Binnenluchtkwaliteit
© Duke University
Mensen brengen doorgaans 90 procent van hun leven binnen door, thuis, op het werk of in een vervoersmiddel. Binnen deze afgesloten ruimten worden bewoners/inzittenden blootgesteld aan een groot aantal chemische stoffen uit verschillende bronnen, waaronder verontreinigende stoffen uit de buitenlucht die binnendringen, gasvormige emissies van bouwmaterialen en meubilair en producten van onze eigen bezigheden, zoals koken en schoonmaken. Bovendien zijn wij zelf krachtige mobiele emissiebronnen van chemicaliën, die via onze adem en huid in de binnenlucht terechtkomen.

Maar hoe verdwijnen die chemicaliën weer? In de buitenlucht gebeurt dat tot op zekere hoogte vanzelf, als het regent en door chemische oxidatie. Hydroxyl (OH) radicalen zijn grotendeels verantwoordelijk voor deze chemische reiniging. Deze zeer reactieve moleculen worden ook wel het wasmiddel van de atmosfeer genoemd en worden voornamelijk gevormd wanneer UV-licht van de zon in wisselwerking treedt met ozon en waterdamp.

Binnenshuis daarentegen wordt de lucht natuurlijk veel minder beïnvloed door direct zonlicht en regen. Aangezien UV-straling grotendeels wordt gefilterd door glazen ramen, wordt algemeen aangenomen dat de concentratie van OH radicalen binnenshuis aanzienlijk lager is dan buitenshuis en dat ozon, dat van buiten naar binnen lekt, de belangrijkste oxidant is van chemische verontreinigende stoffen in de lucht binnenshuis.

OH radicalen ontstaan uit ozon en huidvetten

Nu is echter ontdekt dat ook binnenshuis hoge concentraties van OH radicalen kunnen worden voortgebracht, eenvoudigweg door de aanwezigheid van mensen en ozon. Dit is aangetoond door een team onder leiding van het Max Planck Instituut voor Chemie in samenwerking met onderzoekers uit de VS en Denemarken.

"De ontdekking dat wij mensen niet alleen een bron zijn van reactieve chemicaliën, maar ook in staat zijn deze chemicaliën zelf om te zetten, was voor ons zeer verrassend," zegt Nora Zannoni, eerste auteur van de studie, die werd gepubliceerd in het onderzoekstijdschrift Science, en nu verbonden aan het Instituut voor Atmosferische Wetenschappen en Klimaat in Bologna, Italië. "De sterkte en de vorm van het oxidatieveld worden bepaald door de hoeveelheid aanwezige ozon, waar het infiltreert en hoe de ventilatie van de binnenruimte is ingericht," voegt de wetenschapper van Jonathan Williams' team toe. De concentraties die de wetenschappers vonden, waren zelfs vergelijkbaar met de OH concentraties die men overdag buiten aantreft.


Commentaar: Dit is mogelijk zeer belangrijk, gezien het feit dat een kwart van de Amerikanen al hun tijd binnenshuis doorbrengen.


Het oxidatieveld ontstaat door de reactie van ozon met oliën en vetten op onze huid, met name het onverzadigde triterpeen squaleen, dat ongeveer 10% uitmaakt van de huidlipiden die onze huid beschermen en haar soepel houden. Bij de reactie komt een hele reeks chemische stoffen in de gasfase vrij, die dubbele bindingen bevatten en die in de lucht met ozon verder reageren om aanzienlijke hoeveelheden OH radicalen te genereren. Deze afbraakproducten van squaleen werden afzonderlijk gekarakteriseerd en gekwantificeerd met behulp van Proton-Overdracht reactie Massaspectrometrie en snelle gaschromatografie-massaspectrometriesystemen. Daarnaast werd de totale OH reactiviteit gelijktijdig bepaald, zodat de OH concentraties empirisch gekwantificeerd konden worden.

De experimenten werden uitgevoerd aan de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) in Kopenhagen. Vier proefpersonen verbleven in een speciale klimaatgecontroleerde kamer onder gestandaardiseerde omstandigheden. Aan de luchtinlaat van de kamer werd ozon toegevoegd in een hoeveelheid die niet schadelijk was voor de mens, maar wel representatief voor hogere concentraties binnenshuis. Het team bepaalde de OH waarden vóór en tijdens het verblijf van de vrijwilligers, zowel met als zonder de aanwezigheid van ozon.

