Quantifying the OH radical by global scale NMHC measurements from the NOAA - ESRL cooperative flask sampling network

Summary PhD Thesis Jan Pollmann: This thesis focuses on global scale measurements of light reactive non-methane hydrocarbon (NMHC), in the volatility range from ethane to toluene with a special focus on ethane, propane, isobutane, butane, isopentane and pentane. Even though they only occur at the ppt level (nmol mol-1) in the remote troposphere these species can yield insight into key atmospheric processes. An analytical method was developed and subsequently evaluated to analyze NMHC from the NOAA – ERSL cooperative air sampling network. Potential analytical interferences through other atmospheric trace gases (water vapor and ozone) were carefully examined. The analytical parameters accuracy and precision were analyzed in detail. It was proven that more than 90% of the data points meet the Global Atmospheric Watch (GAW) data quality objective. Trace gas measurements from 28 measurement stations were used to derive the global atmospheric distribution profile for 4 NMHC (ethane, propane, isobutane, butane). A close comparison of the derived ethane data with previously published reports showed that northern hemispheric ethane background mixing ratio declined by approximately 30% since 1990. No such change was observed for southern hemispheric ethane. The NMHC data and trace gas data supplied by NOAA ESRL were used to estimate local diurnal averaged hydroxyl radical (OH) mixing ratios by variability analysis. Comparison of the variability derived OH with directly measured OH and modeled OH mixing ratios were found in good agreement outside the tropics. Tropical OH was on average two times higher than predicted by the model. Variability analysis was used to assess the effect of chlorine radicals on atmospheric oxidation chemistry. It was found that Cl is probably not of significant relevance on a global scale.

OH- und HO 2-Radikale über dem tropischen Regenwald

Beständig werden Spurenstoffe in die Atmosphäre emittiert, die ihren Ursprung in biogenen oder anthropogenen Quellen haben. Daß es dennoch im allgemeinen nicht zu einer Anreicherung bis hin zu toxischen Konzentrationen kommt, liegt an dem Vermögen der Atmosphäre sich durch Oxidationsprozesse selbst zu reinigen. Eine wichtige Aufgabe kommt dabei dem Hydroxylradikal OH zu, welches tagsüber die Oxidationskapazität der Atmosphäre bestimmt. Hierbei spielen die tropischen Regionen mit einer der höchsten OH-Produktionsraten eine zentrale Rolle. Gleichzeitig sind die tropischen Regenwälder eine bedeutende globale Quelle für Kohlenwasserstoffe, die durch Reaktion mit OH-Radikalen dessen Konzentration und damit die Oxidationskapazität der Atmosphäre herabsetzen. Während der GABRIEL-Meßkampagne 2005 im äquatorialen Südamerika wurde der Einfluß der Regenwaldemissionen auf das HOx-Budget (HOx = OH+HO2) untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Radikalmeßinstrument HORUS entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Komponenten des Gerätes optimiert, der Meßaufbau ins Flugzeug integriert und Methoden zur Kalibrierung entwickelt. Bei der internationalen Vergleichskampagne HOxComp2005 zeigte HORUS seine Eignung zur Messung von troposphärischen OH- und HO2-Radikalen.rnrnDie durchgeführten HOx-Messungen während der GABRIEL-Meßkampagne sind die ersten ihrer Art, die über einem tropischen Regenwald stattgefunden haben. Im Gegensatz zu den Vorhersagen globaler Modelle wurden unerwartet hohe OH- und HO2-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht des tropischen Regenwalds beobachtet. Der Vergleich der berechneten OH-Produktions- und Verlustraten, die aus dem umfangreichen Datensatz von GABRIEL ermittelt wurden, zeigte, daß hierbei eine wichtige OH-Quelle unberücksichtigt blieb. Mit Hilfe des Boxmodells MECCA, in welchem die gemessenen Daten als Randbedingungen in die Simulationen eingingen, wurden die modellierten OH- und HO2- Konzentrationen im Gleichgewichtszustand den beobachteten Konzentrationen gegenübergestellt. Luftmassen der freien Troposphäre und der maritimen Grenzschicht zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Modell. Über dem tropischen Regenwald jedoch wurden die beobachteten HOx-Konzentrationen in der planetaren Grenzschicht durch das Modell, vor allem am Nachmittag, signifikant unterschätzt. Dabei lag die Diskrepanz zwischen den beobachteten und simulierten Konzentrationen bei einem mittleren Wert von OHobs/OHmod = 12.2 ± 3.5 und HO2obs/HO2mod = 4.1 ± 1.4. Die Abweichung zwischen Messung und Modell korrelieren hierbei mit der Isoprenkonzentration. Während für niedrige Isoprenmischungsverhältnisse, wie sie über dem Ozean oder in Höhen > 3 km vorherrschten, die Beobachtungen mit den Simulationen innerhalb eines Faktors 1.6±0.7 übereinstimmten, nahm die Unterschätzung durch das Modell für steigende Isoprenmischungsverhältnisse > 200 pptV über dem tropischen Regenwald zu.rnrnDer kondensierte chemische Mechanismus von MECCA wurde mit der ausführlichen Isoprenchemie des ”Master Chemical Mechanism“ überprüft, welches vergleichbare HOx-Konzentrationen lieferte. OH-Simulationen, durchgeführt mit der gemessenen HO2-Konzentration als zusätzliche Randbedingung, zeigten, daß die Konversion zwischen HO2 und OH innerhalb des Modells nicht ausreichend ist. Durch Vernachlässigung der gesamten Isoprenchemie konnte dagegen eine Übereinstimmung zwischen Modell und Messung erreicht werden. Eine OH-Quelle in der gleichen Größenordnung wie die OH-Senke durch Isopren, ist somit zur Beschreibung der beobachteten OH-Konzentration notwendig. Reaktionsmechanismen, die innerhalb der Isoprenchemie die gleiche Anzahl an OH-Radikalen erzeugen wie sie verbrauchen, könnten eine mögliche Ursache sein. Unterschiedliche zusätzliche Reaktionen wurden in die Isoprenabbaumechanismen des Modells implementiert, die zur Erhöhung der OH-Quellstärke führen sollten. Diese bewirkten eine Zunahme der simulierten HO2-Konzentrationen um einen maximalen Faktor von 5 für OH und 2 für HO2. Es wird eine OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit r von bis zu 94% gefordert, wie sie für die GABRIEL-Messungen erreicht wurde. Die geringe OH-Zyklierungswahrscheinlichkeit von 38% des Modells zeigte, daß wichtige Zyklierungsvorgänge im chemischen Mechanismus bislang nicht berücksichtigt werden. Zusätzliche Zyklierungsreaktionen innerhalb des Isoprenmechanismus, die auch unter niedrigen NO-Konzentrationen zur Rückbildung von OHRadikalen führen, könnten eine Erklärung für die über dem Regenwald beobachteten hohen OH-Konzentration liefern.rn

