Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Nanographene als funktionale Materialien und synthetische Herausforderung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige funktionale Nanographene synthetisiert und hinsichtlich ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften charakterisiert. Basierend auf dem Strukturmotiv des Graphens konnten anellierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen strukturdefiniert erhalten und gezielt in der Peripherie funktionalisiert werden. Basierend auf dem Synthesekonzept einer „Vorplanarisierung“ konnten Nanographen-Scheiben mit einem Durchmesser von bis zu 3 nm in hoher Reinheit erhalten werden. Durch die Entwicklung von Polyphenylen-Vorläufern mit einem gewinkelten Rückgrat konnten erstmals defektfreie und lösliche Nanographen-Streifen (GNRs) mit Breiten von 1,0 - 2,1 nm und Längen von über 40 nm synthetisiert werden.rnrnAm Hexa-peri-hexabenzocoronen (HBC) war es möglich, durch die Einführung kurzer linearer Alkylreste in der Peripherie den inter- und intrakolumnaren Abstand nach Selbstorganisation zu reduzieren. In Mischungen mit Perylentetracarboxydiimid (PDI) als Akzeptor konnte durch eine erhöhte Dichte und eine verbesserte Ladungsträgermobilität eine relative Steigerung der Effizienz von Donor-Akzeptor-Heteroübergangs-Solarzellen um 9 % erreicht werden. Eine kovalente Verknüpfung von HBC und PDI erlaubte hier die vollständige Kontrolle der supramolekularen Organisation, des Phasenverhaltens sowie des Abstandes zwischen Donor und Akzeptor.rnrnBasierend auf den im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Synthesekonzepten, eröffnen sich nun zahlreiche Möglichkeiten zur Entwicklung weiterer Nanographene, die entsprechend der gewünschten Anwendung funktionalisiert werden können und ein besseres Verständnis der Eigenschaften graphenartiger Materialien erlauben werden.

Entwicklung und Anwendung von mobilen Messstrategien und Analysemethoden zur Untersuchung urbanen Aerosols

