Atmospheric and climate effects of biomass burning using different injection heights

Inspired by the need for a representation of the biomass burning emissions injection height in the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry model (EMAC)

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

Flugzeuggetragene in-situ Messungen zur Eis- und Flüssigphase troposphärischer Wolken

Die Mikrophysik in Wolken bestimmt deren Strahlungseigenschaften und beeinflusst somit auch den Strahlungshaushalt des Planeten Erde. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die mikrophysikalischen Charakteristika von Cirrus-Wolken sowie von arktischen Grenzschicht-Wolken behandelt. Die Untersuchung dieser Wolken wurde mithilfe verschiedener Instrumente verwirklicht, welche Partikel in einem Durchmesserbereich von 250nm bis zu 6.4mm vermessen und an Forschungsflugzeugen montiert werden. Ein Instrumentenvergleich bestätigt, dass innerhalb der Bereiche in denen sich die Messungen dieser Instrumente überlappen, die auftretenden Diskrepanzen als sehr gering einzustufen sind. Das vorrangig verwendete Instrument trägt die Bezeichnung CCP (Cloud Combination Probe) und ist eine Kombination aus einem Instrument, das Wolkenpartikel anhand von vorwärts-gerichtetem Streulicht detektiert und einem weiteren, das zweidimensionale Schattenbilder einzelner Wolkenpartikel aufzeichnet. Die Untersuchung von Cirrus-Wolken erfolgt mittels Daten der AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) Kampagne, welche im Jahr 2013 über der deutschen Nord- und Ostsee stattfand. Parameter wie Partikeldurchmesser, Partikelanzahlkonzentration, Partikelform, Eiswassergehalt, Wolkenhöhe und Wolkendicke der detektierten Cirrus-Wolken werden bestimmt und im Kontext des aktuellen Wissenstandes diskutiert. Des Weiteren wird eine beprobte Cirrus-Wolke im Detail analysiert, welche den typischen Entwicklungsprozess und die vertikale Struktur dieser Wolkengattung widerspiegelt. Arktische Grenzschicht-Wolken werden anhand von Daten untersucht, die während der VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) Kampagne im Jahr 2012 über der kanadischen Beaufortsee aufgezeichnet wurden. Diese Messkampagne fand im Frühling statt, um die Entwicklung von Eis-Wolken über Mischphasen-Wolken bis hin zu Flüssigwasser-Wolken zu beobachten. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen tritt innerhalb von Mischphasen-Wolken der sogenannte Wegener-Bergeron-Findeisen Prozess auf, bei dem Flüssigwassertropfen zugunsten von Eispartikeln verdampfen. Es wird bestätigt, dass dieser Prozess anhand von mikrophysikalischen Messungen, insbesondere den daraus resultierenden Größenverteilungen, nachweisbar ist. Darüber hinaus wird eine arktische Flüssigwasser-Wolke im Detail untersucht, welche im Inneren das Auftreten von monomodalen Tröpfchen-Größenverteilungen zeigt. Mit zunehmender Höhe wachsen die Tropfen an und die Maxima der Größenverteilungen verschieben sich hin zu größeren Durchmessern. Dahingegen findet im oberen Übergangsbereich dieser Flüssigwasser-Wolke, zwischen Wolke und freier Atmosphäre, ein Wechsel von monomodalen zu bimodalen Tröpfchen-Größenverteilungen statt. Diese weisen eine Mode 1 mit einem Tropfendurchmesser von 20μm und eine Mode 2 mit einem Tropfendurchmesser von 10μm auf. Das dieses Phänomen eventuell typisch für arktische Flüssigwasser-Wolken ist, zeigen an dem Datensatz durchgeführte Analysen. Mögliche Entstehungsprozesse der zweiten Mode können durch Kondensation von Wasserdampf auf eingetragenen Aerosolpartikeln, die aus einer Luftschicht oberhalb der Wolke stammen oder durch Wirbel, welche trockene Luftmassen in die Wolke induzieren und Verdampfungsprozesse von Wolkentröpfchen hervorrufen, erklärt werden. Unter Verwendung einer direkten numerischen Simulation wird gezeigt, dass die Einmischung von trockenen Luftmassen in den Übergangsbereich der Wolke am wahrscheinlichsten die Ausbildung von Mode 2 verursacht.

