Zapach zieleni, czyli o organicznych aerozolach

Atmosfera jest pełna związków chemicznych. Mogą one zmieniać się w inne cząsteczki pod wpływem promieniowania UV lub innych substancji w powietrzu. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN oraz TROPOS w Lipsku oraz NIC w Słowenii zbadali czas życia cząsteczek pochodzenia roślinnego i ich przekształcenia.

20211221_news.jpg

Koszenie trawy jednym kojarzy się z miłym zapachem, a dla innych staje się intrygującym tematem badawczym. Wszystko za sprawą lotnych związków uwalnianych z roślin. Fot. Grzegorz Krzyżewski.

Oprócz azotu, tlenu i dwutlenku węgla obecnych w troposferze, atmosfera zawiera także inne gazy, które mogą być korzystne, neutralne lub niekorzystne dla zdrowia. Skąd biorą się one w powietrzu? Istnieje wiele źródeł lotnych związków chemicznych, m.in. biogenne – pochodzenia roślinnego lub antropogeniczne – takie jak choćby emisja gazów z pojazdów lub fabryk. Związki te mogą ulegać degradacji lub przekształceniom w inne cząsteczki pod wpływem czynników środowiskowych takich jak promieniowanie UV lub obecność innych substancji w powietrzu, np. pyłów zawieszonych. W efekcie, nawet związki naturalnie wydzielane z roślin mogą stać się wtórnymi zanieczyszczeniami atmosfery.

Aby poznać naturę procesów, którym ulegają lotne związki pochodzenia roślinnego, naukowcy przeprowadzili badania, w których przedstawili czas życia poszczególnych cząsteczek oraz ujawnili jakim przekształceniom ulegają one w powietrzu.

Nowe źródła aerozoli organicznych

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. 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 wolne rodniki. Substancje lotne mogą też 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, które wciąż są zbyt mało zbadane.

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pod kierunkiem prof. Rafał Szmigielskiego oraz z Instytutu Badań Troposferycznych (Leibniz-Institut für Troposphärenforschung) w Niemczech i Narodowego Instytutu Chemii (Kemijski Inštitut) w Słowenii zidentyfikowali nowe źródła niektórych aerozoli organicznych, wskazując istotną rolę roślinności w kształtowaniu się procesów w atmosferze. Ich badania ujawniły, jak szybko wydzielone lotne związki przekształcają się np. w kontakcie z kroplą wody, dając początek nowym aerozolom organicznym.

Mgła cząsteczek roślinnych

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. „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)” – zauważa prof. Szmigielski.

I choć związki pochodzenia roślinnego, takie jak GLV, nie wzbudzają podejrzeń o ich 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 wytwarzanymi przez ludzi zanieczyszczeniami. Cząstki stałe w powietrzu stają się idealną platformą do akumulowania się GLV i dalszego rozprzestrzeniania w atmosferze.

Przewidzieć rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w powietrzu 

Ze względu na rosnące zanieczyszczenie atmosfery coraz więcej badań skupia się na monitorowaniu jakości powietrza i modelowaniu teoretycznym, co pozwala przewidywać rozprzestrzenianie się i przemiany lotnych zanieczyszczeń w atmosferze. „Naszym głównym celem było wyznaczenie stałych szybkości danego procesu i ocena jego znaczenia dla badań atmosfery. Badane związki GLV mogą być skutecznymi prekursorami powstawania wtórnych zanieczyszczeń typu SOA w fazie wodnej, pomimo że są umiarkowanie rozpuszczalne w wodzie i pośrednio lotne” – prof. Szmigielski. 

Wykazano, że zarówno czas życia związków, jak i rodzaj przemian jakim ulegają, zależą od fazy w jakiej się znajdują. Okazało się, że sprzyjające są warunki wodne, gdyż 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.

Najważniejszym wynikiem tych badań jest określenie stałych szybkości i czasu trwałości GLV jako nowych źródeł aerozoli wtórnych w atmosferze. Tym samym, badania te udowadniają znaczenie tych cząsteczek w modelowaniu teoretycznym, przybliżając nas do lepszego przewidywania zjawisk atmosferycznych, a nawet głębszego zrozumienia zmian klimatycznych.

Wyniki badań ukazały się w artykule „Reaction Kinetics of Green Leaf Volatiles with Sulfate, Hydroxyl, and Nitrate Radicals in Tropospheric Aqueous Phase” w „Environmental Science & Technology”. DOI: 10.1021/acs.est.1c03276

Oprac. na podstawie materiału dr Magdaleny Osial