Markus Ammann sử dụng một trong những thiết bị để kiểm tra các hạt bụi mịn. Nguồn: Paul Scherrer Institute/Markus Fischer

Công bố của họ được xuất bản trênNature Communications “Photolytic Radical Persistence due to Anoxia in Viscous Aerosol Particles”.

Chúng ta đã biết là các hạt bụi trong không khí có thể có mối nguy hiểm với sức khỏe con người. Những hạt này, với đường kính tối đa là 10 micrometer, có thể xâm nhập rất sau vào các mô phổi và “nằm lì” ở đó. Chúng chứa các hợp chất oxy hoạt động(ROS) - vẫn được gọi là các gốc oxygen, vốn có thể gây hại cho các tế bào phổi. Càng nhiều hạt này trôi nổi trong không khí thì càng có nguy cơ rủi ro cho sức khỏe. Các hạt này xuất hiện trong không khí từ hai nguồn, một là từ các nguồn tự nhiên như cháy rừng, núi lửa, hai là các hoạt động của con người như sản xuất, giao thông… Càng nhiều hoạt động như vậy càng làm tăng thêm lượng bụi cho đến khi nó chạm đến mức tới hạn. Xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, các hạt này có tiềm năng mang các gốc oxygen vào phổi hoặc có thể tạo ra chúng ở đó. Hiện tại các nhà nghiên cứu ở PSI đã có thêm những cái nhìn mới.

Theo kết quả nghiên cứu trước đây thì một số ROS được hình thành trong cơ thể con người khi các hạt phân rã trong chất lỏng bề mặt của vùng hô hấp. Hạt bụi thông thường chứa các hợp chất hóa học, ví dụ các kim loại như dồng và sắt cũng như chứa nhiều hợp chất hữu cơ. Sự trao đổi các nguyên tử oxygen với các phân tử khác, và các hợp chất phản ứng cao được tạo ra như hydrogen peroxide (H2O2), hydroxyl (HO), và hydroperoxyl (HO2), vốn là nguyên nhân của sự ứng kích oxygen hóa. Ví dụ, chúng tấn công các a xít béo chưa bão hòa trong cơ thể, khiến chúng không còn có khả năng bảo vệ các khối cơ bản của tế bào. Các bác sĩ quy cho việc đây là nguyên nhân dẫn đến nhiều loại bệnh như viêm phổi, hen suyễn và nhiều loại bệnh về đường hô hấp khác.. Ngay cả ung thư có thể được kích hoạt khi ROS có thể gây hại đến vật chất di truyền DNA.

Cái nhìn mới nhờ sự kết hợp độc đáo các thiết bị

Người ta đã từng biết là các hợp chất oxy hoạt động luôn có mặt ở trong các hạt lơ lửng trong bầu khí quyển và khi chúng xâm nhập vào cơ thể chúng ta theo đường thở thì không nhất thiết những hợp chất ROS đó đã hình thành ở đó trước. Khi đặt vấn đề trở lại, các nhà khoa học thấy hiểu biết này là chưa đủ. “Các nghiên cứu trước đây phân tích các hạt bụi với phổ khối để xem nó gồm những gì”, Peter Aaron Alpert, tác giả thứ nhất của nghiên cứu mới của viện PSI nói. “Nhưng nó không trao cho anh bất kỳ thông tin nào về cấu trúc của các đơn hạt và những gì đang diễn ra bên trong chúng”.

Tương phản với những nghiên cứu trước, Alpert sử dụng những tiềm năng của PSI để có cái nhìn chính xác hơn nhiều: “Với máy gia tốc tia X hiện đại từ Trung tâm máy gia tốc Thụy Sĩ SLS, chúng tôi đã có thể không chỉ nhìn vào nhiều hạt riêng biệt với độ phân giải nhỏ hơn một micrometer mà còn thậm chí nhìn vào những tương tác xảy ra bên trong các hạt”. Để làm điều đó, anh sử dụng một dạng tế bào mới phát triển tại PSI, trong đó một trạng thái đa dạng những điều kiện môi trường khí quyển đều có thể được mô phỏng.

Nó có thể điều chỉnh một cách chính xác nhiệt độ, độ ẩm và phơi nhiễm khí. Bên cạnh đó nó còn chứa một nguồn sáng LED tia cực tím. “Việc kết hợp với kính hiển vi tia X có độ phân giải cao khiến dạng tế bào này là độc nhất vô nhị trên thế giới này”, Alpert nói. Do đó nghiên cứu chỉ có thể thực hiện tại PSI. Anh làm việc cùng Markus Ammann, người phụ trách nhóm nghiên cứu Hóa bề mặt của PSI, đồng thời nhận được hỗ trợ của các nhà nghiên cứu hiện đang kết hợp với nhà hóa học khí quyển Ulrich Krieger và Thomas Peter ở ETH Zurich, nơi các thực nghiệm đi kèm được thực hiện với những hạt lơ lửng, cũng như với các chuyên gia làm việc với Hartmut Hermann từ Viện nghiên cứu Tầng đối lưu Leibniz ở Leipzig.

