las concentraciones alcancen un nivel crítico. El potencial del material particulado para llevar radicales de oxígeno a los pulmones, o generarlos allí, ya ha sido investigado por diversas fuentes. Ahora, los investigadores de la ISP han obtenido importantes conocimientos nuevos.

A partir de investigaciones anteriores se sabe que algunas ERO se forman en el cuerpo humano cuando las partículas se disuelven en el fluido de la superficie del tracto respiratorio. El material particulado generalmente contiene componentes químicos, por ejemplo metales como el cobre y el hierro, así como ciertos compuestos orgánicos. Estos intercambian átomos de oxígeno con otras moléculas, y se crean compuestos altamente reactivos, como el peróxido de hidrógeno (H2O2), hidroxilo (HO), e hidroperoxilo (HO2), que causan el llamado estrés oxidativo. Por ejemplo, atacan los ácidos grasos insaturados en el cuerpo, que luego ya no pueden servir como bloques de construcción para las células. Los médicos atribuyen neumonía, asma, y varias otras enfermedades respiratorias a tales procesos. Incluso el cáncer podría desencadenarse, ya que los ROS también pueden dañar el ADN del material genético.

Nuevos conocimientos gracias a una combinación única de dispositivos

Se sabe desde hace algún tiempo que ciertas especies reactivas de oxígeno ya están presentes en partículas en la atmósfera, y que ingresan a nuestro cuerpo como los llamados ROS exógenos a través del aire que respiramos, sin tener que formar allí primero. Como ahora resulta, los científicos aún no habían mirado lo suficientemente de cerca:"Estudios anteriores han analizado la materia particulada con espectrómetros de masas para ver en qué consiste, "explica Peter Aaron Alpert, primer autor del nuevo estudio de PSI. "Pero eso no le da ninguna información sobre la estructura de las partículas individuales y lo que está sucediendo dentro de ellas".

Alpert, a diferencia de, utilizó las posibilidades que ofrece PSI para obtener una mirada más precisa:"Con la brillante luz de rayos X de Swiss Light Source SLS, pudimos no solo ver tales partículas individualmente con una resolución de menos de un micrómetro, pero incluso para mirar dentro de las partículas mientras se producían reacciones en su interior. "Para hacer esto, también usó un nuevo tipo de celda desarrollada en PSI, en el que se puede simular una amplia variedad de condiciones ambientales atmosféricas. Puede regular con precisión la temperatura, humedad, y exposición al gas, y tiene una fuente de luz LED ultravioleta que representa la radiación solar. "En combinación con microscopía de rayos X de alta resolución, esta celda existe en un solo lugar en el mundo, ", dice Alpert. Por lo tanto, el estudio solo habría sido posible en PSI. Trabajó en estrecha colaboración con el jefe del Grupo de Investigación de Química de Superficies en PSI, Markus Ammann. También recibió el apoyo de investigadores que trabajan con los químicos atmosféricos Ulrich Krieger y Thomas Peter en ETH Zurich, donde se llevaron a cabo experimentos adicionales con partículas suspendidas, así como expertos que trabajan con Hartmut Hermann del Instituto Leibniz de Investigación Troposférica en Leipzig.

Cómo se forman los compuestos peligrosos

Los investigadores examinaron partículas que contienen componentes orgánicos y hierro. El hierro proviene de fuentes naturales como el polvo del desierto y la ceniza volcánica, pero también está contenido en las emisiones de la industria y el tráfico. Los componentes orgánicos también provienen tanto de fuentes naturales como antropogénicas. En la atmósfera, estos componentes se combinan para formar complejos de hierro, que luego reaccionan a los llamados radicales cuando se exponen a la luz solar. Estos, a su vez, unen todo el oxígeno disponible y, por lo tanto, producen ROS.

Normalmente, en un día húmedo, una gran proporción de estos ROS se difundiría de las partículas al aire. En ese caso, ya no representa un peligro adicional si inhalamos las partículas, que contienen menos ROS. En un día seco sin embargo, estos radicales se acumulan dentro de las partículas y consumen todo el oxígeno disponible allí en segundos. Y esto se debe a la viscosidad:el material particulado puede ser sólido como la piedra o líquido como el agua, pero dependiendo de la temperatura y la humedad, también puede ser semifluido como un jarabe, chicle seco, o gotas para la garganta a base de hierbas suizas. "Este estado de la partícula, nosotros encontramos, asegura que los radicales permanezcan atrapados en la partícula, "dice Alpert. Y no puede entrar oxígeno adicional desde el exterior.

Es especialmente alarmante que las concentraciones más altas de ROS y radicales se formen a través de la interacción del hierro y los compuestos orgánicos en las condiciones climáticas diarias:con un promedio por debajo del 60 por ciento y temperaturas alrededor de los 20 grados C. también condiciones típicas para habitaciones interiores. "Se solía pensar que las ROS solo se forman en el aire, si es que se forman, cuando las partículas de polvo fino contienen compuestos comparativamente raros como quinonas, "Dice Alpert. Estos son fenoles oxidados que se producen, por ejemplo, en los pigmentos de plantas y hongos. Recientemente ha quedado claro que hay muchas otras fuentes de ROS en el material particulado. "Como hemos determinado ahora, estas fuentes de radicales conocidas pueden reforzarse significativamente en condiciones diarias completamente normales. "Aproximadamente una de cada veinte partículas es orgánica y contiene hierro.

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.