Species specific nitrogen isotope analysis by NanoSIMS

Der atmosphärische Kreislauf reaktiver Stickstoffverbindungen beschäftigt sowohl die Naturwissenschaftler als auch die Politik. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass reaktive Stickoxide die Bildung von bodennahem Ozon kontrollieren. Reaktive Stickstoffverbindungen spielen darüber hinaus als gasförmige Vorläufer von Feinstaubpartikeln eine wichtige Rolle und der Transport von reaktivem Stickstoff über lange Distanzen verändert den biogeochemischen Kohlenstoffkreislauf des Planeten, indem er entlegene Ökosysteme mit Stickstoff düngt. Die Messungen von stabilen Stickstoffisotopenverhältnissen (15N/14N) bietet ein Hilfsmittel, welches es erlaubt, die Quellen von reaktiven Stickstoffverbindungen zu identifizieren und die am Stickstoffkeislauf beteiligten Reaktionen mithilfe ihrer reaktionsspezifischen Isotopenfraktionierung genauer zu untersuchen. rnIn dieser Doktorarbeit demonstriere ich, dass es möglich ist, mit Hilfe von Nano-Sekundärionenmassenspektrometrie (NanoSIMS) verschiedene stickstoffhaltige Verbindungen, die üblicherweise in atmosphärischen Feinstaubpartikeln vorkommen, mit einer räumlichen Auflösung von weniger als einem Mikrometer zu analysieren und zu identifizieren. Die Unterscheidung verschiedener stickstoffhaltiger Verbindungen erfolgt anhand der relativen Signalintensitäten der positiven und negativen Sekundärionensignale, die beobachtet werden, wenn die Feinstaubproben mit einem Cs+ oder O- Primärionenstrahl beschossen werden. Die Feinstaubproben können direkt auf dem Probenahmesubstrat in das Massenspektrometer eingeführt werden, ohne chemisch oder physikalisch aufbereited zu werden. Die Methode wurde Mithilfe von Nitrat, Nitrit, Ammoniumsulfat, Harnstoff, Aminosären, biologischen Feinstaubproben (Pilzsporen) und Imidazol getestet. Ich habe gezeigt, dass NO2 Sekundärionen nur beim Beschuss von Nitrat und Nitrit (Salzen) mit positiven Primärionen entstehen, während NH4+ Sekundärionen nur beim Beschuss von Aminosäuren, Harnstoff und Ammoniumsalzen mit positiven Primärionen freigesetzt werden, nicht aber beim Beschuss biologischer Proben wie z.B. Pilzsporen. CN- Sekundärionen werden beim Beschuss aller stickstoffhaltigen Verbindungen mit positiven Primärionen beobachtet, da fast alle Proben oberflächennah mit Kohlenstoffspuren kontaminiert sind. Die relative Signalintensität der CN- Sekundärionen ist bei kohlenstoffhaltigen organischen Stickstoffverbindungen am höchsten.rnDarüber hinaus habe ich gezeigt, dass an reinen Nitratsalzproben (NaNO3 und KNO3), welche auf Goldfolien aufgebracht wurden speziesspezifische stabile Stickstoffisotopenverhältnisse mithilfe des 15N16O2- / 14N16O2- - Sekundärionenverhältnisses genau und richtig gemessen werden können. Die Messgenauigkeit auf Feldern mit einer Rastergröße von 5×5 µm2 wurde anhand von Langzeitmessungen an einem hausinternen NaNO3 Standard als ± 0.6 ‰ bestimmt. Die Differenz der matrixspezifischen instrumentellen Massenfraktionierung zwischen NaNO3 und KNO3 betrug 7.1 ± 0.9 ‰. 23Na12C2- Sekundärionen können eine ernst zu nehmende Interferenz darstellen wenn 15N16O2- Sekundärionen zur Messung des nitratspezifischen schweren Stickstoffs eingesetzt werden sollen und Natrium und Kohlenstoff im selben Feinstaubpartikel als interne Mischung vorliegt oder die natriumhaltige Probe auf einem kohlenstoffhaltigen Substrat abgelegt wurde. Selbst wenn, wie im Fall von KNO3, keine derartige Interferenz vorliegt, führt eine interne Mischung mit Kohlenstoff im selben Feinstaubpartikel zu einer matrixspezifischen instrumentellen Massenfraktionierung die mit der folgenden Gleichung beschrieben werden kann: 15Nbias = (101 ± 4) ∙ f − (101 ± 3) ‰, mit f = 14N16O2- / (14N16O2- + 12C14N-). rnWird das 12C15N- / 12C14N- Sekundärionenverhältnis zur Messung der stabilen Stickstoffisotopenzusammensetzung verwendet, beeinflusst die Probematrix die Messungsergebnisse nicht, auch wenn Stickstoff und Kohlenstoff in den Feinstaubpartikeln in variablen N/C–Verhältnissen vorliegen. Auch Interferenzen spielen keine Rolle. Um sicherzustellen, dass die Messung weiterhin spezifisch auf Nitratspezies eingeschränkt bleibt, kann eine 14N16O2- Maske bei der Datenauswertung verwendet werden. Werden die Proben auf einem kohlenstoffhaltigen, stickstofffreien Probennahmesubstrat gesammelt, erhöht dies die Signalintensität für reine Nitrat-Feinstaubpartikel.

