kvælstofmonooxid og kvælstofdioxid (luftforurening)

I den offentlige debat kan man til tider se tekster, hvor der fejlagtigt tales om NO_x-partikler. NO_x er imidlertid gasser, da det er en samlet betegnelse for gasserne kvælstofdioxid og kvælstofmonooxid.

I rutinemæssige overvågningsprogrammer for udendørs luftforurening måles koncentrationen af kvælstofmonooxid og kvælstofdioxid ved brug af målemetoden kemiluminescens. Ved kemiluminescens suges luften ind i et kammer og tilføres samtidig ozon. I kammeret omdannes kvælstofmonooxid ved reaktion med ozon til kvælstofdioxid. I forbindelse med omdannelsen af kvælstofmonooxid udsendes lys ved en bestemt (kendt) bølgelængde, som registreres med en lysdetektor. Ved skiftevis enten at suge luften direkte ind i kammeret eller gennem en celle, der reducerer kvælstofdioxid til kvælstofmonooxid, kan man bestemme henholdsvis koncentrationen af kvælstofmonooxid og koncentrationen af NO_x (summen af kvælstofmonooxid og kvælstofdioxid). Koncentrationen af kvælstofdioxid beregnes herefter som differensen (forskellen) mellem de to målinger.

For kvælstofdioxid findes der flere andre målemetoder, som anvendes i forskellige sammenhæng. De omfatter fx opsamling i små rør og badges med efterfølgende analyse på laboratorium, men også low-cost-sensorer som elektrokemiske sensorer og metaloxidsensorer.

I atmosfæren er kvælstofdioxid en brunlig gas, som indgår i fotokemisk smog og har en række negative helbredseffekter. Gassen kan ligeledes fungere som næringsstof for planter i naturen ved at tilføre det kvælstof, der indgår i gassen. Ved denne kvælstoftilførsel kan følsomme økosystemer belastes. Kvælstofdioxid afsættes i naturen hovedsagelig ved, at gassen optages gennem planternes spalteåbninger (stomata).

Næringsstoffølsomme økosystemer kan tabe biodiversitet ved store kvælstoftilførsler, og derfor har man fastlagt tålegrænser for kvælstofafsætning til forskellige naturtyper. For en række følsomme naturtyper kan kvælstofdioxid udgøre et væsentligt, men normalt ikke et dominerende, bidrag til afsætning af kvælstof fra atmosfæren. I den sammenhæng udgør afsætning af ammoniak samt afsætning af partikelbundet ammonium og nitrat, typisk et større bidrag til kvælstofafsætning fra atmosfæren.

I udendørs luft optræder kvælstofmonooxid normalt i koncentrationer, som ikke er skadelige for helbredet. Kvælstofmonooxid spiller imidlertid en rolle for både dyr og menneskers fysiologi.

Gassen afsættes så langsomt, at den i modsætning til kvælstofdioxid ikke bidrager væsentligt som næringsstof i naturen. Kvælstofmonooxid omdannes imidlertid hurtigt til kvælstofdioxid med de ovenfor nævnte negative effekter for sundhed og natur.

Hovedparten af udledningen af kvælstofoxider sker gennem udledning af kvælstofmonooxid og kvælstofdioxid. Udledningerne af disse to kvælstofoxider er helt overvejende knyttet til udledninger fra forbrænding af fossile brændsler i forbindelse med trafik, industri eller kraftvarmeproduktion, hvor atmosfærens frie kvælstof (N₂) ved høj varme omdannes til kvælstofmonooxid og kvælstofdioxid. Ved denne proces dannes hovedsagelig kvælstofmonooxid og i mindre grad kvælstofdioxid. Omkring 1990 udgjorde kvælstofdioxid således kun ca. 5 % af udledningerne af NO_x fra den danske vejtrafik.

Med lovkrav om katalysatorer på benzindrevne biler er NO_x-udledningerne reduceret betragteligt. Imidlertid stiger andelen, der udledes som kvælstofdioxid, til mellem 20 og 40 % af NO_x-udledningerne. Denne udvikling gør, at koncentrationen af kvælstofdioxid i perioden 2000 og op mod 2010 forblev høj i danske bygader trods reduktion i NO_x-udledningerne; i enkelte af de mest trafikerede og tætte gaderum har man i denne periode observeret overskridelser af EU’s grænseværdier. I slutningen af 2010'erne var NO_x dog reduceret så meget, at koncentrationen af kvælstofdioxid i danske gader lå under EU's grænseværdier.

Imidlertid udledes kvælstofmonooxid, ligesom i øvrigt lattergas (N₂O), også fra biologiske processer i jordlag; det gælder bl.a. jordlag i skovbunden, men også i landbrugsjorder. Udledningerne fra de biologiske processer i jordlag afhænger af jordens pH. Lav pH, det vil sige sur jord, fremmer de biologiske processer, som fører til udledninger, mens processerne stort set går i stå ved neutral pH (omkring 7). NO_x dannes desuden ved lynnedslag i forbindelse med tordenvejr. Disse kilder udgør dog en mindre del af de samlede udledninger, som domineres af udledninger relateret til forbrændingskilder.

Kvælstofmonooxid og kvælstofdioxid indgår i en omfattende række af kemiske reaktioner i atmosfæren. Kvælstofmonooxid reagerer hurtigt med ozon, hvorved der dannes kvælstofdioxid. Kvælstofdioxid spaltes af sollys (ved lys med bølgelængde under 420 nanometer), hvorved der dannes kvælstofmonooxid. Fjernelsen af de to kvælstofoxider fra atmosfæren sker helt overvejende ved afsætning eller kemisk omdannelse af kvælstofdioxid.

