Озонирование воздуха заставило кожу создать вокруг человека окислительное поле

Химики из Германии, США и Дании выяснили, что выделяемые кожей человека вещества приводят к образованию вокруг него окислительного поля. Ученые поместили четверых человек в герметичный макет офиса и начали озонировать воздух до уровня, близкого к предельным допустимым концентрациям. Эксперимент показал, что озон взаимодействует с выделяемыми кожей человека летучими органическими соединениями, образуя ОН-радикалы. Эти же соединения реагируют с активными формами кислорода и озоном в воздухе комнаты, создавая окислительное поле человека. Исследование опубликовано в журнале Science.

Летучие органические соединения (ЛОС), выделяемые людьми через легкие и кожу, несут большую информацию о состоянии человека. По составу ЛОС в последние годы химики и врачи научились определять заболевания (онкологические и малярию), а за изучение связи эмоций с ЛОС человеческой кожи в 2021 году даже дали Шнобелевскую премию.

Одно из самых реакционно способных соединений воздуха — озон (естественного происхождения или синтезированный озонатором воздуха). Предельная допустимая концентрация (ПДК) озона в рабочей зоне по действующим в России стандартам составляет 100 микрограмм на кубометр, или около 45 объемных частей на миллиард. В замкнутом помещении, заполненном людьми, она, как правило, меньше — около пяти объемных частей на миллиард, во многом из-за того, что озон реагирует с ЛОС, содержащими двойную углерод-углеродную связь, в присутствии паров воды. В результате этой реакции — озонолиза — через несколько промежуточных состояний образуются альдегиды или кетоны и OH-радикал.

Стабильные альдегиды и кетоны могут участвовать в озонолизе и «удаленно» от тела, особенно при повышенной температуре и низкой влажности, когда испарение происходит легче. Эти же ЛОС реагируют с ОН-радикалами и в воздухе.

В клетке OH-радикал, будучи крайне активным соединением, за наносекунды вступает в реакцию с молекулами воды или органическими соединениями. Благодаря этому ОН-радикал — важный участник окислительного стресса организмов. В воздухе же гидроксил стабильнее и имеет период полужизни вплоть до десятков миллисекунд. Следовательно, должны существовать облака из свободных радикалов вокруг живых организмов, но непонятно, насколько оно велики, имеют ли значение и как можно на них повлиять.

Химики и инженеры под руководством Джонатана Уильямса (Jonathan Williams) из Технического университета Дании и Института химии общества Макса Планка решили оценить, сколько гидроксил-радикалов производят люди в замкнутом помещении, и как распределяется окислительное поле человека в зависимости от скорости движения воздуха в комнате.

Экспериментаторы поместили четверых человек в герметичную экспериментальную камеру объемом 22,5 кубометра из нержавеющей стали со столом, стульями и двумя вентиляторами, направленными на стены. Воздух подавали через отверстия в полу. Испытуемые находились в камере в течение 400 минут с двумя перерывами. Параллельно ученые смотрели концентрацию гидроксилов и ЛОС воздуха комнаты. В процессе эксперимента уровень ЛОС анализировали раз в три минуты, а уровень OH-радикалов — раз в одну-десять минут. Параллельно авторы работы рассчитывали концентрацию OH-радикалов, исходя из измеренных уровней озона и ЛОС по известным параметрам кинетики химических реакций.

В первой половине эксперимента озон в камеру не подавали. Затем исследователи довели концентрацию озона до 35 объемных частей на миллиард. За 15 минут до конца эксперимента фиксировали равновесное состояние химической системы. Отдельный опыт исследователи провели с одеждой без испытуемых, чтобы оценить, какая часть свободнорадикального поля связана с ней.

Прямые измерения показали, что в момент достижения стационарной концентрации ЛОС в помещении с людьми было в среднем 7,1 ± 0,2 × 10⁵ гидроксил-радикалов на миллилитр воздуха (до захода людей в помещение концентрация была близкой к нулю). Пока уровень озона в комнате был близок к нулевому, основными соединениями, способными связывать OH-радикалы, были изопрен из выдыхаемого воздуха и его производные. При добавлении озона период полужизни ОН-радикала в воздухе комнаты упал в четыре раза. Из-за появления новых ЛОС OH-реактивность (величина, пропорциональная константе скорости реакции псевдопервого порядка для взаимодействия OH-радикалов с ЛОС) поднялась с 8 ± 4 до 34 ± 16 секунд^-1. Рост OH-реактивности был вызван появлением в воздухе продуктов озонолиза липидов кожи (в первую очередь производных сквалена — 6-метил-5-гептен-1-он, 4-оксипентаналь). Концентрации ЛОС, наиболее значимых для процесса, составляли порядка 10¹⁰-10¹¹ молекул на миллилитр воздуха за 15 минут до конца эксперимента.

Расчетные данные скорости реакции гидроксил-радикала с ЛОС совпали с измерением концентраций продуктов. Поэтому, собрав данные из пустого помещения, помещения с людьми с разными уровнями озона и из помещения с одеждой без людей, авторы разработали кинетическую модель.

Моделирование показало, что включение вентиляторов ведет к тому, что максимум гидроксил-радикалов и ЛОС образуется у поверхности кожи, а потом их относит от тела, и концентрация гидроксилов становится максимальной в воздухе на удалении от человека. Если вентиляторы выключить, то форма человеческого окислительного поля определяется в первую очередь температурой воздуха: активность OH-радикалов максимальна вокруг рта, верхней части головы человека и над ней.

В третьей модели источник воздуха был расположен там, где обычно располагается кондиционер — под потолком. Если уровень озона при этом близок к 35 частям на миллиард, то максимальный период полужизни OH-радикалов у источника воздуха, а минимальный — у человеческого тела. Когда концентрация озона падает до пяти частей на миллиард, то пространственное распределение остается прежним, но период полужизни OH-радикалов становится в полтора-два раза дольше, а концентрация падает на порядок. Полученные данные показывают, что при разных концентрациях озона оправданы разные стратегии вентиляции.

Есть ли медицинские последствия у озонирования и вызываемой им «шапочки» из гидроксил-радикалов вкруг головы — пока неясно. Авторы отмечают, что у большой части выявленных продуктов озонолиза не установлены даже ПДК. Также важно понимать, что эксперимент был проведен в условиях минимума посторонних соединений, минимальной реакционной способности материалов стен и стола и минимума запахов. Среди пахнущих соединений высока доля веществ с двойной углерод-углеродной связью, и когда озона много, состав ЛОС меняется.

Может показаться, что миллион OH-радикалов на миллилитр воздуха — это не так и много, но надо учитывать, что в эксперименте ученые оценили лишь часть человеческого свободно-радикального поля. Не следует забывать, что вода — куда более серьезный источник активных форм кислорода и их предшественников. Мы рассказывали о том, как перекись водорода была обнаружена в водном конденсате.

Сергей Задворьев