Các hợp chất nguy hiểm hình thành như thế nào?

Peter Aaron Alpert phân tích các quá trình tInstitute/Markus rong các hạt bụi mịn lơ lửnFischerg trong không khí. Các độc chất bổ sung luôn có mặt trong khí quyển. Nguồn: Paul Scherrer

Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra các hạt chứa các hợp chất hữu cơ và sắt. Sắt đến từ các nguồn tự nhiên như sa mạc và tro núi lửa cũng như những phát thải từ công nghiệp và giao thông. Các hợp chất hữu cơ như vậy đến từ cả nguồn tự nhiên và hoạt động của con người. Trong bầu khí quyển, các hợp chất này được kết hợp để hình thành các phức hợp sắt, hay còn gọi là các gốc khi bị phơi nhiễm dưới ánh nắng mặt trời. Nó kết hợp với tất cả các oxy hiện có trong khí quyển và tạo ra ROS.

Thông thường, trong ngày có độ ẩm cao, một tỷ lệ lớn các ROS này có thể khuếch tán khỏi các hạt để xâm nhập vào khí quyển. Trong trường hợp đó khả năng rủi ro với sức khỏe không cao, nếu chúng ta hít phải các hạt bụi. Trong ngày khô ráo hơn, thì các gốc oxy đó đầy rẫy bên trong các hạt và “sử dụng” triệt để lượng oxy hiện hữu chỉ trong vài giây. Và nó còn phụ thuộc vào độ nhớt, các hạt bụi có thể trở nên rắn chắc như đá hoặc lỏng như nước – nhưng còn phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm, nó có thể ở dạng bán lỏng như siro, kẹo cao su hoặc như viên ngậm thảo dược Thụy Sĩ. “Chúng tôi tìm thấy, trạng thái này của hạt đảm bảo các gốc oxy vẫn còn bị kẹt trong hạt bụi”, Alpert nói. Và không có oxy bổ sung nào từ nguồn bên ngoài.

Phát hiện này đưa ra cảnh báo là các mức nồng độ cao nhất của ROS và các gốc oxy được hình thành thông qua sự tương tác của sắt và các hợp chất hữu cơ trong những điều kiện thời tiết thường nhật: với một mức độ ẩm trung bình 60% và nhiệt độ khoảng 20 độ C. cũng như các điều kiện cụ thể trong nhà. “Người ta thường nghĩ là ROS chỉ hình thành trong không khí khi các hạt bụi chứa một cách tương đối các hợp chất hiếm như các quinon”, Alpert nói. Ví dụ, có các oxidized phenol xuất hiện trong các bảng màu sắc của cây cỏ và nấm.

Gần đây có nhiều nguồn ROS trong các hạt bụi mịn. “Vì chúng tôi đã xác định được, có nhiều gốc tự do đã được biết đều có thể được bổ sung thêm một cách đáng kể trong những điều kiện thông thường hằng ngày”. Các hợp chất hữu cơ và cả sắt chiếm khoảng 1/20 hạt bụi.

Nhưng đó không phải là tất cả. “Các phản ứng quang hóa tương tự dường như cũng diễn ra trong các hạt bụi mịn”, trưởng nhóm nghiên cứu Markus Ammann nhận xét. “Chúng tôi nghi ngờ là hầu như tất cả các hạt lơ lửng trong không khí đều tạo thành các gốc tự do bổ sung theo cách nay”, Alpert cho biết thêm. “Nếu xác nhận điều này bằng các nghiên cứu nữa thì chúng tôi cần cải tiến các mô hình của chúng tôi và thêm các giá trị tới hạn để đánh giá chất lượng không khí. Chúng tôi có thể tìm thấy yếu tố nữa tại đây để giúp giải thích tại sao có nhiều người lại mắc các bệnh về đường hô hấp hay ung thư mà không có nguyên nhân cụ thể nào”.

Ít nhất thì ROS cũng có một khía cạch tích cực – đặc biệt trong suốt đại dịch COVID-19 – như nghiên cứu này đã đề xuất: chúng tấn công vi khuẩn, virus và những mầm bệnh khác có trong sol khí và làm giảm độ độc hại của chúng. Sự kết nối này có thể giúp giải thích tại sao virus SARS-CoV-2 lại có thời gian tồn tại ngắn ngủi trong không khí ở nhiệt độ phòng và độ ẩm trung bình.