Oxidation photochemistry in the remote marine boundary layer

Die bedeutendste Folge der Luftverschmutzung ist eine erhöhte Konzentration an Ozon (O3) in der Troposphäre innerhalb der letzten 150 Jahre. Ozon ist ein photochemisches Oxidationsmittel und ein Treibhausgas, das als wichtigste Vorstufe des Hydroxyradikals OH die Oxidationskraft der Atmosphäre stark beeinflusst. Um die Oxidationskraft der Atmosphäre und ihren Einfluss auf das Klima verstehen zu können, ist es von großer Bedeutung ein detailliertes Wissen über die Photochemie des Ozons und seiner Vorläufer, den Stickoxiden (NOx), in der Troposphäre zu besitzen. Dies erfordert das Verstehen der Bildungs- und Abbaumechanismen von Ozon und seiner Vorläufer. Als eine für den chemischen Ozonabbau wichtige Region kann die vom Menschen weitgehend unberührte marine Grenzschicht (Marine boundary layer (MBL)) angesehen werden. Bisher wurden für diese Region jedoch kaum Spurengasmessungen durchgeführt, und so sind die dort ablaufenden photochemischen Prozesse wenig untersucht. Da etwa 70 % der Erdoberfläche mit Ozeanen bedeckt sind, können die in der marinen Granzschicht ablaufenden Prozesse als signifikant für die gesamte Atmosphäre angesehen werden. Dies macht eine genaue Untersuchung dieser Region interessant. Um die photochemische Produktion und den Abbau von Ozon abschätzen zu können und den Einfluss antrophogener Emissionen auf troposphärisches Ozon zu quantifizieren, sind aktuelle Messergebnisse von NOx im pptv-Bereich für diese Region erforderlich. Die notwendigen Messungen von NO, NO2, O3, JNO2, J(O1D), HO2, OH, ROx sowie einiger meteorologischer Parameter wurden während der Fahrt des französischen Forschungsschiffes Marion-Dufresne auf dem südlichen Atlantik (28°S-57°S, 46°W-34°E) im März 2007 durchgeführt. Dabei sind für NO und NO2 die bisher niedrigsten gemessenen Werte zu verzeichnen. Die während der Messcampagne gewonnen Daten wurden hinsichtlich Ihrer Übereinstimmung mit den Bedingungen des photochemischen stationären Gleichgewichts (photochemical steady state (PSS)) überprüft. Dabei konnte eine Abweichung vom PSS festgestellt werden, welche unter Bedingungen niedriger NOx-Konzentrationen (5 bis 25pptv) einen unerwarteten Trend im Leighton-Verhältnis bewirkt, der abhängig vom NOx Mischungsverhältnis und der JNO2 Intensität ist. Signifikante Abweichungen vom Verhältnis liegen bei einer Zunahme der JNO2 Intensität vor. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Abweichung vom PSS nicht beim Minimum der NOx-Konzentrationen und der JNO2 Werte liegt, so wie es in bisherigen theoretischen Studien dargelegt wurde und können als Hinweis auf weitere photochemische Prozesse bei höheren JNO2-Werten in einem System mit niedrigem NOx verstanden werden. Das wichtigste Ergebnis dieser Untersuchung, ist die Verifizierung des Leighton-Verhältnisses, das zur Charakterisierung des PSS dient, bei sehr geringen NOx-Konzentrationen in der MBL. Die bei dieser Doktorarbeit gewonnenen Erkenntnisse beweisen, dass unter den Bedingungen der marinen Granzschicht rein photochemischer Abbau von Ozon stattfindet und als Hauptursache hierfür während des Tages die Photolyse gilt. Mit Hilfe der gemessenen Parameter wurde der kritische NO-Level auf Werte zwischen 5 und 9 pptv abgeschätzt, wobei diese Werte im Vergleich zu bisherigen Studien vergleichsweise niedrig sind. Möglicherweise bedeutet dies, dass das Ozon Produktion/ Abbau-Potential des südlichen Atlantiks deutlich stärker auf die Verfügbarkeit von NO reagiert, als es in anderen Regionen der Fall ist. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde desweiteren ein direkter Vergleich der gemessenen Spezies mit dem Modelergebnis eines 3-dimensionalen Zirkulationsmodel zur Simulation atmosphären chemischer Prozesse (EMAC) entlang der exakten Schiffsstrecke durchgeführt. Um die Übereinstimmung der Messergebnisse mit dem bisherigen Verständnis der atmosphärischen Radikalchemie zu überprüfen, wurde ein Gleichgewichtspunktmodel entwickelt, das die während der Überfahrt erhaltenen Daten für Berechungen verwendet. Ein Vergleich zwischen der gemessenen und der modellierten ROx Konzentrationen in einer Umgebung mit niedrigem NOx zeigt, dass die herkömmliche Theorie zur Reproduktion der Beobachtungen unzureichend ist. Die möglichen Gründe hierfür und die Folgen werden in dieser Doktorarbeit diskutiert.

