Zuurstof: van levenselexir in onze cellen tot onmisbare krachtbron in de industrie

Elke ademhaling brengt zuurstof diep in onze longen, waar het via de longblaasjes wordt opgenomen in het bloed en vervolgens naar elke cel getransporteerd. De lucht die we inademen bestaat voor zo’n 21 procent uit zuurstof. Als we uitademen, bevat de lucht nog ongeveer 16 procent. De ingeademde lucht bestaat verder voornamelijk uit stikstof (ongeveer 78 procent). En nog wat andere gassen, zoals koolstofdioxide en argon.

Het lichaam kan slechts een paar minuten zonder zuurstof. Daarna sterven cellen af, beginnend bij de hersenen. In onze cellen drijft zuurstof de mitochondriën aan, die voedsel omzetten in een stofje dat adenosinetrifosfaat heet. Dit stofje slaat energie op en draagt het op het juiste moment en in de juiste hoeveelheid over aan de cellen.

Zonder zuurstof valt dit proces stil, daardoor is ons lichaam evolutionair erop ingesteld om zuurstof te zoeken. Van het gevoel van opluchting bij frisse lucht tot de onbewuste reflex van ademhalen – ons leven hangt aan een draadje zuurstof. Maar er is ook een andere kant. Elke ademteug zet namelijk een paradoxale reactie in gang. Zuurstof helpt cellen functioneren, maar bij het proces van ademhalen ontstaan ook bijproducten, zogeheten reactieve zuurstofsoorten, die schade veroorzaken aan het DNA en aan cellulaire structuren.

Deze ‘oxidatieve stress’ draagt bij aan veroudering en verhoogt het risico op ziektes als kanker en hartproblemen. Antioxidanten, zoals vitamine C en E, neutraliseren deze stoffen en beschermen de cellen. Het lichaam balanceert voortdurend tussen de voordelen en de nadelen van zuurstof. Hoewel de mens niet zonder kan, heeft het belangrijkste element ook een prijs: de tand des tijds.

Het zuurstofmolecuul (O₂) mag simpel lijken, de dubbele binding tussen de twee zuurstofatomen maakt hem stabiel en energierijk. In zijn elementaire vorm ademen we het in, maar er zijn ook andere vormen zoals ozon (O₃). De ozonlaag bijvoorbeeld, beschermt ons tegen schadelijke ultraviolette straling. Zuurstof wordt vloeibaar bij extreem lage temperaturen (-183 graden Celsius) en is dan helder blauw.Vloeibare zuurstof zit in raketbrandstof en geeft raketten de nodige kracht om de aarde te verlaten.

Zuurstof is schaars in de ruimte en moet tot het laatste molecuul worden ­gerecycled. Het internationale ruimte­station ISS splitst water met behulp van elektrolyse in waterstof en zuurstof, waarna astronauten de zuurstof inademen. Het plan bij missies naar Mars is om zuurstof te winnen uit de Mars-atmosfeer, die voor 95 procent uit CO₂ bestaat.

Tijdens de Perseverance-missie naar Mars van 2021 verliep het MOXIE-experiment succesvol. Daarbij werd CO₂ omgezet in zuurstof, een cruciale technologie voor toekomstige Mars-kolonisten. Elke zuurstofmolecuul in de ruimte is waardevol, en elke ademhaling een overwinning op de vijandige omstandigheden.

In ziekenhuizen is zuurstof een redder in nood. Bij ziekten waarbij ademhalingsproblemen opspelen, zoals COPD en longontstekingen, wordt zuurstoftherapie ingezet om patiënten te ondersteunen. Hyperbare zuurstoftherapie (HBOT), waarbij patiënten in een luchtdichte kamer 100 procent zuurstof inademen bij verhoogde druk, helpt bij het genezen van wonden, zoals diabetische zweren, en kan zelfs duikers met decompressieziekte redden. De verhoogde druk heeft tot gevolg dat zuurstof dieper in beschadigd weefsel kan doordringen en de genezing versnelt.

HBOT staat de laatste jaren extra in de belangstelling, omdat zij ook experimenteel wordt toegepast bij patiënten met post-covid. Dit syndroom kan gepaard gaan met langdurige symptomen als vermoeidheid, kortademigheid en cognitieve problemen. HBOT kan helpen, doordat zij de zuurstofniveaus in het bloed en de weefsels verhoogt, wat het herstel van beschadigde longen en andere organen bevordert.

Met de therapie zijn daarnaast ontstekingen te verminderen, wat weer gunstig is voor patiënten met aanhoudende ontstekingsreacties na een covid-19-infectie. En mogelijk bevordert HBOT de aanmaak van stamcellen en de genezing van weefsels, wat zou kunnen bijdragen aan het herstel van onder meer longschade.

