Poor air quality is globally the largest environmental health risk. Epidemiological studies have uncovered clear relationships of gaseous pollutants and particulate matter (PM) with adverse health outcomes, including mortality by cardiovascular and respiratory diseases. Studies of health impacts by aerosols are highly multidisciplinary with a broad range of scales in space and time. We assess recent advances and future challenges regarding aerosol effects on health from molecular to global scales through epidemiological studies, field measurements, health-related properties of PM, and multiphase interactions of oxidants and PM upon respiratory deposition. Global modeling combined with epidemiological exposure-response functions indicates that ambient air pollution causes more than four million premature deaths per year. Epidemiological studies usually refer to PM mass concentrations, but some health effects may relate to specific constituents such as bioaerosols, polycyclic aromatic compounds, and transition metals. Various analytical techniques and cellular and molecular assays are applied to assess the redox activity of PM and the formation of reactive oxygen species. Multiphase chemical interactions of lung antioxidants with atmospheric pollutants are crucial to the mechanistic and molecular understanding of oxidative stress upon respiratory deposition. The role of distinct PM components in health impacts and mortality needs to be clarified by integrated research on various spatiotemporal scales for better evaluation and mitigation of aerosol effects on public health in the Anthropocene.

Abstract Air pollution can cause oxidative stress and adverse health effects such as asthma and other respiratory diseases, but the underlying chemical processes are not well characterized. Here we present chemical exposure-response relations between ambient concentrations of air pollutants and the production rates and concentrations of reactive oxygen species (ROS) in the epithelial lining fluid (ELF) of the human respiratory tract. In highly polluted environments, fine particulate matter (PM2.5) containing redox-active transition metals, quinones, and secondary organic aerosols can increase ROS concentrations in the ELF to levels characteristic for respiratory diseases. Ambient ozone readily saturates the ELF and can enhance oxidative stress by depleting antioxidants and surfactants. Chemical exposure-response relations provide a quantitative basis for assessing the relative importance of specific air pollutants in different regions of the world, showing that aerosol-induced epithelial ROS levels in polluted megacity air can be several orders of magnitude higher than in pristine rainforest air.

Air pollution and climate change are potential drivers for the increasing burden of allergic diseases. The molecular mechanisms by which air pollutants and climate parameters may influence allergic diseases, however, are complex and elusive. This article provides an overview of physical, chemical and biological interactions between air pollution, climate change, allergens, adjuvants and the immune system, addressing how these interactions may promote the development of allergies. We reviewed and synthesized key findings from atmospheric, climate, and biomedical research. The current state of knowledge, open questions, and future research perspectives are outlined and discussed. The Anthropocene, as the present era of globally pervasive anthropogenic influence on planet Earth and, thus, on the human environment, is characterized by a strong increase of carbon dioxide, ozone, nitrogen oxides, and combustion- or traffic-related particulate matter in the atmosphere. These environmental factors can enhance the abundance and induce chemical modifications of allergens, increase oxidative stress in the human body, and skew the immune system toward allergic reactions. In particular, air pollutants can act as adjuvants and alter the immunogenicity of allergenic proteins, while climate change affects the atmospheric abundance and human exposure to bioaerosols and aeroallergens. To fully understand and effectively mitigate the adverse effects of air pollution and climate change on allergic diseases, several challenges remain to be resolved. Among these are the identification and quantification of immunochemical reaction pathways involving allergens and adjuvants under relevant environmental and physiological conditions.

Abstract Prenatal exposures to ambient particulate matter (PM2.5) from traffic may generate oxidative stress, and thus contribute to adverse birth outcomes. We investigated whether PM2.5 constituents from brake and tire wear affect levels of oxidative stress biomarkers (malondialdehyde (MDA), 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine (8-OHdG)) using urine samples collected up to three times during pregnancy in 156 women recruited from antenatal clinics at the University of California Los Angeles. Land use regression models with co-kriging were employed to estimate average residential outdoor concentrations of black carbon (BC), PM2.5 mass, PM2.5 metal components, and three PM2.5 oxidative potential metrics during the 4-weeks prior to urine sample collection. 8-OHdG concentrations in mid-pregnancy increased by 24.8% (95% CI: 9.0, 42.8) and 14.3% (95% CI: 0.4%, 30.0%) per interquartile range (IQR) increase in PM2.5 mass and BC, respectively. The brake wear marker (barium) and the oxidative potential metrics were associated with increased MDA concentration in the 1st sample collected (10-17 gestational week), but 95% CIs included the null. Traffic-related air pollution contributed in early to mid-pregnancy to oxidative stress generation previously linked to adverse birth outcomes.

Ozone and its oxidation products result in negative health effects when inhaled. Despite painted surfaces being the most abundant surface in indoor spaces, surface loss remains one of the largest uncertainties in the indoor ozone budget. Here, ozone uptake coefficients (γ

Abstract Road traffic is a significant source of particulate matter pollution, whose exposure is a significant risk factor in pregnancy-related health outcomes. The exact mechanisms behind the relationship between traffic-related air pollution (TRAP) exposure and adverse pregnancy outcomes remain unclear. We aim to assess the relationship between exposure to brake and tire wear-associated metals and oxidative potential and ischemic placental disease (IPD). Data were assembled from a final population of 178 women who sought specialized prenatal care at UCLA between 2016 and 2019 in Los Angeles, CA. Modeled first trimester exposures to chemical constituents and oxidative stress potential of PM 2.5 , black carbon, and PM 2.5 mass concentration. Speciated measurements included tracers of brake wear (barium), tire wear (zinc), and oxidative potential markers based on metal concentrations (KM-SUB-ELF ROS) or laboratory assays (DTT loss, OH radical formation). Exposures were modeled by integrating data from filter samples, a low-cost PM 2.5 sensor network, and land-use data. We used logistic regression to estimate the associations between air pollution exposures and IPD, adjusting for covariates assessed through medical records and interviews. Scaled to the interquartile range, odds ratios (95% CI) were as follows: barium OR: 1.7 (1.1, 2.7), zinc OR: 1.4 (.86, 2.4), and oxidative potential markers, both modeled as well as measured through DTT loss and OH formation assays (ORs ranging from 1.1-2.0). Point estimates of effect sizes for PM 2.5 and black carbon were lower than most measurements (ORs: 1.3-1.4). mass and black carbon. Our findings suggest two key points: (i) metals associated with brake and tire wear, currently unregulated, may play a role in the relationship between TRAP and adverse pregnancy outcomes, and (ii) reducing tailpipe emissions may not be sufficient to protect pregnant women from TRAP.