Aby lepiej poznać mechanizmy reakcji zachodzących w atmosferze i naturę procesów, którym ulegają lotne związki pochodzenia roślinnego, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN przy współpracy z badaczami z TROPOS w Lipsku oraz NIC w Słowenii określili czas życia poszczególnych cząsteczek i określili, jakim przekształceniom ulegają w powietrzu.
ZESTRESOWANA ROŚLINA WYDZIELA SUBSTANCJE LOTNE
Atmosfera, oprócz azotu, tlenu i dwutlenku węgla obecnych w troposferze, zawiera także inne gazy, które mogą być dla zdrowia korzystne, neutralne lub niekorzystne. Istnieje wiele źródeł lotnych związków chemicznych, m.in. biogenne – pochodzenia roślinnego, lub antropogeniczne – np. emisja gazów z pojazdów lub fabryk. Co więcej, związki te mogą ulegać degradacji lub przekształceniom w inne cząsteczki, a wszystko za sprawą czynników środowiskowych, takich jak promieniowanie UV czy obecność pyłów zawieszonych. W efekcie nawet związki naturalnie wydzielane z roślin mogą stać się wtórnymi zanieczyszczeniami atmosfery.
Gdy roślina doświadcza nagłej zmiany temperatury, stresu biotycznego lub mechanicznego, takiego jak ugryzienie przez owady lub naruszenie tkanki roślinnej podczas koszenia trawy, w reakcji obronnej uwalnia wiele różnych, lotnych cząsteczek. Taki mechanizm chroni ją m.in. insektami, warunkami środowiskowymi lub różnymi chorobami. W efekcie, stężenie lotnych substancji uwalnianych przez rośliny do atmosfery jest ogromne, a każda cząsteczka może podlegać różnym procesom, dając początek zupełnie nowym związkom chemicznym.
Najczęściej w wyniku procesów zapoczątkowanych światłem UV lub innymi związkami obecnymi w powietrzu powstają wodne rodniki. Substancje lotne mogą wiązać się ze stałymi cząstkami np. kurzem lub pyłem, gdzie po zaadsorbowaniu na powierzchni mogą przekształcić się w inne, bardziej złożone związki, tworząc wtórne aerozole organiczne.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pod kierunkiem dr. hab. inż. Rafała Szmigielskiego w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Environmental Science & Technology” zidentyfikowali nowe źródła niektórych aerozoli organicznych. Badacze wskazali, że rośliny odgrywają istotną rolę w kształtowaniu się procesów w atmosferze. Ich badania pokazały, jak szybko wydzielone lotne związki przekształcają się (np. w kontakcie z kroplą wody), dając początek nowym aerozolom organicznym.
CZY „ZAPACH ZIELENI” MOŻE BYĆ ZANIECZYSZCZENIEM?
„Zielone rośliny narażone na stres abiotyczny lub biotyczny uwalniają nienasycone utlenione węglowodory C-5 i C-6 zwane lotnymi związkami emitowanymi z roślin (GLV – z ang. Green leaf volatiles). GLV przenikają do wód troposferycznych, gdzie ulegają reakcjom, tworząc wtórny aerozol organiczny (SOA – z ang. Secondary organic aerosols)” – tłumaczy lider zespołu dr hab. inż. Rafał Szmigielski z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, cytowany w informacji prasowej przesłanej przez tę jednostkę.
Choć związki pochodzenia roślinnego, takie jak GLV, nie wzbudzają podejrzeń o szkodliwość – głównie ze względu na ich naturalne pochodzenie, do atmosfery może trafiać nawet milion ton różnych związków pochodzenia roślinnego rocznie. Co więcej, poziom GLV w atmosferze jest bezpośrednio związany z działalnością człowieka, dramatycznie wpływając na jakość powietrza w różnych obszarach, zwłaszcza jeśli chodzi o ilość zanieczyszczeń. Cząstki stałe w powietrzu stają się bowiem idealną platformą do akumulowania się GLV i dalszego rozprzestrzeniania w atmosferze.