Kvælstofdioxid fjernes typisk fra atmosfæren med hastighed på ca. 5 % i timen. Det sker som følge af reaktionen mellem kvælstofdioxid og hydroxylradikalet; en reaktion som forløber i dagtimerne, hvor ved der dannes salpetersyre (HNO₃). Salpetersyre har en kort opholdstid i atmosfæren, bl.a. fordi den hurtigt reagerer med ammoniak, men især fordi den hurtigt sætter sig på alle typer af overflader.

I reaktionen mellem ozon og kvælstofdioxid dannes nitratradikalet, som bl.a. i byområder spiller en central rolle for kemien om natten. Reaktionen mellem kvælstofdioxid og ozon spiller dog kun en lille rolle for fjernelsen af kvælstofdioxid fra atmosfæren.

Siden 1980'erne har det været kendt, at kvælstofmonooxid fungerer som signalstof i de fleste dyrs blodkredsløb. Stoffet dannes løbende i de celler (endothelceller), der dækker det indre af blodkarrene. Herfra spredes det bl.a. til blodkarvæggenes glatte muskulatur, der regulerer blodkarrenes sammentrækning. Her stimulerer det dannelsen af signalstoffet cGMP (cyklisk guanosinmonofosfat, se guanin), der afslapper muskelcellerne, hvilket medfører en udvidelse af blodkarrene. Kvælstofmonooxid kan dermed regulere blodtilførslen til en lang række organer. Udvikling af åreforkalkning hænger formentlig sammen med hæmning af dannelsen af kvælstofmonooxid.

Behandling af angina pectoris med lægemidlet nitroglycerin har været kendt siden slutningen af 1800-tallet; virkningsmekanismen har vist sig at være nitroglycerins evne til at fraspalte kvælstofmonooxid. Også blodtilførslen til penis reguleres af kvælstofmonooxid, som frigøres ved seksuel stimulation. Et lægemiddel til behandling af impotens, Viagra® (Sildenafil), der blev markedsført i 1998, baserer sin virkning på hæmning af nedbrydningen af cGMP.

Kvælstofoxid har desuden virkninger som signalstof i centralnervesystemet, hvor det fungerer som neurotransmitter, og i imunsystemet, hvor det dannes i makrofager (ædeceller) og derved medvirker ved bekæmpelse af kræftceller og mikroorganismer.

Nobelprisen i fysiologi/medicin for 1998 blev tildelt de amerikanske farmakologer Robert Furchgott, Louis Ignarro og Ferid Murad for deres forskning i kvælstofmonooxids rolle som signalstof i blodkarsystemet. Se også lattergas.

Selv om luftforurening indeholder en blanding af kvælstofoxider, tilskrives symptomer og helbredseffekter af kvælstofoxider især kvælstofdioxid, der er en irritativ gas. Kvælstofdioxid har en lav vandopløselighed og bliver derfor transporteret til de nedre luftveje (alveoler) ved indånding. På overfladen af epitelcellerne i lungerne danner det salpetersyre (HNO₃) og salpetersyrling (HONO eller HNO₂) i væsken. Kvælstofdioxid diffunderer relativt dårligt over cellemembraner og kan kun ved meget høje koncentrationer passere ind blodbanen. I lungerne forårsager kvælstofdioxid slimhindeirritation, hvilket opleves som stakåndethed og hoste ved akut eksponering. Symptomerne opstår ved lavere koncentration af kvælstofoxider i indåndingsluften hos patienter med astma og kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL) end hos raske personer.

Ud over akutte symptomer forårsager kvælstofoxider også dannelse af reaktive iltforbindelser eller frie radikaler, som fører til oxidativt stress i lungerne. Efter udsættelser for høj dosis – typisk i forgiftningstilfælde – kan der opstå bronkospasmer og lungeødem flere timer eller dage efter endt eksponering. Kroniske lav-dosis-eksponeringer er forbundet med forøget risiko for respiratoriske infektioner pga. nedsat immunfunktion. Børn er en særligt sårbar risikogruppe, fordi de har en smallere diameter i luftvejene og et større minutvolumen relativt til voksne. Kvælstofoxider er ikke klassificeret som kræftfremkaldende stoffer, om end kvælstofdioxid har DNA-beskadigende egenskaber.

Kvælstofoxid dannes i kød ved nitritsaltning, idet askorbinsyre reducerer nitrit til kvælstofmonooxid, der bindes til musklens myoglobin og danner nitrosylmyoglobin (MbFe(II)NO). Nitrosylmyoglobin og dets denaturerede former dannet ved opvarmning er lyserøde, kendt som kogt skinkes farve. Nitrosylmyoglobin synes at have antioxidativ effekt, idet kvælstofmonooxid som et radikal reagerer med lipidperoxylradikaler og dermed bremser lipid-autoxidation og hermed harskning af nitritsaltet kød. Nitrosylmyoglobin kan som antioxidant også reagere med lipidperoxider og hydrogenperoxid; herved dannes nitrit, der kan gendanne nitrosylmyoglobin.

• luftforurening
• helbredseffekter
• introduktion til gasser som luftforurening
• kvælstofoxider
• koncentration og udledning
• salpetersyre
• salpetersyrling
• dinitrogenpentoxid
• nitratradikalet
• lattergas
• peroxyacetylnitrat (PAN)