Räumliche und jahreszeitliche Verteilung von OH- und HO 2-Radikalen in der Troposphäre über Europa

Durch geologische Prozesse freigesetzte sowie biogen und anthropogen emittierte Gase werden hauptsächlich von der untersten Atmosphärenschicht, der Troposphäre, aufgenommen und abgebaut. Durch in die Troposphä¬re einfallende solare Strahlung wird ein Abbau des Großteils der emittierten Spurengase durch reaktive Radikale initiiert. Der wichtigste Vertreter dieser reaktiven Radikale in der Troposphäre ist das Hydroxylradikal (OH-Radikal), welches im schnellen Gleichgewicht mit Hydroperoxyradikalen (HO2-Radikal) vorliegt, sodass die Summe aus OH- und HO2-Radikalen oft als HOx zusammengefasst wird. HOx-Radikale bilden tagsüber den Hauptteil der Oxidationskapazität der Troposphäre und sind somit verantwortlich für den oxidativen Abbau vieler, auch chemisch und photolytisch stabiler, Spurengase. Daher wird die Oxidationskapazität als Selbstreinigungskraft der Troposphäre verstanden. rnIm Rahmen meiner Arbeit wurde die wissenschaftliche Fragestellung auf die Oxidationskapazität der Troposphäre über Europa fokussiert. Die Höhen- und Breitenverteilung der OH- und HO2-Mischungsverhältnisse und ihre jahreszeitliche Variation wurde während der flugzeuggestützten HOOVER-Kampagnen (HOOVER 1 & 2) charakterisiert, wobei ein Fokus auf der oberen Troposphäre lag. Es wird gezeigt, welchen Einfluss die einfallende Strahlung, die Variation von HOx-Vorläufersubstanzen (wie z. B. Ozon) und die Variation von Substanzen, die das HOx-Gleichgewicht beeinflussen (z. B. Stickstoffmonoxid), auf das HOx-Budget haben. rnEs wird beispielhaft für den Höhenbereich zwischen 8 und 9.5 km gezeigt, dass die Oxidationskapazität in der oberen Troposphäre des Sommers im Ver¬gleich zu der des Herbstes aufgrund von einer verstärkten HO2-Zyklierung im Mittel deutlich erhöht ist (500 %). rnDurch konvektiven Transport werden im Sommer im Gegensatz zum Herbst regelmäßig Luftmassen aus der planetaren Grenzschicht in die obere Troposphäre eingemischt. Daher wurden der konvektive Luftmassentransport und der Einfluss der eingemischten Spurengase auf die Oxidationskapazität der oberen Troposphäre anhand eines konvektiven Elements über Südostdeutschland untersucht. Wie in dieser Arbeit berichtet wird, wurden in den Luftmassen der Ausströmregion mit bis zu 3.5 pmol/mol (Maximum 10 s-Mittelwert) sehr hohe OH-Mischungsverhältnisse gefunden, die aus der HO2-Konversion mit NO gebildet wurden. Das modellierte HOx-Budget zeigt, dass die HOx-Chemie - unter den beobachteten Bedingungen in der Ausströmregion - durch HOx-Zyklierungsreaktionen beherrscht wird. rnDie gemessenen OH-Mischungsverhältnisse in der Ausströmregion liegen etwa um einen Faktor fünf höher, als die während dieses Fluges in der konvektiv unbeeinflussten oberen Troposphäre gemessenen OH-Mischungsverhältnisse. Am Beispiel der NO2- und CH4-Lebensdauer wird ein schnellerer Abbau von Spurengasen aufgrund der erhöhten Oxidationskapazität nachgewiesen. Aus der NO2-Lebensdauer wird abgeschätzt, wie lange die Oxidationskapazität aufgrund des konvektiven Transports von NOx in den Luftmassen des Ausströmgebietes erhöht ist.rnDie während den Kampagnen durchgeführten Messungen wurden genutzt, um Modellberechnungen des vertikalen HOx-Budgets (über Südschweden) und des meridionalen HOx-Budgets zwischen Nordeuropa und Korsika durchzuführen. Es wurde gezeigt, dass das Modell die OH- und HO2-Mischungsverhältnisse im Allgemeinen gut reproduziert (Modell/Messung: OH im Sommer 94 %, HO2 im Sommer 93 % im Herbst 95 %), wohingegen die vergleichsweise kleinen OH-Mischungsverhältnisse im Herbst aufgrund von einer überschätzten H2O2 abhängigen OH-Produktion stark überschätzt wurden (Modell/Messung: 147 %). rnZur Charakterisierung der Oxidationskapazität innerhalb der planetaren Grenzschicht wurden die DOMINO-Kampagnen durchgeführt. Dabei wurde die Zusammensetzung unterschiedlicher Luftmassen untersucht, die aus verschiedenen Herkunftsorten zum Messort transportiert wurden und aufgrund ihres Ursprungs kaum prozessierte bis prozessierte anthropogen emittierte Spurengase enthielten. Zusätzlich enthielt ein Teil der Luftmassen biogen emittierte Spurengase. Komplementäre Messungen ermöglichen die Berechnung der totalen OH-Produktion und den Vergleich mit den bekannten OH-Quellen. Der Vergleich zeigt, dass offenbar wichtige OH-Produktionskanäle durch die gemessenen Spurengase oder die durchgeführten Berechnungen nicht abgebildet werden. Es wird gezeigt, dass die Stärke der unbekannten OH-Quellen, vor allem unter niedrigen NO-Bedingungen, groß ist und mit den Isopren-, RO2- und HO2-Mischungsverhältnissen korreliert.rn