Gdy lotne cząsteczki organiczne przejdą do cieczy w atmosferze w postaci mgły lub chmur, mogą zostać przekształcone w zupełnie nowe związki o różnej strukturze i reaktywności, a ich stabilność zależy od wielu właściwości fizykochemicznych oraz czynników środowiskowych. Naukowcy byli ciekawi, jak długo poszczególne związki utrzymują się w fazie gazowej, wodnej lub układach wielofazowych i przedstawili badania kinetyczne, które ujawniają czas trwania poszczególnych związków w różnych warunkach eksperymentalnych. Im więcej wiadomo o reakcjach lotnych związków pochodzenia roślinnego, tym lepiej można określić ich rolę w środowisku i klimacie.
CEGIEŁKA W BUDOWIE MODELI ATMOSFERY
IChF PAN przypomina, że monitorowanie jakości powietrza i modelowanie teoretyczne pozwala przewidywać rozprzestrzenianie się i przemiany lotnych zanieczyszczeń w atmosferze. Modele wykorzystywane do przewidywania naturalnych procesów zachodzących w powietrzu są niebywale złożone, gdyż nawet niewielka zmiana danych wejściowych do modelu może drastycznie wpłynąć na uzyskany wynik. Właśnie dlatego tak ważne jest zrozumienie i pełne poznanie przemian związków uwalnianych do atmosfery, które dotychczas nie były brane pod uwagę w klasycznym modelowaniu atmosfery.
Niewiele modeli uwzględnia aktywność związków GLV w powietrzu. Zdaniem zespołu badawczego nawet niewielki postęp w zrozumieniu reakcji, jakim ulegają lotne związki pochodzenia roślinnego, może znacząco poprawić jakość badań modelowania atmosfery. Kolejne dane są jak „cegiełki” budujące coraz lepszy model atmosfery.
Naukowcy z IChF PAN we współpracy z naukowcami z Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) z Lipska w Niemczech (prof. Hartmutem Herrmannem, dr Thomasem Schaeferem i dr Tobiasem Otto) przeprowadzili badania reakcji GLV przy użyciu technik laserowych w TROPOS. W badaniach uczestniczyła także prof. Irena Grgic z Narodowego Instytutu Chemii w Lublanie w Słowenii. Naukowcy otrzymali dane o szybkości poszczególnych reakcji chemicznych niektórych związków organicznych oraz ich reakcji z wolnymi rodnikami obecnymi w atmosferze po bezpośrednim uwolnieniu GLV z roślin.
DOŚWIADCZENIA W KROPLI WODY
Zdaniem prof. Szmigielskiego związki GLV mogą być skutecznymi prekursorami powstawania wtórnych zanieczyszczeń w fazie wodnej, pomimo, że są umiarkowanie rozpuszczalne w wodzie i pośrednio lotne.
Okazało się, że woda obecna w atmosferze ma tendencję do tworzenia maleńkich kropelek o ogromnej zdolności rozpuszczania wielu związków, w tym także GLV. Toteż wiele związków atmosferycznych może reagować w wodzie znacznie szybciej niż w fazie gazowej. Podążając tym tropem, naukowcy odtworzyli warunki atmosferyczne w laboratorium, aby uzyskać informacje o tym, co dzieje się z substancjami lotnymi uwalnianymi z roślin, gdy zostają rozpuszczone w kropli wody i adsorbują się na cząstkach stałych zawieszonych w powietrzu.
„Co ciekawe, reakcje GLV w fazie wodnej okazały się nieistotne w przypadku aerozoli, za to znaczące w przypadku chmur i deszczy. Czas życia GLV w atmosferze zmniejsza się z wielu dni do kilku godzin wraz ze wzrostem zawartości wody w stanie ciekłym i stężenia wodnych rodników” – zauważa autor korespondencyjny dr Krzysztof J. Rudziński, cytowany w informacji prasowej.
Badania w obszarze chemii atmosferycznej służą m.in. zrozumieniu wpływu związków zawieszonych w powietrzu na zdrowie. Badania przeglądowe wskazujące na znaczenie związków GLV w kontekście chemii atmosfery opublikowano 2 grudnia w czasopiśmie „Atmosphere”. Prace realizowano w ramach grantu European Commission Horizon 2020 – Marie Sklodowska-Curie.
PAP – Nauka w Polsce
