Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont pour la première fois observé des processus photochimiques à l'intérieur des plus petites particules de l'air. Ce faisant, ils ont découvert que des radicaux d'oxygène supplémentaires qui peuvent être nocifs pour la santé humaine se forment dans ces aérosols dans des conditions quotidiennes. Ils rendent compte de leurs résultats aujourd'hui dans le journal Communication Nature .

Il est bien connu que les particules en suspension dans l'air peuvent constituer un danger pour la santé humaine. Les particules, d'un diamètre maximum de dix micromètres, peut pénétrer profondément dans les tissus pulmonaires et s'y installer. Ils contiennent des espèces réactives de l'oxygène (ROS), aussi appelés radicaux oxygène, qui peuvent endommager les cellules des poumons. Plus il y a de particules flottant dans l'air, plus le risque est élevé. Les particules pénètrent dans l'air à partir de sources naturelles telles que les forêts ou les volcans. Mais les activités humaines, par exemple dans les usines et la circulation, multiplier la quantité pour que les concentrations atteignent un niveau critique. Le potentiel des particules d'apporter des radicaux d'oxygène dans les poumons, ou de les y générer, a déjà été étudiée pour diverses sources. Aujourd'hui, les chercheurs du PSI ont acquis de nouvelles connaissances importantes.

D'après des recherches antérieures, il est connu que certains ROS se forment dans le corps humain lorsque des particules se dissolvent dans le liquide de surface des voies respiratoires. Les particules contiennent généralement des composants chimiques, par exemple des métaux tels que le cuivre et le fer, ainsi que certains composés organiques. Ceux-ci échangent des atomes d'oxygène avec d'autres molécules, et des composés hautement réactifs sont créés, comme le peroxyde d'hydrogène (H2O2), hydroxyle (HO), et l'hydroperoxyle (HO2), qui provoquent ce que l'on appelle le stress oxydatif. Par exemple, ils attaquent les acides gras insaturés de l'organisme, qui ne peuvent alors plus servir de blocs de construction pour les cellules. Les médecins attribuent la pneumonie, asthme, et diverses autres maladies respiratoires à de tels processus. Même le cancer pourrait être déclenché, puisque les ROS peuvent également endommager l'ADN du matériel génétique.

De nouvelles perspectives grâce à une combinaison unique d'appareils

On sait depuis un certain temps que certaines espèces réactives de l'oxygène sont déjà présentes sous forme de particules dans l'atmosphère, et qu'ils pénètrent dans notre corps sous forme de ROS exogènes via l'air que nous respirons, sans avoir à s'y former au préalable. Comme il s'avère maintenant, les scientifiques n'avaient pas encore regardé d'assez près :« Des études antérieures ont analysé la matière particulaire avec des spectromètres de masse pour voir en quoi elle consiste, " explique Peter Aaron Alpert, premier auteur de la nouvelle étude PSI. "Mais cela ne vous donne aucune information sur la structure des particules individuelles et ce qui se passe à l'intérieur."

Alpert, en revanche, utilisé les possibilités offertes par PSI pour avoir un regard plus précis :« Avec la brillante lumière à rayons X de la Swiss Light Source SLS, nous avons pu non seulement visualiser ces particules individuellement avec une résolution de moins d'un micromètre, mais même de regarder dans les particules pendant que des réactions se déroulaient à l'intérieur d'elles. » Pour ce faire, il a également utilisé un nouveau type de cellule développé au PSI, dans lequel une grande variété de conditions environnementales atmosphériques peuvent être simulées. Il peut réguler avec précision la température, humidité, et l'exposition au gaz, et possède une source de lumière LED ultraviolette qui remplace le rayonnement solaire. "En combinaison avec la microscopie à rayons X haute résolution, cette cellule n'existe qu'à un seul endroit dans le monde, " dit Alpert. L'étude n'aurait donc été possible qu'au PSI. Il a travaillé en étroite collaboration avec le chef du groupe de recherche en chimie de surface au PSI, Markus Ammann. Il a également reçu le soutien de chercheurs travaillant avec les chimistes atmosphériques Ulrich Krieger et Thomas Peter à l'ETH Zurich, où des expériences supplémentaires ont été réalisées avec des particules en suspension, ainsi que des experts travaillant avec Hartmut Hermann de l'Institut Leibniz pour la recherche troposphérique à Leipzig.

Comment se forment des composés dangereux

Les chercheurs ont examiné des particules contenant des composants organiques et du fer. Le fer provient de sources naturelles telles que la poussière du désert et les cendres volcaniques, mais il est aussi contenu dans les émissions de l'industrie et du trafic. Les composants organiques proviennent également de sources naturelles et anthropiques. Dans l'atmosphère, ces composants se combinent pour former des complexes de fer, qui réagissent alors aux soi-disant radicaux lorsqu'ils sont exposés au soleil. Ceux-ci lient à leur tour tout l'oxygène disponible et produisent ainsi les ROS.

Normalement, par une journée humide, une grande partie de ces ROS diffuserait des particules dans l'air. Dans ce cas, il ne présente plus de danger supplémentaire si nous inhalons les particules, qui contiennent moins de ROS. Par une journée sèche, cependant, ces radicaux s'accumulent à l'intérieur des particules et y consomment tout l'oxygène disponible en quelques secondes. Et cela est dû à la viscosité :la matière particulaire peut être solide comme la pierre ou liquide comme l'eau, mais selon la température et l'humidité, il peut aussi être semi-fluide comme le sirop, chewing-gum séché, ou des gouttes pour la gorge aux herbes suisses. « Cet état de la particule, nous avons trouvé, assure que les radicaux restent piégés dans la particule, " dit Alpert. Et aucun oxygène supplémentaire ne peut entrer de l'extérieur.

Il est particulièrement alarmant que les concentrations les plus élevées de ROS et de radicaux se forment par l'interaction du fer et des composés organiques dans des conditions météorologiques quotidiennes :avec une moyenne inférieure à 60 % et des températures autour de 20 degrés C., également des conditions typiques pour les pièces intérieures. "Auparavant, on pensait que les ROS ne se forment dans l'air, voire pas du tout, lorsque les fines particules de poussière contiennent des composés relativement rares tels que les quinones, " dit Alpert. Ce sont des phénols oxydés qui se produisent, par exemple, dans les pigments des plantes et des champignons. Il est récemment devenu clair qu'il existe de nombreuses autres sources de ROS dans les particules. "Comme nous l'avons maintenant déterminé, these known radical sources can be significantly reinforced under completely normal everyday conditions." Around every twentieth particle is organic and contains iron.

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.