Total OH reactivity measurements at the biosphere-atmosphere interface

The biosphere emits copiously volatile organic compounds (VOCs) into the atmosphere, which are removed again depending on the oxidative capacity of the atmosphere and physical processes such as mixing, transport and deposition. Biogenic VOCs react with the primary oxidant of the atmosphere, the hydroxyl radical (OH), and potentially lead to the formation tropospheric ozone and aerosol, which impact regional climate and air quality. The rate of OH decay in the atmosphere, the total OH reactivity is a function of the atmospheric, reactive compound's concentration and reaction velocity with OH. One way to measure the total OH reactivity, the total OH sink, is with the Comparative Reactivity Method - CRM. Basically, the reaction of OH with a reagent (here pyrrole) in clean air and in the presence of atmospheric, reactive molecules is compared. This thesis presents measurements of the total OH reactivity at the biosphere-atmosphere interface to analyze various influences and driving forces. For measurements in natural environment the instrument was automated and a direct, undisturbed sampling method developed. Additionally, an alternative detection system was tested and compared to the originally used detector (Proton Transfer Reaction-Mass Spectrometer, PTR-MS). The GC-PID (Gas Chromatographic Photo-Ionization Detector) was found as a smaller, less expensive, and robust alternative for total OH reactivity measurements. The HUMPPA-COPEC 2010 measurement campaign in the Finish forest was impacted by normal boreal forest emissions as well as prolonged heat and biomass burning emissions. The measurement of total OH reactivity was compared with a comprehensive set of monitored individual species ambient concentration levels. A significant discrepancy between those individually measured OH sinks and the total OH reactivity was observed, which was characterized in detail by the comparison of within and above the forest canopy detected OH reactivity. Direct impact of biogenic emissions on total OH reactivity was examined on Kleiner Feldberg, Germany, 2011. Trans-seasonal measurements of an enclosed Norway spruce branch were conducted via PTR-MS, for individual compound's emission rates, and CRM, for total OH reactivity emission fluxes. Especially during summertime, the individually monitored OH sink terms could not account for the measured total OH reactivity. A controlled oxidation experiment in a low NOx environment was conducted in the EUPHORE reaction chamber (CHEERS, Spain 2011). The concentration levels of the reactant isoprene and its major products were monitored and compared to total OH reactivity measurements as well as to the results of two models. The individually measured compounds could account for the total OH reactivity during this experiment as well as the traditional model-degradation scheme for isoprene (MCM 3.2). Due to previous observations of high OH levels in the isoprene-rich environment of the tropics, a novel isoprene mechanism was recently suggested. In this mechanism (MIME v4) additional OH is generated during isoprene oxidation, which could not be verified in the conditions of the CHEERS experiment.

