Za górami, za lasami i dymiącymi ogniskami…

Otaczająca nas atmosfera ma o wiele bardziej złożony skład, niż się wydaje. Wśród dobrze znanych gazów takich jak azot i tlen, zawiera o wiele więcej substancji. Skąd pochodzą? W dużej mierze ich obecność jest spowodowana działalnością człowieka. Jednak, procesy powstawania różnych związków chemicznych w atmosferze są skomplikowane i zależą od wielu czynników zewnętrznych. Niedawno, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, prowadzący badania pod kierunkiem prof. Rafała Szmigielskiego, we współpracy z naukowcami z Agencji Ochrony Środowiska w USA, odkryli pochodzenie nitrofenoli – rakotwórczych związków znajdujących się w powietrzu. Przyjrzyjmy się bliżej temu odkryciu oraz co ma ono wspólnego z grillowaniem.

Oddychamy dzięki powietrzu znajdującym się w atmosferze. I choć do życia potrzebujemy o wiele więcej, choćby wodę i pożywienie, to powietrze jest nam najbardziej niezbędne. Jego książkowy skład chemiczny to w głównej mierze azot i tlen, odrobina dwutlenek węgla i śladowe ilości innych gazów. Jednak, ze względu na działalność człowieka, szczególnie przemysłową, powietrze zawiera także inne związki chemiczne stanowiące zanieczyszczenie. Jak dotąd, cząstki pyłów zawieszonych PM10 i PM2,5 określane mianem smogu były głównymi składnikami zanieczyszczenia powietrza, lecz oprócz nich otacza nas o wiele więcej związków, które są szkodliwe dla zdrowia. Wszystkie materiały spalane przez człowieka, począwszy od paliw kopalnych po spalanie biomasy prędzej czy później stają się ogromnym problemem środowiskowym niosącym dramatyczne skutki zdrowotne. Jak to działa? Zacznijmy od początku.

Wszyscy korzystamy z samochodów, autobusów lub samolotów jako środków transportu do pokonywania długich tras. Pomimo obietnic producentów pojazdów, silniki zasilane paliwami kopalnymi podczas spalania nie wytwarzają tylko i wyłącznie CO2 i H2O, a generują zatrważające ilości stałych i lotnych zanieczyszczeń powietrza. Co więcej, szkodliwe substancje przedostają się do powietrza nawet podczas tankowania samochodu. Nawet jedna wychlapana kropla paliwa szybko odparowuje, dostarczając do atmosfery lotne związki organiczne, które z kolei z łatwością osiadają na pyłach zawieszonych z łatwością rozprzestrzeniając się na duże odległości.

To jednak nie koniec. Innym czynnikiem powodującym zanieczyszczenie powietrza jest spalanie biomasy. Powstający ze spalania drewna, węgla, trawy, czy też grillowania dym to nic innego jak pyły zawieszone oraz liczne lotne związki organiczne. Zatem, im więcej dymu, tym więcej zanieczyszczeń rozprzestrzenia się wraz z wiatrem. Wytopione z grillowanej potrawy substancje po rozgrzaniu parują także tworząc zanieczyszczenia. W efekcie, po spalaniu biomasy w powietrzu znajdują się także tlenki azotu, powszechnie znane jako NOx, a te mogą ulegać licznym przemianom w atmosferze generując zanieczyszczenia wtórne. I choć o obecności tlenków azotu w atmosferze wiadomo od lat, to ostatnie odkrycia naukowe pokazują, że ich duża ilość jest katastrofalna w skutkach

Niedawno, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk realizujący badania pod kierunkiem prof. Rafała Szmigielskiego, we współpracy z naukowcami z Agencji Ochrony Środowiska w USA, odkryli pochodzenie związków rakotwórczych nitrofenoli w atmosferze, biorąc pod lupę tlenki azotu. Naukowcy przeprowadzili liczne badania aerozoli wzbogaconych o związki pochodzące ze spalania biomasy, a następnie rozprowadzili je do wysoce wyspecjalizowanej komory laboratoryjnej naszpikowanej czujnikami, aby naśladować warunki atmosferyczne i na bieżąco monitorować przemiany zachodzące w określonych warunkach.

Początkowo komorę wypełniono czystym powietrzem wolnym od zanieczyszczeń. Następnie, krok po kroku, naukowcy dodawali do komory pyły  i związki organiczne tj. węglowodory aromatyczne. Następnie wprowadzono także parę wodną będącą odpowiednikiem parowania zbiorników wodnych w przyrodzie oraz tlenki azotu będących produktami działalności antropogenicznej. Aby dobrze odwzorować warunki panujące w atmosferze dodatkowo wnętrze komory oświetlono promieniowaniem odpowiadającym promieniowaniu słonecznemu.

Niestety, uzyskane wyniki nie są optymistyczne. Naukowcy odkryli, że "zupa" związków i cząstek, które umieścili w komorze, spontanicznie zaczęła ulegać reakcjom chemicznym pod wpływem promieniowania słonecznego, co doprowadziło do przekształcenia tlenków azotu osiadających na pyłach zawieszonych w nitrofenole. Te z kolei są dobrze znane jako szkodliwe substancje chemiczne prowadzące do poważnych problemów zdrowotnych.