Seit Anbeginn der Menschheitsgeschichte beeinflussen die Menschen ihre Umwelt. Durch anthropogene Emissionen ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, was einen zunehmenden Einfluss unter anderem auf die Atmosphärenchemie, die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna und das Klima hat. Die steigende Anzahl riesiger, wachsender Metropolen geht einher mit einer räumlichen Konzentration der Emission von Luftschadstoffen, was vor allem einen Einfluss auf die Luftqualität der windabwärts gelegenen ruralen Regionen hat. In dieser Doktorarbeit wurde im Rahmen des MEGAPOLI-Projektes die Abluftfahne der Megastadt Paris unter Anwendung des mobilen Aerosolforschungslabors MoLa untersucht. Dieses ist mit modernen, zeitlich hochauflösenden Instrumenten zur Messung der chemischen Zusammensetzung und Größenverteilung der Aerosolpartikel sowie einiger Spurengase ausgestattet. Es wurden mobile Messstrategien entwickelt und angewendet, die besonders geeignet zur Charakterisierung urbaner Emissionen sind. Querschnittsmessfahrten durch die Abluftfahne und atmosphärische Hintergrundluftmassen erlaubten sowohl die Bestimmung der Struktur und Homogenität der Abluftfahne als auch die Berechnung des Beitrags der urbanen Emissionen zur Gesamtbelastung der Atmosphäre. Quasi-Lagrange’sche Radialmessfahrten dienten der Erkundung der räumlichen Erstreckung der Abluftfahne sowie auftretender Transformationsprozesse der advehierten Luftschadstoffe. In Kombination mit Modellierungen konnte die Struktur der Abluftfahne vertieft untersucht werden. Flexible stationäre Messungen ergänzten den Datensatz und ließen zudem Vergleichsmessungen mit anderen Messstationen zu. Die Daten einer ortsfesten Messstation wurden zusätzlich verwendet, um die Alterung des organischen Partikelanteils zu beschreiben. Die Analyse der mobilen Messdaten erforderte die Entwicklung einer neuen Methode zur Bereinigung des Datensatzes von lokalen Störeinflüssen. Des Weiteren wurden die Möglichkeiten, Grenzen und Fehler bei der Anwendung komplexer Analyseprogramme zur Berechnung des O/C-Verhältnisses der Partikel sowie der Klassifizierung der Aerosolorganik untersucht. Eine Validierung verschiedener Methoden zur Bestimmung der Luftmassenherkunft war für die Auswertung ebenfalls notwendig. Die detaillierte Untersuchung der Abluftfahne von Paris ergab, dass diese sich anhand der Erhöhung der Konzentrationen von Indikatoren für unprozessierte Luftverschmutzung im Vergleich zu Hintergrundwerten identifizieren lässt. Ihre eher homogene Struktur kann zumeist durch eine Gauß-Form im Querschnitt mit einem exponentiellen Abfall der unprozessierten Schadstoffkonzentrationen mit zunehmender Distanz zur Stadt beschrieben werden. Hierfür ist hauptsächlich die turbulente Vermischung mit Umgebungsluftmassen verantwortlich. Es konnte nachgewiesen werden, dass in der advehierten Abluftfahne eine deutliche Oxidation der Aerosolorganik im Sommer stattfindet; im Winter hingegen ließ sich dieser Prozess während der durchgeführten Messungen nicht beobachten. In beiden Jahreszeiten setzt sich die Abluftfahne hauptsächlich aus Ruß und organischen Partikelkomponenten im PM1-Größenbereich zusammen, wobei die Quellen Verkehr und Kochen sowie zusätzlich Heizen in der kalten Jahreszeit dominieren. Die PM1-Partikelmasse erhöhte sich durch die urbanen Emissionen im Vergleich zum Hintergrundwert im Sommer in der Abluftfahne im Mittel um 30% und im Winter um 10%. Besonders starke Erhöhungen ließen sich für Polyaromaten beobachten, wo im Sommer eine mittlere Zunahme von 194% und im Winter von 131% vorlag. Jahreszeitliche Unterschiede waren ebenso in der Größenverteilung der Partikel der Abluftfahne zu finden, wo im Winter im Gegensatz zum Sommer keine zusätzlichen nukleierten kleinen Partikel, sondern nur durch Kondensation und Koagulation angewachsene Partikel zwischen etwa 10nm und 200nm auftraten. Die Spurengaskonzentrationen unterschieden sich ebenfalls, da chemische Reaktionen temperatur- und mitunter strahlungsabhängig sind. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des MoLa wurden bei einer Überführungsfahrt von Deutschland an die spanische Atlantikküste demonstriert, woraus eine Kartierung der Luftqualität entlang der Fahrtroute resultierte. Es zeigte sich, dass hauptsächlich urbane Ballungszentren von unprozessierten Luftschadstoffen betroffen sind, advehierte gealterte Substanzen jedoch jede Region beeinflussen können. Die Untersuchung der Luftqualität an Standorten mit unterschiedlicher Exposition bezüglich anthropogener Quellen erweiterte diese Aussage um einen Einblick in die Variation der Luftqualität, abhängig unter anderem von der Wetterlage und der Nähe zu Emissionsquellen. Damit konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelten Messstrategien und Analysemethoden nicht nur zur Untersuchung der Abluftfahne einer Großstadt, sondern auch auf verschiedene andere wissenschaftliche und umweltmesstechnische Fragestellungen anwenden lassen.