The oxidation capacity of the atmosphere - OH and HO 2 radical measurements in a boreal forest environment using laser induced fluorescence spectroscopy

Das wichtigste Oxidationsmittel für den Abbau flüchtiger Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC, engl.: volatile organic compounds) in der Atmosphäre ist das Hydroxylradikal (OH), welches sich in einem schnellen chemischen Gleichgewicht mit dem Hydroperoxylradical (HO2) befindet. Bisherige Messungen und Modellvergleiche dieser Radikalspezies in Waldgebieten haben signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse aufgezeigt.rnIm Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Messungen von OH- und HO2-Radikalen mittelsrnlaserinduzierten Fluoreszensmesstechnik (LIF, engl.: laser-induced fluorescence) in einem Nadelwald in Süd-Finnland während der Messkampagne HUMPPA–COPEC–2010 (Hyytiälä United Measurements of Photochemistry and Particles in Air – Comprehensive Organic Precursor Emission and Concentration study) im Sommer 2010 durchgeführt. Unterschiedliche Komponenten des LIF-Instruments wurden verbessert. Eine modifizierte Methode zur Bestimmung des Hintergrundsignals (engl.: InletPreInjector technique) wurde in den Messaufbaurnintegriert und erstmals zur Messung von atmosphärischem OH verwendet. Vergleichsmessungen zweier Instrumente basierend auf unterschiedlichen Methoden zur Messung von OH-Radikalen, chemische Ionisationsmassenspektrometrie (CIMS - engl.: chemical ionization mass spectrometry) und LIF-Technik, zeigten eine gute Übereinstimmung. Die Vergleichsmessungen belegen das Vermögen und die Leistungsfähigkeit des modifizierten LIF-Instruments atmosphärische OH Konzentrationen akkurat zu messen. Nachfolgend wurde das LIF-Instrument auf der obersten Plattform eines 20m hohen Turmes positioniert, um knapp oberhalb der Baumkronen die Radikal-Chemie an der Schnittstelle zwischen Ökosystem und Atmosphäre zu untersuchen. Umfangreiche Messungen - dies beinhaltet Messungen der totalen OH-Reaktivität - wurden durchgeführt und unter Verwendung von Gleichgewichtszustandsberechnungen und einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, analysiert. Wenn moderate OH-Reaktivitäten(k′(OH)≤ 15 s−1) vorlagen, sind OH-Produktionsraten, die aus gemessenen Konzentrationen von OH-Vorläuferspezies berechnet wurden, konsistent mit Produktionsraten, die unter der Gleichgewichtsannahme von Messungen des totalen OH Verlustes abgeleitet wurden. Die primären photolytischen OH-Quellen tragen mit einem Anteil von bis zu einem Drittel zur Gesamt-OH-Produktion bei. Es wurde gezeigt, dass OH-Rezyklierung unter Bedingungen moderater OH-Reaktivität hauptsächlich durch die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3 bestimmt ist. Während Zeiten hoher OH-Reaktivität (k′(OH) > 15 s−1) wurden zusätzliche Rezyklierungspfade, die nicht über die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3, sondern direkt OH bilden, aufgezeigt.rnFür Hydroxylradikale stimmen Boxmodell-Simulationen und Messungen gut übereinrn(OHmod/OHobs=1.04±0.16), während HO2-Mischungsverhältnisse in der Simulation signifikant unterschätzt werden (HO2mod/HO2obs=0.3±0.2) und die simulierte OH-Reaktivität nicht mit der gemessenen OH-Reaktivität übereinstimmt. Die gleichzeitige Unterschätzung der HO2-Mischungsverhältnisse und der OH-Reaktivität, während OH-Konzentrationen von der Simulation gut beschrieben werden, legt nahe, dass die fehlende OH-Reaktivität in der Simulation eine noch unberücksichtigte HO2-Quelle darstellt. Zusätzliche, OH-unabhängigernRO2/HO2-Quellen, wie z.B. der thermische Zerfall von herantransportiertem peroxyacetylnitrat (PAN) und die Photolyse von Glyoxal sind indiziert.