Dopóki te reakcje zachodzą w komorze laboratoryjnej, zdaje się, że jesteśmy daleko od problemu. Niestety tlenki azotu są obecne w atmosferze, a ich ilość dramatycznie wzrasta wraz z działalnością człowieka. Beztroskie grillowanie smacznych potraw, tankowanie samochodu, spalanie drewna w kominku, wypalanie traw, wszystkie te i inne działania zwiększają obecność tlenków azotu i pyłu w atmosferze, które pod światłem słonecznym przekształcają się w rakotwórcze nitrofenole. Wśród nich można wyróżnić kilka związków tj. 2-nitrofenol, 3-nitrofenol i 4-nitrofenol, jednak wszystkie nitrofenole są niebezpieczne dla zdrowia.

Prof. Szmigielski zauważa: "Nasze badania po raz pierwszy wykazały wpływ zarówno trzech czystych nitrofenoli, jak i mieszanin na ludzkie komórki płuc pokazując mechanizm działania nitrofenoli na procesy komórkowe. Co więcej, zidentyfikowaliśmy nitrofenole zarówno na pyłach PM2,5, jak i na cząstkach wtórnych aerozoli organicznych generowanych z fotoutleniania monocyklicznych węglowodorów aromatycznych w wysoko wyspecjalizowanej komorze smogowej. "

Oprócz analiz prowadzonych w komorze laboratoryjnej naukowcy przeprowadzili również testy in vitro na sprawdzając, w jaki sposób poszczególne nitrofenole i ich mieszaniny działają na zdrowe ludzkie komórki nabłonkowe i komórki raka płuc. Wyniki uzyskane dla zdrowych komórek nabłonkowych potwierdziły wysoką toksyczność nitrofenoli, zwłaszcza 2-nitrofenolu i 4-nitrofenolu oraz ujawniły mechanizm stojący za toksycznością tych związków na komórki. Badacze odkryli, że nitrofenole prowadzą do lokalnych przegrupowań podwójnej warstwy kwasów tłuszczowych osłaniających komórkę, działającej jako naturalna zapora chroniąca komórkę przed środowiskiem zewnętrznym. Zatem, gdy błona biologiczna zostaje uszkodzona choćby w jednym miejscu, nitrofenole szybko dostają się do komórki i uszkadzają mitochondria – naturalną elektrownię. I tu zaczyna się problem. Gdy nasza naturalna fabryka energii jest uszkodzona, komórka nie może uzyskać odpowiedniej ilości energii do prawidłowego funkcjonowania, stając się "chora", a po pewnym czasie efekt działania nitrofenolu jest dla komórki śmiertelny.

"Wykazaliśmy pochodzenie mononitrofenoli w powietrzu i oceniliśmy ich profil toksykologiczny na przykładzie ludzkich komórek płuc. Udowodniliśmy, że związki te uszkadzają strukturę błony komórkowej efektywnie przenikając przez błonę mitochondrialną. Sprawdziliśmy także jak długotrwałe narażenie na nitrofenole szkodzi komórkom określając stężenie IC50 niezbędne do prowadzenia badań patofizjologii płuc." – twierdzi prof. Szmigielski

W przypadku badań prowadzonych na komórkach raka płuc można by oczekiwać takich samych wyników. Jak się jednak okazało, komórki te reagują jednak inaczej na nitrofenole niż zdrowe komórki. Zaskakujące jest, że komórki rakowe traktują nitrofenole nie jako trucizna, a jako "paliwo" stymulujące je do wzrostu. W efekcie, im więcej komórek nowotworowych jest narażonych na nitrofenol tym więcej energii jest im dostarczane do niekontrolowanego wzrostu prowadząc do poważnych powikłań zdrowotnych.

Dzięki odkryciom naukowców z IChF PAN udowodniono, w jaki sposób ekspozycja na dym i smog ma dramatyczny wpływ na zdrowie zwiększając ryzyko zachorowania na choroby nowotworowe. Wybierasz się na grilla lub palisz w kominku? Jeśli chcesz dłużej cieszyć się zdrowiem, lepiej zachowaj bezpieczny odstęp od dymu.

Praca ta została opublikowana w czasopiśmie Environmental Pollution 22 lutego 2022 roku.

PUBLIKACJE NAUKOWE:
“Cytotoxicity and oxidative stress induced by atmospheric mono-nitrophenols in human lung cells”
F. Khan, M. Jaoui, K. Rudziński, K. Kwapiszewska, A. Martinez-Romero, D.Gil-Casanova, M. Lewandowski, T. E. Kleindienst, J. H. Offenberg, J.D. Krug, J.D. Surratt, R. Szmigielski
Environmental Pollution 2022, 301, 119010
DOI: 10.1016/j.envpol.2022.119010