Water-soluble organic compounds in air particulate matter analyzed by HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS: abundance, sources and transformation of carboxylic acids, nitrophenols and nitrated proteins

Wasserlösliche organische Verbindungen (WSOCs) sind Hauptbestandteile atmosphärischer Aerosole, die bis zu ~ 50% und mehr der organischen Aerosolfraktion ausmachen. Sie können die optischen Eigenschaften sowie die Hygroskopizität von Aerosolpartikeln und damit deren Auswirkungen auf das Klima beeinflussen. Darüber hinaus können sie zur Toxizität und Allergenität atmosphärischer Aerosole beitragen.In dieser Studie wurde Hochleistungsflüssigchromatographie gekoppelt mit optischen Diodenarraydetektion und Massenspektrometrie (HPLC-DAD-MS und HPLC-MS/MS) angewandt, um WSOCs zu analysieren, die für verschiedene Aerosolquellen und -prozesse charakteristisch sind. Niedermolekulare Carbonsäuren und Nitrophenole wurden als Indikatoren für die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entstehung sowie Alterung sekundärer organischer Aerosole (SOA) aus biogenen Vorläufern untersucht. Protein-Makromoleküle wurden mit Blick auf den Einfluss von Luftverschmutzung und Nitrierungsreaktionen auf die Allergenität primärer biologischer Aerosolpartikel – wie Pollen und Pilzsporen – untersucht.rnFilterproben von Grob- und Feinstaubwurden über ein Jahr hinweg gesammelt und auf folgende WSOCs untersucht: die Pinen-Oxidationsprodukte Pinsäure, Pinonsäure und 3-Methyl-1,2,3-Butantricarbonsäure (3-MBTCA) sowie eine Vielzahl anderer Dicarbonsäuren und Nitrophenole. Saisonale Schwankungen und andere charakteristische Merkmale werden mit Blick auf Aerosolquellen und -senken im Vergleich zu Daten anderen Studien und Regionen diskutiert. Die Verhätlnisse von Adipinsäure und Phthalsäure zu Azelainsäure deuten darauf hin, dass die untersuchten Aerosolproben hauptsächlich durch biogene Quellen beeinflusst werden. Eine ausgeprägte Arrhenius-artige Korrelation wurde zwischen der 3-MBTCA-¬Konzentration und der inversen Temperatur beobachtet (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, Temperaturbereich 275–300 K). Modellrechnungen zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit auf eine Steigerung der photochemischen Produktionsraten von 3-MBTCA durch erhöhte OH-Radikal-Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zur chemischen Reaktionskinetik scheint der Einfluss von Gas-Partikel-Partitionierungseffekten nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die OH-initiierte Oxidation von Pinosäure der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Bildung von 3-MBTCA ist. 3-MBTCA erscheint somit als Indikator für die chemische Alterung von biogener sekundärer organischer Aerosole (SOA) durch OH-Radikale geeignet. Eine Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit wurde auch für Pinäure beobachtet und kann durch die Temperaturabhängigkeit der biogenen Pinen-Emissionen als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pinsäure-Bildung erklärt werden (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1).rn rnFür die Untersuchung von Proteinnitrierungreaktionen wurde nitrierte Protein¬standards durch Flüssigphasenreaktion von Rinderserumalbumin (BSA) und Ovalbumin (OVA) mit Tetranitromethan (TNM) synthetisiert.Proteinnitrierung erfolgt vorrangig an den Resten der aromatischen Aminosäure Tyrosin auf, und mittels UV-Vis-Photometrie wurde der Proteinnnitrierungsgrad (ND) bestimmt. Dieser ist definiert als Verhältnis der mittleren Anzahl von Nitrotyrosinresten zur Tyrosinrest-Gesamtzahl in den Proteinmolekülen. BSA und OVA zeigten verschiedene Relationen zwischen ND und TNM/Tyrosin-Verhältnis im Reaktionsgemisch, was vermutlich auf Unterschiede in den Löslichkeiten und den molekularen Strukturen der beiden Proteine zurück zu führen ist.rnDie Nitrierung von BSA und OVA durch Exposition mit einem Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) wurde mit einer neu entwickelten HPLC-DAD-¬Analysemethode untersucht. Diese einfache und robuste Methode erlaubt die Bestimmung des ND ohne Hydrolyse oder Verdau der untersuchten Proteine und ernöglicht somit eine effiziente Untersuchung der Kinetik von Protein¬nitrierungs-Reaktionen. Für eine detaillierte Produktstudien wurden die nitrierten Proteine enzymatisch verdaut, und die erhaltenen Oligopeptide wurden mittels HPLC-MS/MS und Datenbankabgleich mit hoher Sequenzübereinstimmung analysiert. Die Nitrierungsgrade individueller Nitrotyrosin-Reste (NDY) korrelierten gut mit dem Gesamt-Proteinnitrierungsgrad (ND), und unterschiedliche Verhältnisse von NDY zu ND geben Aufschluss über die Regioselektivität der Reaktion. Die Nitrierungmuster von BSA und OVA nach Beahndlung mit TNM deuten darauf hin, dass die Nachbarschaft eines negativ geladenen Aminosäurerestes die Tyrosinnitrierung fördert. Die Behandlung von BSA durch NO2 und O3 führte zu anderend Nitrierungemustern als die Behandlung mit TNM, was darauf hindeutet, dass die Regioselektivität der Nitrierung vom Nitrierungsmittel abhängt. Es zeigt sich jedoch, dass Tyrosinreste in Loop-Strukturen bevorzugt und unabhängig vom Reagens nitriert werden.Die Methoden und Ergebnisse dieser Studie bilden eine Grundlage für weitere, detaillierte Untersuchungen der Reaktionskinetik sowie der Produkte und Mechanismen von Proteinnitrierungreaktionen. Sie sollen helfen, die Zusammenhänge zwischen verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Ozon und der Allergenität von Luftstaub aufzuklären.rn

