Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN odkryli pochodzenie nitrofenoli – rakotwórczych związków znajdujących się w powietrzu. Ich badania dowodzą, w jaki sposób ekspozycja na dym i smog wpływa na zdrowie, zwiększając ryzyko zachorowania na choroby nowotworowe.
Oddychamy dzięki powietrzu znajdującemu się w atmosferze. Jego książkowy skład chemiczny to w głównej mierze azot i tlen, odrobina dwutlenku 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?
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.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, realizujący badania pod kierunkiem prof. Rafała Szmigielskiego, we współpracy z Agencją Ochrony Środowiska w USA, odkryli pochodzenie związków rakotwórczych nitrofenoli w atmosferze, biorąc pod lupę tlenki azotu. Uczeni 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, dodawano do komory pyły i związki organiczne, tj. węglowodory aromatyczne. Następnie wprowadzono także parę wodną będącą odpowiednikiem parowania zbiorników wodnych w przyrodzie oraz tlenki azotu będące 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 wpływem światła słonecznego 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.
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 PM 2,5, jak i na cząstkach wtórnych aerozoli organicznych generowanych z fotoutleniania monocyklicznych węglowodorów aromatycznych w wysoko wyspecjalizowanej komorze smogowej – tłumaczy prof. Szmigielski.
Oprócz analiz prowadzonych w komorze laboratoryjnej, naukowcy przeprowadzili również testy in vitro 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 – raportuje 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.
Wyniki badań opublikowało czasopismo Environmental Pollution.
Magdalena Osial, źródło: IChF PAN