Populationsgenetik der ersten Bauern Mitteleuropas

Die vorliegende Dissertation ist eine molekulargenetische Studie an humanem neolithischem Skelettmaterial. Im zentralen Blickpunkt stand die Bestimmung der Variabilität der mitochondrialen Haplogruppen einer frühneolithischen Stichprobe aus drei unterschiedlichen Kulturkreisen, welche die Linearbandkeramik (LBK und AVK), die Körös-Kultur und eine Sammelkategorie osteuropäischer spätmeso- und frühneolithischer Kulturen umfasste. Im Vergleich dieser Gruppen untereinander sowie mit Rezentdaten moderner Populationen aus vergleichbaren Gebieten Mittel- und Osteuropas sowie dem Nahen Osten sollten bestehende Modelle und Hypothesen zur Neolithisierung Mitteleuropas geprüft werden. Insgesamt konnte für 43 neolithische Individuen aus 16 Fundorten der reproduzierbare Nachweis endogener DNA erbracht werden. Eine eindeutige Haplogruppenbestimmung konnte durch die Sequenzierung vier überlappender Fragmente der mitochondrialen Hypervariablen Region I sowie durch RFLP-Analyse zusätzlicher charakteristischer Nukleotidpositionen für alle 43 Individuen durchgeführt werden. Die neolithischen Individuen der Linearbandkeramik sowie der Körös-Kultur zeigten eine hohe Diversität an bekannten europäischen Haplogruppen, wohingegen die kleinere Stichprobe aus dem Gebiet Osteuropas eine auffällige Homogenität aufwies. Neben Frequenzunterschieden zur modernen mitteleuropäischen Bevölkerung war innerhalb der LBK/AVK-Stichprobe eine hohe Frequenz der Haplogruppe N1a festzustellen, welche nicht in den beiden anderen neolithischen Stichproben zu finden war und auch in der heutigen Rezentbevölkerung Eurasiens und Nordafrikas nur mit einer durchschnittlichen Frequenz von 0,2% vertreten ist. Innerhalb der Individuen der Körös-Kultur fanden sich zwei Haplotypen, welche heute nicht in Europa bekannt sind, dagegen jedoch in Süd- bzw. Nordostasien gehäuft vorkommen. Die Ergebnisse der aDNA-Analysen bestätigten im Wesentlichen das komplexe Bild der Neolithischen Transition in Mitteleuropa und konnten die, für diesen Raum postulierte, Hypothese der leap frog colonization weitestgehend unterstützen. Auch für den geographischen Vergleichsraum des nördlichen Osteuropa konnten Parallelen zur etablierten Sichtweise der archäologischen Forschung zu diesem Gebiet und den vorliegenden Ergebnissen der aDNA-Analysen aufgezeigt werden. Die zeitlich verzögerte Annahme der neolithischen Lebensweise im waldreichen nördlichen Osteuropa spiegelt sich in der reduzierten Diversität an mtDNA-Haplogruppen wider. Die vorliegende Dissertation konnte nicht nur durch die Ergebnisse der Haplogruppen-Bestimmung, sondern vor allem durch die umfangreichen und elaborierten Reproduktions- und Authentifizierungprotokolle deutlich machen, dass der Nachweis von humaner alter DNA trotz der allgegenwärtigen, methodenimmanenten Kontaminationsgefahr unter streng kontrollierten Bedingungen möglich ist. Gleichermaßen konnte veranschaulicht werden, dass die aDNA-Analyse wertvolle Hinweise auf das genetische status quo einer Population liefern kann, welche nicht bzw. nur in sehr eingeschränkten Maße von rezenten DNA-Daten abgeleitet werden können. Als sekundäres Ergebnis erlaubte der bislang größte vorliegende Datensatz von ~2500 Klonsequenzen zudem einen detaillierten Einblick in Häufigkeiten und Verteilungsmuster von post mortem Sequenzveränderungen. Es konnten für den mitochondrialen Bereich der Nukleotidpositionen 15997-16409 so genannte hot bzw. cold spots definiert werden, welche für die Auswertung und Interpretation von zukünftigen Sequenzierungen der Hypervariablen Region I des mt-Genoms von entscheidender Bedeutung sein werden.