Om te begrijpen hoe het door de mens gegenereerde OH veld er tijdens de experimenten in ruimte en tijd uitzag, werden de resultaten van een gedetailleerd meerfasig chemisch kinetisch model van de University of California, Irvine, gecombineerd met een vloeistofdynamisch rekenmodel van de Pennsylvania State University, beide gevestigd in de VS. Na validering van de modellen aan de hand van de experimentele resultaten, onderzocht het modelleringsteam hoe het door de mens gegenereerde OH veld varieerde onder verschillende omstandigheden van ventilatie en ozon, die verder gingen dan die welke in het laboratorium waren getest. Uit de resultaten bleek duidelijk, dat de OH radicalen aanwezig waren, overvloedig, en sterke ruimtelijke gradiënten vormden.

"Ons modelleringsteam is de eerste en momenteel de enige groep die chemische processen tussen de huid en de binnenlucht kan integreren, van moleculaire schalen tot kamerschalen," zei Manabu Shiraiwa, professor aan UC Irvine, die het modelleringsgedeelte van het nieuwe project leidde. "Het model maakt de metingen begrijpelijk -- waarom OH ontstaat uit de reactie met de huid."

Shiraiwa voegde eraan toe dat er nog onbeantwoorde vragen zijn, zoals de manier waarop de vochtigheidsgraad de reacties beïnvloedt die het team traceerde. "Ik denk dat deze studie een nieuwe weg opent voor onderzoek naar binnenlucht," zei hij.

Pas testmethoden voor meubilair en bouwmaterialen aan

"We moeten de binnenchemie in bewoonde ruimten heroverwegen, omdat het oxidatieveld dat we creëren veel van de chemische stoffen in onze directe omgeving zal transformeren. OH kan veel meer stoffen oxideren dan ozon, waardoor direct in onze ademzone een veelheid aan producten ontstaat met tot nu toe onbekende gevolgen voor de gezondheid." Dit oxidatieveld zal ook invloed hebben op de chemische signalen die we uitzenden en ontvangen," zegt projectleider Jonathan Williams, "en mogelijk de recente bevinding helpen verklaren dat onze reukzin over het algemeen gevoeliger is voor moleculen die sneller reageren met OH."


De nieuwe bevinding heeft ook gevolgen voor onze gezondheid: Momenteel worden de chemische emissies van veel materialen en meubilair geïsoleerd getest, voordat ze worden goedgekeurd voor verkoop. Het zou echter raadzaam zijn om ook proeven te doen waarbij mensen en ozon aanwezig zijn, zegt atmosferisch chemicus Williams. Oxidatieprocessen kunnen namelijk leiden tot het ontstaan van irriterende stoffen voor de luchtwegen, zoals 4-oxopentanal (4-OPA) en andere door OH radicalen gegenereerde zuurstofhoudende soorten, alsmede kleine deeltjes in de onmiddellijke nabijheid van de luchtwegen. Deze kunnen schadelijke effecten hebben, vooral bij kinderen en zieke mensen.

Deze bevindingen maken deel uit van het project ICHEAR (Indoor Chemical Human Emissions and Reactivity Project), dat een groep van samenwerkende internationale wetenschappers uit Denemarken (DTU), de VS (Rutgers University) en Duitsland (MPI) bijeenbracht. De modellering maakte deel uit van het MOCCIE-project van de University of California Irvine en de Pennsylvania State University. Beide projecten werden gefinancierd met subsidies van de A. P. Sloan stichting.

Bron van dit Artikel:


Materiaal verstrekt door Max Planck Instituut voor Chemie. Opmerking: Inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.

Publicatieblad:
  1. Nora Zannoni, Pascale S. J. Lakey, Youngbo Won, Manabu Shiraiwa, Donghyun Rim, Charles J. Weschler, Nijing Wang, Lisa Ernle, Mengze Li, Gabriel Bekö, Pawel Wargocki, Jonathan Williams. The human oxidation field. Science, 2022; 377 (6610): 1071 DOI: 10.1126/science.abn0340
Zie: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/09/220901151703.htm