Nitrogen Oxides in the North Atlantic Troposphere: Impacts of Boreal Wildfire and Anthropogenic Emissions

Nitrogen oxides play a crucial role in the budget of tropospheric ozone (O sub(3)) and the formation of the hydroxyl radical. Anthropogenic activities and boreal wildfires are large sources of emissions in the atmosphere. However, the influence of the transport of these emissions on nitrogen oxides and O sub(3) levels at hemispheric scales is not well understood, in particular due to a lack of nitrogen oxides measurements in remote regions. In order to address these deficiencies, measurements of NO, NO sub(2) and NO sub(y) (total reactive nitrogen oxides) were made in the lower free troposphere (FT) over the central North Atlantic region (Pico Mountain station, 38 degree N 28 degree W, 2.3 km asl) from July 2002 to August 2005. These measurements reveal a well-defined seasonal cycle of nitrogen oxides (NO sub(x) = NO+NO sub(2) and NO sub(y)) in the background central North Atlantic lower FT, with higher mixing ratios during the summertime. Observed NO sub(x) and NO sub(y) levels are consistent with long-range transport of emissions, but with significant removal en-route to the measurement site. Reactive nitrogen largely exists in the form of PAN and HNO sub(3) ( similar to 80-90% of NO sub(y)) all year round. A shift in the composition of NO sub(y) from dominance of PAN to dominance of HNO sub(3) occurs from winter-spring to summer-fall, as a result of changes in temperature and photochemistry over the region. Analysis of the long-range transport of boreal wildfire emissions on nitrogen oxides provides evidence of the very large-scale impacts of boreal wildfires on the tropospheric NO sub(x) and O sub(3) budgets. Boreal wildfire emissions are responsible for significant shifts in the nitrogen oxides distributions toward higher levels during the summer, with medians of NO sub(y) (117-175 pptv) and NO sub(x) (9-30 pptv) greater in the presence of boreal wildfire emissions. Extreme levels of NO sub(x) (up to 150 pptv) and NO sub(y) (up to 1100 pptv) observed in boreal wildfire plumes suggest that decomposition of PAN to NO sub(x) is a significant source of NO sub(x), and imply that O sub(3) formation occurs during transport. Ozone levels are also significantly enhanced in boreal wildfire plumes. However, a complex behavior of O sub(3) is observed in the plumes, which varies from significant to lower O sub(3) production to O sub(3) destruction. Long-range transport of anthropogenic emissions from North America also has a significant influence on the regional NO sub(x) and O sub(3) budgets. Transport of pollution from North America causes significant enhancements on nitrogen oxides year-round. Enhancements of CO, NO sub(y) and NO sub(x) indicate that, consistent with previous studies, more than 95% of the NO sub(x) emitted over the U.S. is removed before and during export out of the U.S. boundary layer. However, about 30% of the NO sub(x) emissions exported out of the U.S. boundary layer remain in the airmasses. Since the lifetime of NO sub(x) is shorter than the transport timescale, PAN decomposition and potentially photolysis of HNO sub(3) provide a supply of NO sub(x) over the central North Atlantic lower FT. Observed Delta O sub(3)/ Delta NO sub(y) and large NO sub(y) levels remaining in the North American plumes suggest potential O sub(3) formation well downwind from North America. Finally, a comparison of the nitrogen oxides measurements with results from the global chemical transport (GCT) model GEOS-Chem identifies differences between the observations and the model. GEOS-Chem reproduces the seasonal variation of nitrogen oxides over the central North Atlantic lower FT, but does not capture the magnitude of the cycles. Improvements in our understanding of nitrogen oxides chemistry in the remote FT and emission sources are necessary for the current GCT models to adequately estimate the impacts of emissions on tropospheric NO sub(x) and the resulting impacts on the O sub(3) budget.

ACETYL RADICAL IN TOBACCO SMOKE: DETECTION, QUANTIFICATION AND SIMULATION

Free radicals are present in cigarette smoke and can have a negative effect on human health by attacking lipids, nucleic acids, proteins and other biologically important species. However, because of the complexity of the tobacco smoke system and the dynamic nature of radicals, little is known about the identity of the radicals, and debate continues on the mechanisms by which those radicals are produced. In this study, acetyl radicals were trapped from the gas phase using 3-amino-2, 2, 5, 5- tetramethyl-proxyl (3AP) on solid support to form stable 3AP adducts for later analysis by high performance liquid chromatography (HPLC), mass spectrometry/tandem mass spectrometry (MS-MS/MS) and liquid chromatography- mass spectrometry (LC-MS). Simulations of acetyl radical generation were performed using Matlab and the Master Chemical Mechanism (MCM) programs. A range of 10- 150 nmol/cigarette of acetyl radical was measured from gas phase tobacco smoke of both commerial and research cigarettes under several different smoking conditions. More radicals were detected from the puff smoking method compared to continuous flow sampling. Approximately twice as many acetyl radicals were trapped when a GF/F particle filter was placed before the trapping zone. Computational simulations show that NO/NO2 reacts with isoprene, initiating chain reactions to produce a hydroxyl radical, which abstracts hydrogen from acetaldehyde to generate acetyl radical. With initial concentrations of NO, acetaldehyde, and isoprene in a real-world cigarette smoke scenario, these mechanisms can account for the full amount of acetyl radical detected experimentally. This study contributes to the overall understanding of the free radical generation in gas phase cigarette smoke.