Characterisation and calibration of optical counters for airborne particulate matter

Gli aerosol, sospensione colloidale in aria di particelle solide o liquide, sono parte integrante dell’atmosfera. Essi interagiscono con la radiazione solare influenzando il clima (effetto primario e secondario) e la visibilità atmosferica. Gli aerosol hanno effetti sulla salute umana con patologie degli apparati cardiovascolare e circolatorio. La presente tesi affronta alcuni aspetti critici dei contatori ottici di particelle (OPC), utilizzati per caratterizzare l’aerosol ambientale. Gli OPC si basano sullo scattering luminoso per fornire la concentrazione in numero e la distribuzione dimensionale degli aerosol in tempo reale. Gli obiettivi di questa tesi sono: 1)caratterizzare e migliorare le prestazioni di un OPC di nuova concezione (CompactOPC N1, Alphasense; in seguito COPC) rispetto a un OPC standard commerciale (Grimm 1.108; in seguito GRM); 2)realizzare un banco di prova per la calibrazione di un OPC utilizzato in camere bianche e ambienti sanitari (Laser Particle Sensor 3715-00, Kanomax; in seguito LPS). Per questa attività ha mostrato interesse un’azienda locale (Pollution Clean Air Systems S.p.A.; Budrio, BO). Le prove sperimentali sono state effettuate con aerosol indoor e con particelle monodisperse di latex polistirene (PSL) di dimensioni differenti campionando in parallelo con i diversi OPC e su filtro per osservazioni al microscopio elettronico a scansione (SEM). In questo modo si è ottenuto un valore assoluto di riferimento per la concentrazione di aerosol. I risultati ottenuti indicano un buon accordo tra le concentrazioni di particelle fornite dal GRM e quelle ottenute al SEM. Il lavoro ha inoltre permesso di migliorare le prestazioni del COPC modificando la versione di base. Inoltre, è stata effettuata la calibrazione del LPS tramite il banco di prova realizzato nella tesi. Il lavoro sperimentale è stato svolto presso il Laboratorio di Aerosol e Fisica delle Nubi dell’Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima (ISAC) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) a Bologna.