Synthese neuer Farbstofftopologien durch Anellierungsreaktionen

Die vorliegende Dissertation behandelt die Anwendung Übergangsmetall-katalysierter Anellierungsreaktionen zur Synthese neuartiger Chromophore. Dabei konnten sowohl benzoide als auch nicht-benzoide Strukturen insbesondere durch den Einsatz ausgewählter Pd(0)-Komplexe dargestellt werden. Die Arbeit gliedert sich in fünf Teile: Zunächst werden innovative Pentanellierungsreaktionen mit Acetylenen an bromierten Polycyclischen Aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) beschrieben, wodurch bislang unbekannte Cyclopenta-PAKs zugänglich werden. Die untersuchten neuen Verbindungen umfassen dabei sowohl einfach als auch doppelt pentanellierte Pyrene, Anthracene und Perylene mit variablem Substitutionsmuster. Auf diese Weise werden bathochrome Wellenlängenverschiebungen bis zu max = 780 nm erreicht. Im zweiten Teil wurde die Pentanellierungstechnik auf Perylenmonoimid-(PMI)-Derivate angewandt. Die resultierenden Arylcyclopenta-PMIs weisen in ihren optischen Eigenschaften starke Ähnlichkeiten zu den verwandten Perylendiimiden (PDI) auf, bieten jedoch die Möglichkeit zusätzlicher Funktionalisierungen. Die Vergrößerung des aromatischen Systems des PDI durch Hexanellierung dagegen wurde im darauffolgenden Kapitel untersucht. Analog zur bekannten homologen Reihe der Rylene (Perylen, Terrylen, Quaterrylen) konnten im Rahmen dieser Arbeit die verwandten 1,12:6,7-Coronendiimid-(CDI)-Derivate um das im Kern unsubstituierte CDI selbst und das 3,4:9,10-Dinaphtho-CDI vervollständigt werden. UV/Vis-Absorptionsmessungen zeigen auch hier eine stete bathochrome Verschiebung der Absorptionswellenlängen. Das Wissen um die Coronendiimid-Synthesen sollte im vierten Teil weiterführend zur Darstellung eines Tetraketo-CDIs genutzt werden. Die finalen Oxidationsversuche zur Einführung der Keto-Gruppen waren nicht erfolgreich, bieten jedoch Einblicke in die Reaktivität unterschiedlicher CDI-Derivate. Der letzte Teil illustriert die Anwendung der bereits zuvor beschriebenen Hexanellierungsreaktion auf Tetrabrom-Terrylendiimid (TDI) zur Darstellung eines Tetranaphtho-TDI. Letzteres bildet dabei drei Isomere aus, wobei zwei optische Aktivität zeigen. UV/Vis und Circulardichroismus-Messungen zeigen hierfür auch bei erhöhten Temperaturen bemerkenswert hohe Racemisierungsbarrieren.

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.

Valutazione del contributo emissivo in condizioni non-stazionarie alle emissioni totali di una stufa a pellet domestica

The aim of this work is to evaluate the emissions of the main pollutants of a pellet stove, by trying to simulate the real use in domestic operations. All the operating phases of this system were considered: ignition, partial load, increase in power, and nominal load. In each phase, quantity and type of some pollutants in emissions were determined: the main pollutant gases (CO, NOx, SO2, H2S and volatile organic compounds (VOCs)), total dust (PM) and its content of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), regulated heavy metals (Ni, Cd, As and Pb), main soluble ions and Total Carbon (TC). Results show that emission factors of TSP, CO, and of the main determined pollutants (TC, Cd and PAHs) are higher during ignition phase. In particular, this phase prevalently contributes to PAHs emissions. During increase in power phase, gas and particulate emissions do not appreciably differ from nominal load ones; nevertheless, PAH emission factors are higher than steady state ones, but lower than ignition phase. Moreover, during not-steady state phases, PAH mixture is more toxic than during steady state phases. In conclusion, this study allowed to go deeper in pellet stove environmental impact, by pointing out how the different operating conditions can modify the emissions. These are different from certificated data, which are based exclusively on measurements in steady state conditions.

