据世界卫生组织(WHO)称，全球每年有700万人死于空气污染。大约20年来，研究表明，空气中的颗粒物质会对人类健康产生负面影响。现在，除了已经研究过的颗粒物质来源，如加热系统，工业和道路交通的排放，飞机涡轮发动机颗粒排放，随着空中交通的增加，也变得更加重要。因此，对空中交通颗粒物的科学研究对于航空部门环境标准的制定非常重要。
初级固体颗粒，即直接从源发出的颗粒，对其附近的人产生最强烈的影响。然而，来自飞机涡轮发动机的固体颗粒的毒性仍未得到广泛研究。现在，由伯尔尼大学解剖学研究所的肺研究员Marianne Geiser领导的多学科团队，以及来自EmpaDübendorf和瑞士西北应用科学与艺术大学(FHNW)的同事，已经证明煤油中的主要烟尘颗粒飞机涡轮发动机中的燃烧也会对肺细胞造成直接损害，并且如果实验中模拟的固体颗粒被吸入发动机附近，则会引发炎症反应。研究人员首次证明了破坏性影响还取决于涡轮发动机的运行条件，燃料的成分以及产生的颗粒的结构。本研究发表在期刊上自然通讯生物学。
纳米级范围内的极小颗粒
从飞机涡轮发动机排放的颗粒通常是超细的，即小于100nm。作为比较，人发具有约80,000nm的直径。当吸入时，这些纳米颗粒 - 如来自其他燃烧源的纳米颗粒 - 有效地沉积在气道中。在健康人群中，肺部发育良好的防御机制通常会使沉积的颗粒无效并尽快将其从肺部移除。然而，如果吸入的颗粒设法克服这些防御机制，由于它们的结构或物理化学性质，存在对肺组织的不可修复的损害的危险。这个过程已经为早期的汽油和柴油发动机颗粒排放实验的研究人员所熟知，
独特的跨学科实验设置
在创新的联合实验中，研究人员调查了CFM56-7B涡扇发动机排气中颗粒的毒性，这是全球最常用的飞机涡轮发动机。涡轮机在苏黎世机场的SR Technics测试设施以爬升模式(模拟飞机起飞和爬升)和地面空转速度运行。在此框架内，研究人员能够使用全球标准化的测量方法，应用于飞机发动机的环境认证。还研究了燃料成分：涡轮发动机使用常规煤油喷射A-1燃料或生物燃料运行。后者由含有32%HEFA(“氢化酯和脂肪酸”)的煤油燃料组成，来自旧油炸油，动物脂肪，藻类和植物油。
专门用于研究体外吸入纳米颗粒的毒性并在FHNW上建立的气溶胶沉积室使得有可能以生动的方式将产生的颗粒物质沉积在支气管内表面上的支气管上皮细胞培养物上。因此，研究人员能够将气溶胶直接沉积在人体肺细胞上，这是出于道德原因在人体试验人员的实验中无法实现的。此外，分析颗粒的物理化学和结构性质，以检查与颗粒效应的可能联系。“这是一项全球独一无二的实验，将排放测量技术与现实条件下的医学分析相结合，”Empa的飞机涡轮发动机气溶胶研究员Benjamin Brem说。
毒性取决于涡轮机的运行条件和燃料类型
将细胞暴露于气溶胶中60分钟。在此期间，当涡轮机在地面空转时运行时，每平方厘米电池表面积的颗粒质量为1.6至6.7 ng(十亿分之一克)，而在处于爬升模式时，颗粒质量为310至430 ng。这相当于每天气道摄入温和污染的农村空气，每立方米空气中有20?g(百万分之一克)颗粒，大城市污染严重的空气(每立方米100-500?g颗粒)空气)。
鉴定了细胞培养物中细胞膜损伤和氧化应激增加的证据。氧化应激加速细胞衰老，可能是癌症或免疫系统疾病的诱因。根据涡轮机的推力水平和燃料类型，这些颗粒会造成不同程度的损坏：在地面空转时记录传统燃料的最高值，在爬升模式下记录生物燃料。这些结果令人惊讶。在全发动机推力下，传统煤油燃料的试验中的电池反应 - 特别是与起飞和爬升相比 - 弱于预期。“这些结果可以部分解释为这些颗粒的尺寸和结构非常小，”专注于Empa燃烧气溶胶纳米结构的Anthi Liati说。此外，细胞通过增加炎症细胞因子的分泌来响应生物燃料暴露，炎症细胞因子在我们的免疫系统中起着重要作用。“这种反应降低了气道上皮细胞对任何后续病毒或细菌感染的适当反应能力，”Marianne Geiser解释道。
总体而言，根据研究人员的研究，已经证明，由于汽油，柴油和煤油燃料燃烧产生的颗粒暴露造成的细胞损伤效应与类似剂量和暴露时间相当。另外，在暴露于汽油和煤油燃料颗粒后，在炎性细胞因子的分泌中发现了类似的模式。
“我们研究中使用的最先进的测量方法，跨学科方法以及由此产生的结果都构成了空气污染物及其对人类健康影响研究的又一重要步骤，”Geiser说。
气溶胶：距离源的距离至关重要
气溶胶是悬浮在空气中的最好的固体或流体物质。在燃烧过程中，超细颗粒的组成是高度可变的。此外，气溶胶是不稳定的，它们在形成后会被改性。初级超细固体颗粒具有高扩散速度。结果，在高浓度下，这些颗粒粘在一起或附着在其他颗粒上。因此，初级超细颗粒的影响取决于与源的距离，这意味着根据人是否靠近源(例如路边的人)或更远的距离(飞机滑行或乘坐)存在差异关闭)。需要进一步研究以阐明在距离飞机发动机更远的距离处的影响有多强。。
环境措施已经实现 - 瑞士的特殊承诺
自2006年瑞士“颗粒物质行动计划”出台以来，联邦民航局(BAZL)根据预防原则，主张在国际上引入飞机发动机颗粒物质认证和颗粒物排放限值。民航组织(ICAO)。BAZL建立了一个测量基础设施，并为SR Technics专门为此目的的研究奠定了基础。它一直支持该领域的顶级研究，通过2012年以来的“民航专项融资”，大大提高了对航空排放和排放测量技术的科学认识。该研究成为第一个用于测量颗粒的全球颗粒物质标准2016年的质量和数量。2019年2月，所有主要制造国家都参加的国际民航组织环境委员会就2012年1月1日起适用于新型发动机的限制建议达成了一致意见。本研究的结果有助于建立这些全球限制。到目前为止，航空业是唯一一个对超细颗粒物排放实施全球限制的行业。