Valutazione funzionale ed economica di una innovativa macchina utensile in alluminio

L’oggetto di studio della presente tesi è una macchina utensile ad altra produttività con tavola rotante (transfer) che presenta numerosi elementi di innovazione rispetto a versioni precedenti. In particolare è stata ottimizzata la scelta dei materiali che compongono i vari elementi della struttura, sono stati ripensati gli impianti di servizio e, infine, è stato reso possibile l’impiego di tecnologie di lavorazione che permettono una notevole riduzione del consumo elettrico. Il transfer è costituito da una stazione di carico/scarico e da numerose stazioni di lavoro equipaggiate con moduli a tre assi che permettono di eseguire le diverse operazioni da realizzare sul componente in lavorazione. Le unità a tre assi vengono impiegate per movimentare gli elettromandrini che mettendo in rotazione gli utensili permettono l’esecuzione delle diverse lavorazioni. L’attività svolta è stata suddivisa in diverse fasi: nella prima è stata realizzata un’analisi funzionale che ha permesso di valutare (i) la rigidezza dell’unità a tre assi che equipaggia ogni stazione di lavoro e (ii) l’errore di posizionamento indotto dal riscaldamento delle viti di manovra che permettono la movimentazione dei tre assi della macchina. Nella seconda fase sono state valutate le potenzialità della tecnologia Minimum Quantity Lubrication (MQL) come alternativa ecologica ed economica alla tradizionale tecnica di lubrorefrigerazione con emulsione. La tecnica MQL consiste nel nebulizzare nella zona di taglio un aerosol composto da aria e olio. In particolare è stato calibrato il sistema di generazione dell’aerosol stesso ed è stata indagata l’influenza dei diversi parametri di taglio sulla qualità della lavorazione. Infine è stata effettuata un’analisi economica che ha permesso di valutare il vantaggio economico in termini di potenza installata e consumo di energia elettrica del transfer in relazione ad una macchina utensile di pari taglia che presenta le soluzioni costruttive standard per questa tipologia di dispositivo.

MODELING THE DYNAMICS OF AIRWAY CONSTRICTION: EFFECTS OF AGONIST TRANSPORT AND BINDING

Recent advances have revealed that during exogenous airway challenge, airway diameters can not be adequately predicted by their initial diameters. Furthermore, airway diameters can also vary greatly in time on scales shorter than a breath. In order to better understand these phenomena, we developed a multiscale model which allows us to simulate aerosol challenge in the airways during ventilation. The model incorporates agonist-receptor binding kinetics to govern the temporal response of airway smooth muscle (ASM) contraction on individual airway segments, which together with airway wall mechanics, determines local airway caliber. Global agonist transport and deposition is coupled with pressure-driven flow, linking local airway constrictions with global flow dynamics. During the course of challenge, airway constriction alters the flow pattern, redistributing agonist to less constricted regions. This results in a negative feedback which may be a protective property of the normal lung. As a consequence, repetitive challenge can cause spatial constriction patterns to evolve in time, resulting in a loss of predictability of airway diameters. Additionally, the model offers new insight into several phenomena including the intra- and inter-breath dynamics of airway constriction throughout the tree structure.

Update on macrophage clearance of inhaled micro- and nanoparticles

Lung macrophages, that is, the intravascular, interstitial, pleural, and surface macrophages, are part of the mononuclear phagocyte system. They are derived from the hematopoietic stem cell in the bone marrow with the monocytes as their putative precursors. Macrophages residing on the inner surfaces of the lungs and immersed within the lung lining layer, that is, the alveolar and the airway macrophages, are constantly exposed to the environment; it is those cells that are recognized as first line of cellular host defense.

Cerium oxide nanoparticle uptake kinetics from the gas-phase into lung cells in vitro is transport limited

Nowadays, aerosol processes are widely used for the manufacture of nanoparticles (NPs), creating an increased occupational exposure risk of workers, laboratory personnel and scientists to airborne particles. There is evidence that possible adverse effects are linked with the accumulation of NPs in target cells, pointing out the importance of understanding the kinetics of particle internalization. In this context, the uptake kinetics of representative airborne NPs over 30 min and their internalization after 24 h post-exposure were investigated by the use of a recently established exposure system. This system combines the production of aerosolized cerium oxide (CeO(2)) NPs by flame spray synthesis with its simultaneous particle deposition from the gas-phase onto A549 lung cells, cultivated at the air-liquid interface. Particle uptake was quantified by mass spectrometry after several exposure times (0, 5, 10, 20 and 30 min). Over 35% of the deposited mass was found internalized after 10 min exposure, a value that increased to 60% after 30 min exposure. Following an additional 24 h post-incubation, a time span, after which adverse biological effects were observed in previous experiments, over 80% of total CeO(2) could be detected intracellularly. On the ultrastructural level, focal cerium aggregates were present on the apical surface of A549 cells and could also be localized intracellularly in vesicular structures. The uptake behaviour of aerosolized CeO(2) is in line with observations on cerium suspensions, where particle mass transport was identified as the rate-limiting factor for NP internalization.

