Μελέτη της σύστασης και της τοξικότητας εισπνεόμενων αιρούμενων σωματιδίων της ατμοσφαιρικής ρύπανσης μέσω μηχανισμών ελεύθερων ριζών

Abstract

Fine and coarse airborne particulate matter (PM) has been linked to increases in respiratory diseases and lung cancer. PM contains a variety of compounds, such as metals, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), nitro-PAHs, and quinones absorbed in a carbonaceous polymeric matrix. Due to their aerodynamic diameter (10μm), these particles are carried into the alveoli, where they remain for a long time and may cause inflammatory response and lung epithelial injury. Reactive oxygen species (ROS), especially hydroxyl radicals (ΟΗ·), generated by PM, have been suggested by many studies as an important factor in the oxidative damage of DNA and other important biomolecules by PM. In the present study, we determined the concentrations of 9 trace metals, 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and 5 quinones which are adsorbed to total suspended particulate (TSP) and finer fractions of airborne particulate matter (PM10.2 and PM2.1). These PM samples, were collected from a site in the centre of Athens (Greece), which is characterized by heavy local traffic and is densely populated, during the winter and summer periods in 2003-2004. Also, we collected and analyzed samples of diesel (DEP) and gasoline exhaust particles (GEP) from local vehicles (taxis and private cars) and from chimney exhaust of residential central heating appliances. The most commonly detected trace metals in the TSP and PM fractions were Fe, Pb, Zn, Cu, Ni and Mn. These metals were, also, determined in DEP and GEP and their concentrations were in high levels. Analysis of 16 PAHs bound to PM showed that their concentrations were high, especially during the winter months. In general, the fine particulate PAHs concentrations were higher than coarse particles. The most common PAHs in PM10.2 and PM2.1 were pyrene, phenanthrene, acenapthylene and fluoranthene, which are associated with diesel and gasoline exhaust particles. The results of this study underlined the importance of local emission sources, especially vehicular traffic, central heating during the winter and generally, local anthropogenic emissions. Using Electron Paramagnetic Resonance (EPR), we examined the quantities of persistent free radicals, characteristic of a mixture of quinoid radicals with different structures and a carbonaceous core of carbon-centred radicals. We extracted, separated and analysed the quinoid compounds by EPR spectroscopy. Their EPR spectra were identified quantitatively. The results of these analyses gave us the impetus to study the mechanisms and types of the radicals and ROS generated by PM in aqueous solution. We investigated the synergistic effect of transition metals and persistent quinoid and semiquinone radicals for the generation of ROS without the presence of H2O2. Using EPR, we studied the direct production of superoxide anion (O2·?) and the damaging hydroxyl radical (ΟΗ·) in aqueous and in DMSO suspensions of PM without H2O2. From these results, it is suggested that the cytotoxic and carcinogenic potential of PM can be partly the result of redox cycling of persistent quinoid radicals, which generate large amounts of ROS. In the second phase, the water-soluble fraction of PM elicits DNA damage via reactive transition metal-dependent formation of hydroxyl radicals, implicating an important role for hydrogen peroxide (H2O2). Together, these data indicate the importance of mechanisms involving redox cycling of quinones and redox Fenton-type reactions by transition metals in the generation of ROS.