Developmental toxicity and endocrine disrupting potency of 4-azapyrene, benzo[b]fluorene and retene in the zebrafish Danio rerio

This study examined the developmental toxicity of the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) 11H-benzo(b)fluorene (BBF) and 4-azapyrene (AP) in comparison to the known teratogen retene. Developmental toxicity assays were performed in zebrafish embryos exposed for 120 h. BBF and retene induced a similar dioxin-like phenotype, whereas AP showed distinct effects, particularly craniofacial malformations. Microarray analysis revealed that for BBF and retene, drug metabolism pathways were induced, which were confirmed by subsequent studies of cyp1a gene expression. For AP, microarray analysis revealed the regulation of genes involved in retinoid metabolism and hematological functions. Studies with a panel of CALUX((R)) bioassays to screen for endocrine disrupting activity of the compounds also revealed novel antagonistic effects of BBF and retene on androgen and progesterone receptors. Classification analysis revealed distinct gene expression profiles for both individual and combined PAH exposure. This study highlights the potential health risk of non priority PAHs.

Tissue-specific metabolism of benzo[a]pyrene in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss): a comparison between the liver and immune organs.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are immunotoxicants in fish. In mammals, phase I metabolites are believed to be critically involved in the immunotoxicity of PAHs. This mechanism has been suggested for fish as well. The present study investigates the capacity of immune organs (head kidney, spleen) of rainbow trout, Oncorhynchus mykiss, to metabolize the prototypic PAH, benzo[a]pyrene (BaP). To this end, we analyzed 1) the induction of enzymatic capacity measured as 7-ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) activity in immune organs compared with liver, 2) the organ profiles of BaP metabolites generated in vivo, and 3) rates of microsomal BaP metabolite production in vitro. All measurements were done for control fish and for fish treated with an intraperitoneal injection of 15 mg BaP/kg body weight. In exposed trout, the liver, head kidney, and spleen contained similar levels of BaP, whereas EROD induction differed significantly between the organs, with liver showing the highest induction factor (132.8×), followed by head kidney (38.4×) and spleen (1.4×). Likewise, rates of microsomal metabolite formation experienced the highest induction in the liver of BaP-exposed trout, followed by the head kidney and spleen. Microsomes from control fish displayed tissue-specific differences in metabolite production. In contrast, in BaP-exposed trout, microsomes of all organs produced the potentially immunotoxic BaP-7,8-dihydrodiol as the main metabolite. The findings from this study show that PAHs, like BaP, are distributed into immune organs of fish and provide the first evidence that immune organs possess inducible PAH metabolism leading to in situ production of potentially immunotoxic PAH metabolites.

Modeling the formation and aging of secondary organic aerosols during CalNex 2010