Study of Basic Wood Decay Mechanisms and Their Biotechnological Applications

The overall objective of this thesis was to gain further understanding of the non-enzymatic mechanisms involved in brown-rot wood decay, especially the role of pH, oxalic acid, and low molecular catecholate compounds on the dissolution and reduction of iron, and the formation of reactive oxygen species. Another focus of this study will be the potential application of a biomimetic free radical generating system inspired from fungi wood decay process, especially the non-enzymatic mechanism. The possible pathways of iron uptake and iron redox cycling in non-enzymatic brown-rot decay were investigated in this study. UV-Vis spectroscopy and HPLC were employed to study the kinetics and pathways of the interaction between iron and model catecholate compounds under different pH and chelator/iron molar ratio conditions. Iron chelation and reduction during early non-enzymatic wood decay processes have been studied in this thesis. The results indicate that the effects of the chelator/iron ratio, the pH, and other reaction parameters on the hydroxyl radical generation in a Fenton type system can be determined using ESR spin-trapping techniques. Data also support the hypothesis that superoxide radicals are involved in chelator-mediated Fenton processes. The mechanisms involved in free radical activation of Thermal Mechanical Pulp fibers were investigated. The activation of TMP fibers was evaluated by ESR measurement of free phenoxy radical generation on solid fibers. The results indicate that low molecular weight chelators can improve Fenton reactions, thus in turn stimulating the free radical activation of TMP fibers. A mediated Fenton system was evaluated for decolorization of several types of dyes. The result shows that the Fenton system mediated by a catecholate-type chelator effectively reduced the color of a diluted solution of synthetic dyes after 90 minutes of treatment at room temperature. The results show that compared to a neat Fenton process, the mediated Fenton decolorization process increased the production, and therefore the effective longevity, of hydroxyl radical species to increase the decolorization efficiency.

Iron accumulation in Alzheimer disease is a source of redox-generated free radicals

Damage from free radicals has been demonstrated in susceptible neuronal populations in cases of Alzheimer disease. In this study, we investigated whether iron, a potent source of the highly reactive hydroxyl radical that is generated by the Fenton reaction with H2O2, might contribute to the source of radicals in Alzheimer disease. We found, using a modified histochemical technique that relies on the formation of mixed valence iron complexes, that redox-active iron is associated with the senile plaques and neurofibrillary tangles—the pathological hallmark lesions of this disease. This lesion-associated iron is able to participate in in situ oxidation and readily catalyzes an H2O2-dependent oxidation. Furthermore, removal of iron was completely effected using deferoxamine, after which iron could be rebound to the lesions. Characterization of the iron-binding site suggests that binding is dependent on available histidine residues and on protein conformation. Taken together, these findings indicate that iron accumulation could be an important contributor toward the oxidative damage of Alzheimer disease.

Radical SAM, a novel protein superfamily linking unresolved steps in familiar biosynthetic pathways with radical mechanisms: functional characterization using new analysis and information visualization methods

A novel protein superfamily with over 600 members was discovered by iterative profile searches and analyzed with powerful bioinformatics and information visualization methods. Evidence exists that these proteins generate a radical species by reductive cleavage of S-adenosylmethionine (SAM) through an unusual Fe-S center. The superfamily (named here Radical SAM) provides evidence that radical-based catalysis is important in a number of previously well- studied but unresolved biochemical pathways and reflects an ancient conserved mechanistic approach to difficult chemistries. Radical SAM proteins catalyze diverse reactions, including unusual methylations, isomerization, sulfur insertion, ring formation, anaerobic oxidation and protein radical formation. They function in DNA precursor, vitamin, cofactor, antibiotic and herbicide biosynthesis and in biodegradation pathways. One eukaryotic member is interferon-inducible and is considered a candidate drug target for osteoporosis; another is observed to bind the neuronal Cdk5 activator protein. Five defining members not previously recognized as homologs are lysine 2,3-aminomutase, biotin synthase, lipoic acid synthase and the activating enzymes for pyruvate formate-lyase and anaerobic ribonucleotide reductase. Two functional predictions for unknown proteins are made based on integrating other data types such as motif, domain, operon and biochemical pathway into an organized view of similarity relationships.

The thermodynamic origin of the stability of a thermophilic ribozyme

Understanding the mechanism of thermodynamic stability of an RNA structure has significant implications for the function and design of RNA. We investigated the equilibrium folding of a thermophilic ribozyme and its mesophilic homologue by using hydroxyl radical protection, small-angle x-ray scattering, and circular dichroism. Both RNAs require Mg2+ to fold to their native structures that are very similar. The stability is measured as a function of Mg2+ and urea concentrations at different temperatures. The enhanced stability of the thermophilic ribozyme primarily is derived from a tremendous increase in the amount of structure formed in the ultimate folding transition. This increase in structure formation and cooperativity arises because the penultimate and the ultimate folding transitions in the mesophilic ribozyme become linked into a single transition in the folding of the thermophilic ribozyme. Therefore, the starting point, or reference state, for the transition to the native, functional thermophilic ribozyme is significantly less structured. The shift in the reference state, and the resulting increase in folding cooperativity, is likely due to the stabilization of selected native interactions that only form in the ultimate transition. This mechanism of using a less structured intermediate and increased cooperativity to achieve higher functional stability for tertiary RNAs is fundamentally different from that commonly proposed to explain the increased stability of thermophilic proteins.