Τα εισπνεόμενα αιωρούμενα σωματίδια έχουν συσχετισθεί με αύξηση του αριθμού των πνευμονικών παθήσεων και του καρκίνου του πνεύμονα. Σε αυτά περιέχεται ποικιλία παραγώγων, όπως μέταλλα, πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ), νιτρο-ΠΑΥ, κινόνες κ.λπ προσροφημένα σε ανθρακούχο πολυμερή σκελετό. Εξαιτίας της μικρής αεροδυναμικής τους διαμέτρου (10μm), τα σωματίδια αυτά μεταφέρονται στις πνευμονικές κυψελίδες, όπου παραμένουν για μεγάλο χρονικό διάστημα και μπορούν να προκαλέσουν φλεγμονώδεις καταστάσεις και βλάβες στα επιθηλιακά κύτταρα των πνευμόνων. Οι δραστικές οξυγονούχες ενώσεις και ιδιαίτερα οι ρίζες υδροξυλίου, οι οποίες παράγονται από τα διαλύματα των αιωρούμενων σωματιδίων, έχουν θεωρηθεί ως σημαντικός παράγοντας οξειδωτικής βλάβης του DNA. Στην παρούσα μελέτη προσδιορίσαμε τις συγκεντρώσεις 9 μετάλλων, 16 ΠΑΥ και 5 κινονών που βρίσκονται προσροφημένα στα ολικά (TSP) και σε μικρότερα κλάσματα εισπνεόμενων αιωρούμενων σωματιδίων (PM10,2 and PM2,1) τα οποία συλλέχθηκαν από το κέντρο της Αθήνας, κατά την περίοδο 2003-2004. Επίσης συλλέχθηκαν δείγματα καπνού από πετρελαιοκίνητα και βενζινοκίνητα τροχοφόρα οχήματα καθώς και από καμινάδες κεντρικών θερμάνσεων κτηρίων και τζακιών. Μέταλλα που βρίσκονται σε υψηλότερες συγκεντρώσεις στα TSP και στα κλάσματα των ΡΜ είναι Fe, Pb, Zn, Cu, Ni, Mn, που κυρίως συσχετίζονται με εκπομπές καυσαερίων τροχοφόρων οχημάτων και ιδιαίτερα εκείνων που κινούνται με ντήζελ. Επίσης οι συγκεντρώσεις των ΠΑΥ στα TSP και PM, ήταν ιδιαίτερα υψηλές και εμφάνιζαν αύξηση τους χειμερινούς μήνες. Τα λεπτόκοκκα σωματίδια (ΡΜ2,1) εμφάνιζαν υψηλότερες συγκεντρώσεις ΠΑΥ από τα ΡΜ10,2 και τα TSP. Τις υψηλότερες τιμές συγκεντρώσεων εμφανίζαν οι ΠΑΥ πυρένιο, φαινανθρένιο, ακεναφθυλένιο και φθορανθένιο, οι οποίοι βρίσκονται σε υψηλά επίπεδα στα καυσαέρια των πετρελαιοκίνητων και βενζινοκίνητων τροχοφόρων οχημάτων. Τα αποτελέσματά μας κατέδειξαν τη μεγάλη συνεισφορά των τοπικών πηγών εκπομπής, ιδιαίτερα των τροχοφόρων οχημάτων, των κεντρικών θερμάνσεων τους χειμερινούς μήνες και γενικά των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων στη σωματιδιακή ρύπανση. Επίσης, χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού (ΗΠΣ), μελετήσαμε τις ποσότητες των σταθερών ελευθέρων ριζών που υπάρχουν στα σωματίδια. Το συμπέρασμα στο οποίο καταλήξαμε είναι ότι πρόκειται για ένα μίγμα κινοειδών ριζών με διαφορετικές δομές καθώς και ριζών που φέρουν το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο σε άτομο άνθρακα. Με βάση τις αναλύσεις αυτές διερευνήσαμε τη συνεργική δράση των βαρέων μετάλλων και των σταθερών κινοειδών ελευθέρων ριζών στην παραγωγή δραστικών οξυγονούχων ενώσεων, χωρίς την προσθήκη H2O2. Χρησιμοποιώντας Φασματοσκοπία ΗΠΣ, μελετήσαμε την παραγωγή υπεροξειδικού ανιόντος (O2·?) και ριζών υδροξυλίου (ΟΗ·), σε διαλύματα DMSO και σε υδατικά αιωρήματα των δειγμάτων των αιωρουμένων σωματιδίων. Από τα αποτελέσματα συνάγεται ότι οι κυτταροτοξικές και καρκινογόνες δράσεις των σωματιδίων μπορεί να είναι το αποτέλεσμα του οξειδοαναγωγικού κύκλου σταθερών κινοειδών ελευθέρων ριζών, μέσω του οποίου παράγονται μεγάλες ποσότητες δραστικών οξυγονούχων ενώσεων. Επίσης, το υδατοδιαλυτό κλάσμα των αιωρουμένων σωματιδίων προκαλεί βλάβες στο DNA μέσω των μετάλλων που περιέχει, τα οποία συμβάλλουν στην παραγωγή ριζών υδροξυλίου, μέσω του σχηματισμού υπεροξειδίου του υδρογόνου.