Four different literature parameterizations for the formation and evolution of urban secondary organic aerosol (SOA) frequently used in 3-D models are evaluated using a 0-D box model representing the Los Angeles metropolitan region during the California Research at the Nexus of Air Quality and Climate Change (CalNex) 2010 campaign. We constrain the model predictions with measurements from several platforms and compare predictions with particle- and gas-phase observations from the CalNex Pasadena ground site. That site provides a unique opportunity to study aerosol formation close to anthropogenic emission sources with limited recirculation. The model SOA that formed only from the oxidation of VOCs (V-SOA) is insufficient to explain the observed SOA concentrations, even when using SOA parameterizations with multi-generation oxidation that produce much higher yields than have been observed in chamber experiments, or when increasing yields to their upper limit estimates accounting for recently reported losses of vapors to chamber walls. The Community Multiscale Air Quality (WRF-CMAQ) model (version 5.0.1) provides excellent predictions of secondary inorganic particle species but underestimates the observed SOA mass by a factor of 25 when an older VOC-only parameterization is used, which is consistent with many previous model–measurement comparisons for pre-2007 anthropogenic SOA modules in urban areas. Including SOA from primary semi-volatile and intermediate-volatility organic compounds (P-S/IVOCs) following the parameterizations of Robinson et al. (2007), Grieshop et al. (2009), or Pye and Seinfeld (2010) improves model–measurement agreement for mass concentration. The results from the three parameterizations show large differences (e.g., a factor of 3 in SOA mass) and are not well constrained, underscoring the current uncertainties in this area. Our results strongly suggest that other precursors besides VOCs, such as P-S/IVOCs, are needed to explain the observed SOA concentrations in Pasadena. All the recent parameterizations overpredict urban SOA formation at long photochemical ages (3 days) compared to observations from multiple sites, which can lead to problems in regional and especially global modeling. However, reducing IVOC emissions by one-half in the model to better match recent IVOC measurements improves SOA predictions at these long photochemical ages. Among the explicitly modeled VOCs, the precursor compounds that contribute the greatest SOA mass are methylbenzenes. Measured polycyclic aromatic hydrocarbons (naphthalenes) contribute 0.7% of the modeled SOA mass. The amounts of SOA mass from diesel vehicles, gasoline vehicles, and cooking emissions are estimated to be 16–27, 35–61, and 19–35 %, respectively, depending on the parameterization used, which is consistent with the observed fossil fraction of urban SOA, 71(+-3) %. The relative contribution of each source is uncertain by almost a factor of 2 depending on the parameterization used. In-basin biogenic VOCs are predicted to contribute only a few percent to SOA. A regional SOA background of approximately 2.1 μgm-3 is also present due to the long-distance transport of highly aged OA, likely with a substantial contribution from regional biogenic SOA. The percentage of SOA from diesel vehicle emissions is the same, within the estimated uncertainty, as reported in previous work that analyzed the weekly cycles in OA concentrations (Bahreini et al., 2012; Hayes et al., 2013). However, the modeling work presented here suggests a strong anthropogenic source of modern carbon in SOA, due to cooking emissions, which was not accounted for in those previous studies and which is higher on weekends. Lastly, this work adapts a simple two-parameter model to predict SOA concentration and O/C from urban emissions. This model successfully predicts SOA concentration, and the optimal parameter combination is very similar to that found for Mexico City. This approach provides a computationally inexpensive method for predicting urban SOA in global and climate models. We estimate pollution SOA to account for 26 Tg yr-1 of SOA globally, or 17% of global SOA, one third of which is likely to be non-fossil.

Searching the hearts of graphene-like molecules for simplicity, sensitivity and logic

If quantum interference patterns in the hearts of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) could be isolated and manipulated, then a significant step towards realizing the potential of single-molecule electronics would be achieved. Here we demonstrate experimentally and theoretically that a simple, parameter-free, analytic theory of interference patterns evaluated at the mid-point of the HOMO-LUMO gap (referred to as M-functions) correctly predicts conductance ratios of molecules with pyrene, naphthalene, anthracene, anthanthrene or azulene hearts. M-functions provide new design strategies for identifying molecules with phase-coherent logic functions and enhancing the sensitivity of molecular-scale interferometers.

Towards science-based sediment quality standards-Effects of field-collected sediments in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss).

Sediments can act as long-term sinks for environmental pollutants. Within the past decades, dioxin-like compounds (DLCs) such as polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs), polychlorinated dibenzofurans (PCDFs), polychlorinated biphenyls (PCBs), and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have attracted significant attention in the scientific community. To investigate the time- and concentration-dependent uptake of DLCs and PAHs in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) and their associated toxicological effects, we conducted exposure experiments using suspensions of three field-collected sediments from the rivers Rhine and Elbe, which were chosen to represent different contamination levels. Five serial dilutions of contaminated sediments were tested; these originated from the Prossen and Zollelbe sampling sites (both in the river Elbe, Germany) and from Ehrenbreitstein (Rhine, Germany), with lower levels of contamination. Fish were exposed to suspensions of these dilutions under semi-static conditions for 90 days. Analysis of muscle tissue by high resolution gas chromatography and mass spectrometry and of bile liquid by high-performance liquid chromatography showed that particle-bound PCDD/Fs, PCBs and PAHs were readily bioavailable from re-suspended sediments. Uptake of these contaminants and the associated toxicological effects in fish were largely proportional to their sediment concentrations. The changes in the investigated biomarkers closely reflected the different sediment contamination levels: cytochrome P450 1A mRNA expression and 7-ethoxyresorufin-O-deethylase activity in fish livers responded immediately and with high sensitivity, while increased frequencies of micronuclei and other nuclear aberrations, as well as histopathological and gross pathological lesions, were strong indicators of the potential long-term effects of re-suspension events. Our study clearly demonstrates that sediment re-suspension can lead to accumulation of PCDD/Fs and PCBs in fish, resulting in potentially adverse toxicological effects. For a sound risk assessment within the implementation of the European Water Framework Directive and related legislation, we propose a strong emphasis on sediment-bound contaminants in the context of integrated river basin management plans.