Deposition, imaging, and clearance: what remains to be done?

Deposition and clearance studies are used during product development and in fundamental research. These studies mostly involve radionuclide imaging, but pharmacokinetic methods are also used to assess the amount of drug absorbed through the lungs, which is closely related to lung deposition. Radionuclide imaging may be two-dimensional (gamma scintigraphy or planar imaging), or three-dimensional (single photon emission computed tomography and positron emission tomography). In October 2009, a group of scientists met at the "Thousand Years of Pharmaceutical Aerosols" conference in Reykjavik, Iceland, to discuss future research in key areas of pulmonary drug delivery. This article reports the session on "Deposition, imaging and clearance." The objective was partly to review our current understanding, but more importantly to assess "what remains to be done?" A need to standardize methodology and provide a regulatory framework by which data from radionuclide imaging methods could be compared between centers and used in the drug approval process was recognized. There is also a requirement for novel radiolabeling methods that are more representative of production processes for dry powder inhalers and pressurized metered dose inhalers. A need was identified for studies to aid our understanding of the relationship between clinical effects and regional deposition patterns of inhaled drugs. A robust methodology to assess clearance from small conducting airways should be developed, as a potential biomarker for therapies in cystic fibrosis and other diseases. The mechanisms by which inhaled nanoparticles are removed from the lungs, and the factors on which their removal depends, require further investigation. Last, and by no means least, we need a better understanding of patient-related factors, including how to reduce the variability in pulmonary drug delivery, in order to improve the precision of deposition and clearance measurements.

Generation and characterization of stable, highly concentrated titanium dioxide nanoparticle aerosols for rodent inhalation studies

The intensive use of nano-sized titanium dioxide (TiO2) particles in many different applications necessitates studies on their risk assessment as there are still open questions on their safe handling and utilization. For reliable risk assessment, the interaction of TiO2 nanoparticles (NP) with biological systems ideally needs to be investigated using physico-chemically uniform and well-characterized NP. In this article, we describe the reproducible production of TiO2 NP aerosols using spark ignition technology. Because currently no data are available on inhaled NP in the 10–50 nm diameter range, the emphasis was to generate NP as small as 20 nm for inhalation studies in rodents. For anticipated in vivo dosimetry analyses, TiO2 NP were radiolabeled with 48V by proton irradiation of the titanium electrodes of the spark generator. The dissolution rate of the 48V label was about 1% within the first day. The highly concentrated, polydisperse TiO2 NP aerosol (3–6 × 106 cm−3) proved to be constant over several hours in terms of its count median mobility diameter, its geometric standard deviation, and number concentration. Extensive characterization of NP chemical composition, physical structure, morphology, and specific surface area was performed. The originally generated amorphous TiO2 NP were converted into crystalline anatase TiO2 NP by thermal annealing at 950 °C. Both crystalline and amorphous 20-nm TiO2 NP were chain agglomerated/aggregated, consisting of primary particles in the range of 5 nm. Disintegration of the deposited TiO2 NP in lung tissue was not detectable within 24 h.

Thermodynamics of the Hydroxyl Radical Addition to Isoprene

Oxidation of isoprene by the hydroxyl radical leads to tropospheric ozone formation. Consequently, a more complete understanding of this reaction could lead to better models of regional air quality, a better understanding of aerosol formation, and a better understanding of reaction kinetics and dynamics. The most common first step in the oxidation of isoprene is the formation of an adduct, with the hydroxyl radical adding to one of four unsaturated carbon atoms in isoprene. In this paper, we discuss how the initial conformations of isoprene, s-trans and s-gauche, influences the pathways to adduct formation. We explore the formation of pre-reactive complexes at low and high temperatures, which are often invoked to explain the negative temperature dependence of this reaction’s kinetics. We show that at higher temperatures the free energy surface indicates that a pre-reactive complex is unlikely, while at low temperatures the complex exists on two reaction pathways. The theoretical results show that at low temperatures all eight pathways possess negative reaction barriers, and reaction energies that range from −36.7 to −23.0 kcal·mol−1. At temperatures in the lower atmosphere, all eight pathways possess positive reaction barriers that range from 3.8 to 6.0 kcal·mol−1 and reaction energies that range from −28.8 to −14.4 kcal·mol−1.