Hoewel zuurstof essentieel is voor het leven, heeft het soms ook verwoestende effecten. Een verhoogde zuurstofconcentratie in de lucht kan bijvoorbeeld het brandgevaar aanzienlijk vergroten. Zuurstof zelf is niet brandbaar, maar ondersteunt de verbranding van andere materialen.

In een zuurstofrijke omgeving kunnen stoffen die normaal niet brandbaar zijn, vlam vatten en veel heviger en heter branden.Een sluipender verwoestingsproces speelt zich voortdurend om ons heen af. De combinatie van ijzer, water en zuurstof leidt onherroepelijk tot vorming van ijzeroxide oftewel roest. Dat roodbruine goedje vormt zich op het oppervlak, maar vreet allengs het ijzer volledig op.

Dankzij haar brandversnellende eigenschappen heeft zuurstof ook zijn weg naar de industrie gevonden. In de staalindustrie wordt het direct ingespoten in smeltovens om onzuivere elementen zoals koolstof te verbranden, waardoor het staal sterker en zuiverder wordt.

Dit proces, de zuurstof-LD-procedure, leidt jaarlijks tot een verbruik van miljoenen tonnen zuurstof.In de chemische industrie is zuurstof onmisbaar bij de productie van stoffen zoals ethyleenoxide, een grondstof voor kunststoffen en antivries.

Zuurstof wordt ook ingezet bij afvalwaterzuivering: als het zuurstofgehalte wordt verhoogd, kunnen micro-organismen sneller schadelijke stoffen afbreken. Elk van deze processen, zowel voor staal als voor schoon water, laat zien hoe zuurstof industrieën aandrijft en de ­moderne samenleving ondersteunt.

Planten, bomen en fytoplankton zetten zonlicht en water om in zuurstof door fotosynthese. Regenwouden zijn, hoewel ze maar een klein deel van het aardoppervlak beslaan, verantwoordelijk voor een groot deel van de zuurstofproductie. In oceanen dragen minuscule algen, zoals diatomeeën oftewel kiezelwieren, bij aan de zuurstofcyclus.

Deze kleurrijke organismen zijn trouwens goed te bewonderen op drooggevallen delen van de Waddenkust.Alle algen produceren ongeveer 50 procent van de zuurstof die we inademen. Zonder deze natuurlijke zuurstofpomp was de aarde onbewoonbaar. Van de Amazone tot de Stille Oceaan, onze planeet ademt dankzij deze fotosynthetische helden.

Zuurstof is in de keuken zowel vriend als vijand. Bij het fermenteren van wijn, bier en kaas speelt zuurstof een rol in de smaakontwikkeling, terwijl het in te grote hoeveelheden bederf veroorzaakt. In de jaren negentig begonnen moleculaire koks zuurstof in te zetten om schuimen en luchtige texturen te creëren, zoals bij espuma.

Ook bij sous-videkoken – waarbij voedsel vacuüm wordt gegaard – speelt zuurstof, of liever de afwezigheid ervan, een cruciale rol: als zuurstof wordt uitgesloten, zijn smaken geconcentreerd en blijft malsheid behouden. Zo is het spelen met zuurstof essentieel om structuur en smaak van gerechten te sturen.

Zuurstof is een stille kracht achter sportprestaties. Wielrenners en marathonlopers zweren bij hoogtetraining om sneller te kunnen herstellen en harder te kunnen gaan. Atleten die op hoogte trainen, dwingen hun lichaam tot efficiëntere omgang met zuurstof.Op hoogte is het zuurstofgehalte in het bloed lager, zodat het lichaam meer rode bloedcellen aanmaakt.

Met de extra rode cellen die nog in het bloed zitten, kan het lichaam effectiever zuurstof opnemen en verspreiden. Terug op zeeniveau profiteert de atleet van deze verhoogde capaciteit, wat kan leiden tot betere prestaties. Sporters gebruiken soms draagbare zuurstoftenten om het effect van hoogtetraining na te bootsen.

Het woord ‘zuurstof’ herbergt een fascinerende vergissing. De Franse scheikundige Antoine Lavoisier (1743-1794), de vader van de moderne chemie, noemde het ‘oxygenium’, Grieks voor ‘zuur-maker’. Hij dacht dat zuurstof onmisbaar was voor het vormen van zuren. We weten nu dat niet alle zuren zuurstof nodig hebben, maar de naam bleef. Lavoisier was destijds niet de enige die zuurstof isoleerde: de Zwitser Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) en de Brit Joseph Priestley (1733-1804) kwamen het op het spoor in dezelfde periode. Priestley gebruikte een lens om zonlicht te bundelen op kwikoxide en ontdekte een gas dat kaarsen helderder deed branden. Zuurstof had letterlijk en figuurlijk het licht ontstoken.