SAMPLING METHODOLOGY FOR AIRBORNE SEMIVOLATILE ORGANIC POLLUTANTS USING POLYURETHANE FOAMS (COLLECTION, PESTICIDES, VOLATILE)

Indoor and ambient air organic pollutants have been gaining attention because they have been measured at levels with possible health effects. Studies have shown that most airborne polychlorinated biphenyls (PCBs), pesticides and many polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are present in the free vapor state. The purpose of this research was to extend recent investigative work with polyurethane foam (PUF) as a collection medium for semivolatile compounds. Open-porous flexible PUFs with different chemical makeup and physical properties were evaluated as to their collection affinities/efficiencies for various classes of compounds and the degree of sample recovery. Filtered air samples were pulled through plugs of PUF spiked with various semivolatiles under different simulated environmental conditions (temperature and humidity), and sampling parameters (flow rate and sample volume) in order to measure their effects on sample breakthrough volume (V(,B)). PUF was also evaluated in the passive mode using organo-phosphorus pesticides. Another major goal was to improve the overall analytical methodology; PUF is inexpensive, easy to handle in the field and has excellent airflow characteristics (low pressure drop). It was confirmed that the PUF collection apparatus behaves as if it were a gas-solid chromatographic system, in that, (V(,B)) was related to temperature and sample volume. Breakthrough volumes were essentially the same using both polyether and polyester type PUF. Also, little change was observed in the V(,B)s after coating PUF with common chromatographic liquid phases. Open cell (reticulated) foams gave better recoveries than closed cell foams. There was a slight increase in (V(,B)) with an increase in the number of cells/pores per inch. The high-density polyester PUF was found to be an excellent passive and active collection adsorbent. Good recoveries could be obtained using just solvent elution. A gas chromatograph equipped with a photoionization detector gave excellent sensitivities and selectivities for the various classes of compounds investigated. ^

An integrated molecular biology and computational approach to CYP1A1 expression in human brain

The cytochromes P450 comprise a superfamily of heme-containing mono-oxygenases. These enzymes metabolize numerous xenobiotics, but also play a role in metabolism of endogenous compounds. The P450 1A1 enzyme generally metabolizes polycyclic aromatic hydrocarbons, and its expression can be induced by aryl hydrocarbon receptor (AhR) activation. CYP1A1 is an exception to the generality that the majority of CYPs demonstrate highest expression in liver; CYP1Al is present in numerous extrahepatic tissues, including brain. This P450 has been observed in two forms, wildtype (WT) and brain variant (BV), arising from alternatively spliced mRNA transcripts. The CYP1A1 BV mRNA presented an exon deletion and was detected in human brain but not liver tissue of the same individuals. ^ Quantitative PCR analyses were performed to determine CYP1A1 WT and BV transcript expression levels in normal, bipolar disorder or schizophrenic groups. In our samples, we show that CYP1A1 BV mRNA, when present, is found alongside the full-length form. Furthermore, we demonstrate a significant decrease in expression of CYP1A1 in patients with bipolar disorder or schizophrenia. The expression level was not influenced by post-mortem interval, tissue pH, age, tobacco use, or lifetime antipsychotic medication load. ^ There is no indication of increased brain CYP1A1 expression in normal smokers versus non-smokers in these samples. We observed slightly increased CYP1A1 expression only in bipolar and schizophrenic smokers versus non-smokers. This may be indicative of complex interactions between neuronal chemical environments and AhR-mediated CYP1A1 induction in brain. ^ Structural homology modeling demonstrated that P450 1A1 BV has several alterations to positions/orientations of substrate recognition site residues compared to the WT isoform. Automated substrate docking was employed to investigate the potential binding of neurological signaling molecules and neurotropic drugs, as well as to differentiate specificities of the two P450 1A1 isoforms. We consistently observed that the BV isoform produced energetically favorable substrate dockings in orientations not observed for the same substrate in the WT isoform. These results demonstrated that structural differences, namely an expanded substrate access channel and active site, confer greater capacity for unique compound docking positions suggesting a metabolic profile distinct from the wildtype form for these test compounds. ^