A compact and portable deposition chamber to study nanoparticles in air-exposed tissue

BACKGROUND Epidemiological studies show that elevated levels of particulate matter in ambient air are highly correlated with respiratory and cardiovascular diseases. Atmospheric particles originate from a large number of sources and have a highly complex and variable composition. An assessment of their potential health risks and the identification of the most toxic particle sources would require a large number of investigations. Due to ethical and economic reasons, it is desirable to reduce the number of in vivo studies and to develop suitable in vitro systems for the investigation of cell-particle interactions. METHODS We present the design of a new particle deposition chamber in which aerosol particles are deposited onto cell cultures out of a continuous air flow. The chamber allows for a simultaneous exposure of 12 cell cultures. RESULTS Physiological conditions within the deposition chamber can be sustained constantly at 36-37°C and 90-95% relative humidity. Particle deposition within the chamber and especially on the cell cultures was determined in detail, showing that during a deposition time of 2 hr 8.4% (24% relative standard deviation) of particles with a mean diameter of 50 nm [mass median diameter of 100 nm (geometric standard deviation 1.7)] are deposited on the cell cultures, which is equal to 24-34% of all charged particles. The average well-to-well variability of particles deposited simultaneously in the 12 cell cultures during an experiment is 15.6% (24.7% relative standard deviation). CONCLUSIONS This particle deposition chamber is a new in vitro system to investigate realistic cell-particle interactions at physiological conditions, minimizing stress on the cell cultures other than from deposited particles. A detailed knowledge of particle deposition characteristics on the cell cultures allows evaluating reliable dose-response relationships. The compact and portable design of the deposition chamber allows for measurements at any particle sources of interest.

A Study of Radon in Air and Water in Maine Schools

The transfer coefficient of radon from water to air was investigated in schools. Kitchens, bathrooms and locker rooms were studied for seven schools in Maine. Simulations were done in water-use rooms where radon in air detectors were in place. Quantities measured were radon in water (270-24500 F) and air (0-80 q), volume of water used, emissivities (0.01-0.99) and ventilation rates (0.012-0.066A). Variation throughout the room of the radon concentration was found. Values calculated for the transfer coefficient for kitchens and baths were ranged from 9.6 x to 2.0 x The transfer coefficient was calculated using these parameters and was also measured using concentrations of radon in water and air. This provides a means by which radon in air can be estimated using the transfer coefficient and the concentration in the water in other schools and it can be used to estimate the dose caused by radon released from water use. This project was partially funded by the United States Environmental Protection Agency (grant #X828l2 101-0) and by the State of Maine (grant #10A500178). These are the first measurements of this type to be done in schools in the United States.

The role of municipalities in air toxics regulation: The Houston experience

The federal regulatory regime for addressing airborne toxic pollutants functions fairly well in most of the country. However, it has proved deficient in addressing local risk issues, especially in urban areas with densely concentrated sources. The problem is especially pronounced in Houston, which is home to one of the world's biggest petrochemical complexes and a major port, both located near a large metropolitan center. Despite the fact that local government's role in regulating air toxics is typically quite limited, from 2004-2009, the City of Houston implemented a novel municipality-based air toxics reduction strategy. The initiatives ranged from voluntary agreements to litigation and legislation. This case study considers why the city chose the policy tools it did, how the tools performed relative to the designers' intentions, and how the debate among actors with conflicting values and goals shaped the policy landscape. The city's unconventional approach to controlling hazardous air pollution has not yet been examined rigorously. The case study was developed through reviews of publicly available documents and quasi-public documents obtained through public record requests, as well as interviews with key informants. The informants represented a range of experience and perspectives. They included current and former public officials at the city (including Mayor White), former Texas Commission on Environmental Quality staff, faculty at local universities, industry representatives, and environmental public health advocates. Some of the city's tools were successful in meeting their designers' intent, some were less successful. Ultimately, even those tools that did not achieve their stated purpose were nonetheless successful in bringing attention and resources to the air quality issue. Through a series of pleas and prods, the city managed to draw attention to the problem locally and get reluctant policymakers at higher levels of government to respond. This work demonstrates the potential for local government to overcome limitations in the federal regulatory regime for air toxics control, shifting the balance of local, state, and federal initiative. It also highlights the importance of flexible, cooperative strategies in local environmental protection.^