Mapping nucleosome position at single base-pair resolution by using site-directed hydroxyl radicals.

A base-pair resolution method for determining nucleosome position in vitro has been developed to com- plement existing, less accurate methods. Cysteaminyl EDTA was tethered to a recombinant histone octamer via a mutant histone H4 with serine 47 replaced by cysteine. When assembled into nucleosome core particles, the DNA could be cut site specifically by hydroxyl radical-catalyzed chain scission by using the Fenton reaction. Strand cleavage occurs mainly at a single nucleotide close to the dyad axis of the core particle, and assignment of this location via the symmetry of the nucleosome allows base-pair resolution mapping of the histone octamer position on the DNA. The positions of the histone octamer and H3H4 tetramer were mapped on a 146-bp Lytechinus variegatus 5S rRNA sequence and a twofold-symmetric derivative. The weakness of translational determinants of nucleosome positioning relative to the overall affinity of the histone proteins for this DNA is clearly demonstrated. The predominant location of both histone octamer and H3H4 tetramer assembled on the 5S rDNA is off center. Shifting the nucleosome core particle position along DNA within a conserved rotational phase could be induced under physiologically relevant conditions. Since nucleosome shifting has important consequences for chromatin structure and gene regulation, an approach to the thermodynamic characterization of this movement is proposed. This mapping method is potentially adaptable for determining nucleosome position in chromatin in vivo.

Estudos mecanísticos da origem da inibição da reação foto-Fenton por íons cloreto

O objetivo principal deste estudo foi determinar a origem da inibição do processo foto-Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2, luz UV] pelo íon cloreto. Um estudo das reações primárias da etapa fotocatalítica do processo foto-Fenton por fotólise por pulso de laser na presença de NaCl mostrou que a inibição reflete: i) fotólise competitiva dos complexos Fe(Cl)2+ e Fe(Cl)2+; ii) captura do radical hidroxila (dependente do pH) pelo íon cloreto. Esses dois processos formam o ânion radical menos reativo Cl2•- em lugar do radical HO•-, provocando uma progressiva inibição da reação de degradação com a diminuição do pH. Modelagem cinética destes resultados previa que a manutenção do pH em 3,0 durante a fotodegradação evitaria a formação do Cl2•-, o que foi confirmada através de experimentos de fotodegradação do fenol e da gasolina em meio aquoso na presença de NaCl. Por outro lado, na degradação do fenol pela reação térmica de Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2], o radical hidroxila não parece ter um papel muito importante. A degradação térmica não foi inibida pela presença de íon cloreto e a cinética de mineralização do fenol pela reação térmica de Fenton é indistinguível da degradação do fenol pelo processo foto-Fenton inibido por NaCl. Isso sugere que a reação proposta por Hamilton, isto é, a redução de Fe(III) a Fe(II) por catecol (o principal intermediário inicial da oxidação do fenol) na presença de H2O2, é o mecanismo principal de catálise da reação térmica de Fenton no nosso sistema.

Homocysteine from endothelial cells promotes LDL nitration and scavenger receptor uptake

We recently reported that methionine-loaded human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) exported homocysteine (Hcy) and were associated with hydroxyl radical generation and oxidation of lipids in LDL. Herein we have analysed the Hcy-induced posttranslational modifications (PTMs) of LDL protein. PTMs have been characterised using electrophoretic mobility shift, protein carbonyl ELISA, HPLC with electrochemical detection and Western blotting of 3-nitrotyrosine, and LDL uptake by scavenger receptors on monocyte/macrophages. We have also analysed PTMs in LDL isolated from rheumatoid (RA) and osteo-(OA) arthritis patients with cardiovascular disease (CVD). While reagent Hcy (<50 μM) promoted copper-catalysed LDL protein oxidation, Hcy released from methionine-loaded HUVECs promoted LDL protein nitration. In addition, LDL nitration was associated with enhanced monocyte/macrophage uptake when compared with LDL oxidation. LDL protein nitration and uptake by monocytes, but not carbonyl formation, was elevated in both RA and OA patients with CVD compared with disease-matched patients that had no evidence of CVD. Moreover, a direct correlation between plasma total Hcy (tHcy) and LDL uptake was observed. The present studies suggest that elevated plasma tHcy may promote LDL nitration and increased scavenger receptor uptake, providing a molecular mechanism that may contribute to the clinical link between CVD and elevated plasma tHcy. © 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.