RUNOFF FROM COAL PILES: EFFECTS ON THE ENVIRONMENT AND THE PUBLIC'S HEALTH

The use of coal for fuel in place of oil and natural gas has been increasing in the United States. Typically, users store their reserves of coal outdoors in large piles and rainfall on the coal creates runoffs which may contain materials hazardous to the environment and the public's health. To study this hazard, rainfall on model coal piles was simulated, using deionized water and four coals of varying sulfur content. The simulated surface runoffs were collected during 9 rainfall simulations spaced 15 days apart. The runoffs were analyzed for 13 standard water quality parameters, extracted with organic solvents and then analyzed with capillary column GC/MS, and the extracts were tested for mutagenicity with the Ames Salmonella microsomal assay and for clastogenicity with Chinese hamster ovary cells.^ The runoffs from the high-sulfur coals and the lignite exhibited extremes of pH (acidity), specific conductance, chemical oxygen demand, and total suspended solids; the low-sulfur coal runoffs did not exhibit these extremes. Without treatment, effluents from these high-sulfur coals and lignite would not comply with federal water quality guidelines.^ Most extracts of the simulated surface runoffs contained at least 10 organic compounds including polycyclic aromatic hydrocarbons, their methyl and ethyl homologs, olefins, paraffins, and some terpenes. The concentrations of these compounds were generally less than 50 (mu)g/l in most extracts.^ Some of the extracts were weakly mutagenic and affected both a DNA-repair proficient and deficient Salmonella strain. The addition of S9 decreased the effect significantly. Extracts of runoffs from the low-sulfur coal were not mutagenic.^ All extracts were clastogenic. Extracts of runoffs from the high-sulfur coals were both clastogenic and cytotoxic; those from the low-sulfur coal and the lignite were less clastogenic and not cytotoxic. Clastogenicity occurred with and without S9 activation. Chromosomal lesions included gaps, breaks and exchanges. These data suggest a relationship between the sulfur content of a coal, its mutagenicity and also its clastogenicity.^ The runoffs from actual coal piles should be investigated for possible genotoxic effects in view of the data presented in this study.^

Concentrations of organic compounds in suspended matter from surface waters and surface layer bottom sediments of the Obskay Guba (Ob River estuary) and the Kara Sea

Data are presented on concentrations of aliphatic and polycyclic aromatic hydrocarbons (AHC and PAH) in interstitial waters and bottom sediments of the Kara Sea compared to distribution of particulate matter and organic carbon. It was found that AHC concentrations within the water mass (aver. 16 µg/l) are mainly formed by natural processes. Distribution of AHC represents variability of hydrological and sedimentation processes in different regions of the sea. The widest ranges of the concentrations occurred in the Obskaya Guba - Kara Sea section: in water (10-310 µg/l for AHC and 0.4-7.2 ng/l for PAH) and in the surface layer of the bottom sediments (8-42 µg/l for AHC and 9-94 ng/g for PAH). Differentiation of hydrocarbons (HC) in different media follows regularities typical for marginal filters; therefore no oil and pyrogenic compounds are supplied to the open sea. In sediments contents of HC depend on variations in redox conditions in sediments and on their composition.