Quantum Mechanical Study of Sulfuric Acid Hydration: Atmospheric Implications

The role of the binary nucleation of sulfuric acid in aerosol formation and its implications for global warming is one of the fundamental unsettled questions in atmospheric chemistry. We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid hydration using ab initio quantum mechanical methods. For H2SO4(H2O)n where n = 1–6, we used a scheme combining molecular dynamics configurational sampling with high-level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster size. For each isomer, we extrapolated the Møller–Plesset perturbation theory (MP2) energies to their complete basis set (CBS) limit and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled harmonic vibrational frequencies. We found that ionic pair (HSO4–·H3O+)(H2O)n−1 clusters are competitive with the neutral (H2SO4)(H2O)n clusters for n ≥ 3 and are more stable than neutral clusters for n ≥ 4 depending on the temperature. The Boltzmann averaged Gibbs free energies for the formation of H2SO4(H2O)n clusters are favorable in colder regions of the troposphere (T = 216.65–273.15 K) for n = 1–6, but the formation of clusters with n ≥ 5 is not favorable at higher (T > 273.15 K) temperatures. Our results suggest the critical cluster of a binary H2SO4–H2O system must contain more than one H2SO4 and are in concert with recent findings(1) that the role of binary nucleation is small at ambient conditions, but significant at colder regions of the troposphere. Overall, the results support the idea that binary nucleation of sulfuric acid and water cannot account for nucleation of sulfuric acid in the lower troposphere.

PM(10) remote sensing from geostationary SEVIRI and polar-orbiting MODIS sensors over the complex terrain of the European Alpine region

The subject of this study is to investigate the capability of spaceborne remote sensing data to predict ground concentrations of PM10 over the European Alpine region using satellite derived Aerosol Optical Depth (AOD) from the geostationary Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI) and the polar-orbiting MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). The spatial and temporal resolutions of these aerosol products (10 km and 2 measurements per day for MODIS, ∼ 25 km and observation intervals of 15 min for SEVIRI) permit an evaluation of PM estimation from space at different spatial and temporal scales. Different empirical linear relationships between coincident AOD and PM10 observations are evaluated at 13 ground-based PM measurement sites, with the assumption that aerosols are vertically homogeneously distributed below the planetary Boundary Layer Height (BLH). The BLH and Relative Humidity (RH) variability are assessed, as well as their impact on the parameterization. The BLH has a strong influence on the correlation of daily and hourly time series, whilst RH effects are less clear and smaller in magnitude. Despite its lower spatial resolution and AOD accuracy, SEVIRI shows higher correlations than MODIS (rSEV∼ 0.7, rMOD∼ 0.6) with regard to daily averaged PM10. Advantages from MODIS arise only at hourly time scales in mountainous locations but lower correlations were found for both sensors at this time scale (r∼ 0.45). Moreover, the fraction of days in 2008 with at least one satellite observation was 27% for SEVIRI and 17% for MODIS. These results suggest that the frequency of observations plays an important role in PM monitoring, while higher spatial resolution does not generally improve the PM estimation. Ground-based Sun Photometer (SP) measurements are used to validate the satellite-based AOD in the study region and to discuss the impact of aerosols' micro-physical properties in the empirical models. A lower error limit of 30 to 60% in the PM10 assessment from space is estimated in the study area as a result of AOD uncertainties, variability of aerosols properties and the heterogeneity of ground measurement sites. It is concluded that SEVIRI has a similar capacity to map PM as sensors on board polar-orbiting platforms, with the advantage of a higher number of observations. However, the accuracy represents a serious limitation to the applicability of satellites for ground PM mapping, especially in mountainous areas.