Зазвичай люди проводять 90% свого життя вдома, на роботі чи в транспорті. У цих замкнутих приміщеннях мешканці піддаються впливу безлічі хімічних речовин з різних джерел, у тому числі зовнішніх забруднювачів, що проникають у приміщення, газових викидів із будівельних матеріалів, меблів, а також продуктів нашої власної діяльності, таких як приготування їжі та прибирання. Крім того, ми самі є потужними мобільними джерелами викидів хімічних речовин, які потрапляють у повітря в приміщенні через дихання та шкіру.
Але як хімікати зникають? У атмосфері на відкритому повітрі це відбувається певною мірою природним шляхом, під час дощу та через хімічне окислення. Гідроксильні (ОН) радикали значною мірою відповідають за це хімічне очищення. Ці дуже реакційноздатні молекули також називають мийними речовинами атмосфери, і вони в основному утворюються, коли ультрафіолетове світло від сонця взаємодіє з озоном і водяною парою.
З іншого боку, повітря в приміщенні набагато менше зазнає впливу прямих сонячних променів і дощу. Оскільки ультрафіолетові промені значною мірою відфільтровуються скляними вікнами, прийнято вважати, що концентрація OH-радикалів значно нижча в приміщенні, ніж на вулиці, і що озон, який проникає ззовні, є основним окислювачем хімічних забруднювачів повітря, що переносяться в приміщенні.
Гідроксильні радикали ОН утворюються з озону та шкірного жиру
Однак тепер виявлено, що високий рівень OH-радикалів може утворюватися в приміщенні просто через присутність людей і озону. Це показала команда під керівництвом Інституту хімії Макса Планка у співпраці з дослідниками зі США та Данії.
«Відкриття того, що ми, люди, є не лише джерелом хімічних речовин, але й здатні самі перетворювати ці хімічні речовини, було для нас дуже несподіваним», — каже Нора Занноні, перший автор дослідження, опублікованого в Science, а зараз працює в Інституті атмосферних наук і клімату в Болоньї, Італія. «Потужність і форма поля окислення визначаються кількістю озону, куди він проникає і як налаштована вентиляція внутрішнього простору», — додає вчений з команди Джонатана Вільямса.
Поле окислення виникає в результаті реакції озону з оліями та жирами на нашій шкірі, особливо з ненасиченим тритерпеновим скваленом, який становить близько 10% ліпідів шкіри, які захищають нашу шкіру та зберігають її еластичною. Реакція вивільняє безліч хімічних речовин у газовій фазі, що містять подвійні зв’язки, які реагують далі в повітрі з озоном, утворюючи значні кількості радикалів ОН.
Ці продукти розпаду сквалену були охарактеризовані та кількісно визначені індивідуально за допомогою мас-спектрометрії з реакцією протонного переносу та мас-спектрометричних систем швидкого газового хроматографа. Крім того, паралельно визначали загальну реакційну здатність OH, що дозволяло емпірично визначити концентрації OH.
Експерименти проводилися в Технічному університеті Данії (DTU) у Копенгагені. Четверо випробуваних перебували в спеціальній камері з контрольованим кліматом у стандартизованих умовах. Озон був доданий до потоку повітря камери в кількості, яка не була шкідливою для людей, але репрезентативною для вищих рівнів у приміщенні. Команда визначила значення OH до та під час перебування волонтерів як за наявності озону, так і без нього.
Щоб зрозуміти, як виглядало створене людиною поле OH у просторі та часі під час експериментів, результати детальної багатофазної хімічної кінетичної моделі з Каліфорнійського університету в Ірвайні були об’єднані з моделлю обчислювальної гідродинаміки з Університету штату Пенсільванія.
Після перевірки моделей на експериментальні результати команда моделювання вивчила, як поле OH, створене людиною, змінювалося в різних умовах вентиляції та озону, окрім тих, які перевіряли в лабораторії. З результатів було зрозуміло, що радикали ОН присутні, у великій кількості та утворюють сильні просторові градієнти.
«Наша команда моделювання є першою і наразі єдиною групою, яка може інтегрувати хімічні процеси між шкірою та повітрям у приміщенні, від молекулярних масштабів до масштабів кімнати», — сказав Манабу Шірайва, професор Каліфорнійського університету в Ірвайні, який очолював частину нової роботи з моделювання. «Модель має сенс вимірювань — чому OH утворюється в результаті реакції зі шкірою».
Ширайва додав, що залишаються питання без відповіді, наприклад, як рівень вологості впливає на реакції, які відстежила команда. «Я думаю, що це дослідження відкриває новий шлях для дослідження повітря в приміщенні», — сказав він.
Невидиме, але вимірне: поле окислення створюється навколо кожної людини в кліматичній камері з нержавіючої сталі Технічного університету Данії.
«Нам потрібно переосмислити хімічні процеси в житлових приміщеннях, тому що поле окислення, яке ми створюємо, трансформує багато хімічних речовин, які знаходяться в нашій безпосередній близькості. OH може окислювати набагато більше видів, ніж озон, утворюючи безліч продуктів безпосередньо в нашій зоні дихання з ще невідомими речовинами. вплив на здоров’я. Це поле окислення також впливатиме на хімічні сигнали, які ми випромінюємо та отримуємо, і, можливо, допоможе пояснити нещодавнє відкриття про те, що наш нюх загалом більш чутливий до молекул, які швидше реагують з OH», — говорить керівник проєкту Джонатан Вільямс.
Нове відкриття також має наслідки для нашого здоров’я: наразі хімічні викиди багатьох матеріалів і меблів перевіряються ізольовано, перш ніж вони будуть схвалені для продажу. Однак було б доцільно також проводити вимірювання в присутності людей і озону, каже хімік Вільямс. Це пояснюється тим, що процеси окислення можуть призвести до утворення подразників дихальних шляхів, таких як 4-оксопентанал (4-OPA) та інших оксигенованих форм, що утворюються радикалами OH, і дрібних частинок у безпосередній близькості від дихальних шляхів. Вони можуть мати негативні наслідки, особливо у дітей.
Ці висновки є частиною проєкту ICHEAR (Indoor Chemical Human Emissions and Reactivity Project), який об’єднав групу міжнародних вчених із Данії (DTU), США (Рутгерський університет) і Німеччини (MPI). Моделювання було частиною проекту MOCCIE в Університеті Каліфорнії в Ірвайні та Університеті штату Пенсільванія.
Першоджерела: Nora Zannoni et al, The human oxidation field, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abn0340
https://phys.org/news/2022-09-rethinking-indoor-air-chemistry.html