Procesos fotoquímicos dentro de las partículas atmosféricas.

Investigadores del Paul Scherrer Institute (PSI) de Suiza, junto con colegas de ETH Zurich y TROPOS, han llevado a cabo un proyecto que buscaba observar procesos fotoquímicos dentro de las partículas atmosféricas y encontrar el efecto de la difusión en la evolución química de estas partículas. Al hacerlo, descubrieron que ciertos radicales son producidos en las partículas atmosféricas, los cuales son preservados dentro las mismas en condiciones atmosféricas cotidianas. Estos radicales pueden ser dañinos para la salud humana. Pablo Corral Arroyo y Peter Alpert, autores de este trabajo, informan sobre sus resultados en la revista Nature Communications. [DESCARGAR PDF]

Pablo Corral Arroyo, uno de los autores de este artículo, es antiguo estudiante de química de la Universidad de Salamanca (promoción 2009-2014) y para nosotros es un enorme orgullo difundir su investigación.

La atmósfera contiene muchas partículas minúsculas en suspensión en el aire que pueden representar un peligro para la salud humana. Las partículas llegan al aire de fuentes naturales como bosques o volcanes. Pero las actividades humanas pueden elevar las concentraciones, alcanzando un nivel crítico y dando lugar a eventos de contaminación atmosférica extrema. Cuantas más partículas floten en el aire, mayor es el riesgo para la salud humana. Las partículas, con un diámetro máximo de diez micrómetros, pueden penetrar profundamente en el tejido pulmonar y ahí ser atrapadas. Estas partículas contienen especies reactivas de oxígeno, también llamadas radicales de oxígeno (ROs), que pueden dañar las células de los pulmones. A parte de transportar ROs a los pulmones, las partículas también tienen la capacidad de generar ROs una vez dentro de los éstos porque contienen sustancias que reaccionan con oxígeno, como cobre o hierro. Estos ROs reaccionan con los ácidos grasos insaturados del 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 estos procesos. Incluso el cáncer podría desencadenarse, ya que las ROs también pueden dañar el ADN del material genético.

Desde hace tiempo se sabe que ciertas especies reactivas de oxígeno ya están presentes en partículas en la atmósfera, y que ingresan a nuestro cuerpo (como los ROs) a través del aire que respiramos. Estudios anteriores han analizado las partículas de aerosol con espectrómetros de masas para determinar su composición, pero eso no le da ninguna información sobre la estructura interna de las partículas individuales y lo que está sucediendo dentro de ellas.

En este proyecto los investigadores de Paul Scherrer Institute utilizaron una microscopía de rayos X para observar detalladamente la evolución química de las partículas de aerosol cuando se producen reacciones fotoquímicas dentro de las mismas: “Utilizamos luz del sincrotrón de Paul Scherrer Institute (Swiss Light Source, SLS) para obtener imágenes de partículas mientras transcurrían dentro de ellas reacciones fotoquímicas. No solo pudimos ver esas partículas con una resolución de menos de un micrómetro, sino incluso determinar la evolución de la composición química dentro de las mismas. Utilizamos un reactor desarrollado en nuestro grupo, en el que se pueden simular condiciones ambientales atmosféricas. Puede regular con precisión la temperatura, la humedad y la exposición al gas, y tiene una fuente de luz LED ultravioleta que representa la radiación solar.” explica Pablo Corral Arroyo. Los investigadores examinaron partículas que contienen componentes orgánicos y hierro. En la atmósfera, estos componentes se combinan para formar complejos de hierro, que reaccionan por medio de luz solar, produciendo radicales orgánicos o radicales de carbono (RCs), que a su vez producen ROs cuando hay oxígeno disponible.

Imaged photochemical and oxidative cycling of iron(III)-citrate (FeIIICit) inside single aerosol particles.

Las partículas atmosféricas pueden ser muy viscosas, como un chicle o incluso como una piedra, o líquidas como el agua, dependiendo de su composición y de las condiciones atmosféricas (temperatura y humedad). Por esta razón, la difusión de oxígeno y de ROs a través de ellas puede llegar a ser muy lenta. Los investigadores de Paul Scherrer Institute encontraron que en un día húmedo (partículas no son viscosas), una gran proporción de estos ROs difundiría fuera de las partículas al aire. En ese caso, ya no representa un peligro adicional si inhalamos las partículas, que contienen menos ROs. “Sin embargo, en un día seco, cuando las partículas son viscosas, estos radicales se acumulan dentro de las partículas y consumen todo el oxígeno disponible en segundos y los ROs y RCs permanezcan atrapados en la partícula”, puntualiza Peter Alpert, “Cuando estas partículas entran en los pulmones se encuentran con condiciones de humedad alta, por lo que los ROs acumulados pueden ser liberados y los RCs pueden reaccionar con el oxígeno, que rápidamente difunde dentro de las partículas, produciendo más ROs, los que a su vez también son liberados.”

En su estudio en Nature Communications indican que las concentraciones más altas de ROs y RCs se forman a través de la interacción del hierro y los compuestos orgánicos en las condiciones climáticas usuales: por debajo del 60 % de humedad y temperaturas alrededor de los 20 °C, también condiciones típicas de las zonas de interior. “Como hemos determinado ahora, estas fuentes de radicales conocidas pueden reforzarse significativamente en condiciones diarias completamente normales”, remarcan los autores “Aproximadamente una de cada veinte partículas es orgánica y contiene hierro.”

Estas reacciones no están limitadas a complejos de hierro. “Sospechamos que estos procesos ocurren con otras especies con actividad fotoquímica presentes en partículas atmosféricas. Quinonas, imidazoles u otros complejos de metales son otras especies que podrían reaccionar de esta forma”, concluye Pablo Corral Arroyo.

Publicación original:

“Photolytic Radical Persistence due to Anoxia in Viscous Aerosol Particles” Peter A. Alpert, Jing Dou, Pablo Corral Arroyo, Frederic Schneider, Jacinta Xto, Beiping Luo, Thomas Peter, Thomas Huthwelker, Camelia N. Borca, Katja D. Henzler, Thomas Schaefer, Hartmut Herrmann, Jörg Raabe, Benjamin Watts, Ulrich K. Krieger, Markus Ammann. Nature Communications, 12, 1769 (2021)

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-21913-x

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