stringtranslate.com

Аэробиология

Некоторые распространенные споры, передающиеся воздушно-капельным путем

Аэробиология (от греч. ἀήρ, aēr , « воздух »; βίος, bios , « жизнь »; и -λογία, -logia ) — раздел биологии , изучающий пассивный транспорт органических частиц, таких как бактерии , споры грибов , очень мелкие насекомые , пыльцевые зерна и вирусы . [1] Аэробиологи традиционно занимались измерением и составлением отчетов о пыльце и спорах грибов в воздухе в качестве услуги для людей, страдающих аллергией . [1] Однако аэробиология — это разнообразная область, связанная с наукой об окружающей среде , наукой о растениях , метеорологией , фенологией и изменением климата . [2]

Обзор

Первое упоминание об «аэробиологии» было сделано Фредом Кэмпбеллом Мейером в 1930-х годах. [2] Частицы, которые можно описать как аэропланктон , обычно имеют размер от нанометров до микрометров, что затрудняет их обнаружение. [3]

Аэрозолизация — это процесс, при котором мелкие и легкие частицы становятся взвешенными в движущемся воздухе. Теперь биоаэрозоли , эти пыльца и споры грибов могут переноситься через океан или даже путешествовать по всему миру. [4] Из-за большого количества микробов и легкости рассеивания Мартинус Бейеринк однажды сказал: «Все есть везде, окружающая среда выбирает». [5] Это означает, что аэропланктон есть везде и был везде, и только факторы окружающей среды определяют, какие из них останутся. Аэропланктон обнаружен в значительных количествах даже в пограничном слое атмосферы (ППС) . [6] Влияние этих атмосферных популяций на климат и химию облаков все еще изучается.

НАСА и другие исследовательские агентства изучают, как долго эти биоаэрозоли могут оставаться на плаву и как они могут выживать в таких экстремальных климатических условиях. Условия в верхней атмосфере похожи на климат на поверхности Марса, и обнаруженные микробы помогают пересмотреть условия, которые могут поддерживать жизнь. [7]

Рассеивание частиц

Процесс рассеивания аэробиологических частиц состоит из 3 этапов: удаление из источника, рассеивание в воздухе и осаждение в покой. [8] Геометрия частицы и окружающая среда влияют на все три фазы, однако после того, как она распыляется, ее судьба зависит от законов физики, управляющих движением воздуха.

Удаление из источника

Гриб-дождевик, выбрасывающий споры.

Пыльца и споры могут быть сдуты с их поверхности или вытряхнуты. Обычно скорость ветра, необходимая для высвобождения, выше средней скорости ветра. [8] Брызги дождя также могут вытеснять споры. Некоторые грибы могут даже быть спровоцированы факторами окружающей среды, чтобы активно выбрасывать споры. [8]

Распространение по воздуху

После освобождения от покоя аэропланктон оказывается во власти ветра и физики. Скорость оседания спор и пыльцы варьируется и является основным фактором дисперсии; чем дольше частица плывет, тем дольше ее может захватить турбулентный порыв ветра. Скорость и направление ветра колеблются со временем и высотой, поэтому конкретный путь некогда соседних частиц может значительно меняться. [8] Концентрация частиц в воздухе уменьшается с расстоянием от источника, а расстояние дисперсии наиболее точно моделируется как степенная функция . [3]

Перевод на покой

Осаждение представляет собой комбинацию гравитации и инерции. Скорость падения мелких частиц можно рассчитать по массе и геометрии, но сложные формы пыльцы и спор часто падают медленнее, чем их расчетная скорость, смоделированная с помощью простых форм. [9] Споры также могут быть удалены из воздуха при ударе; инерция частиц заставит их ударяться о поверхности на своем пути, вместо того чтобы обтекать их, как воздух. [8]

Экспериментальные методы

Было проведено много исследований для понимания реальных моделей распространения пыльцы и спор. Для сбора образцов в исследованиях часто используется объемная ловушка для спор, такая как пробоотборник типа Херста. Частицы прилипают к полоске для отбора проб, а затем их можно исследовать под микроскопом. [2] Ученые должны подсчитать частицы под увеличением, а затем проанализировать образец ДНК с помощью варианта последовательности Amplicon (ASV) или другим распространенным методом. [10]

Проблема, неоднократно упоминаемая в литературе, заключается в том, что из-за различных методов тестирования или анализа результаты не всегда сопоставимы между исследованиями. [5] Поэтому для получения точной модели необходимо проводить обширный сбор данных в каждом исследовании. К сожалению, нет базы данных аэробиологического распределения частиц, с которой можно было бы сравнивать результаты. [5]

Влияние на здоровье человека

Иллюстрация, изображающая воспаление, связанное с аллергическим ринитом.

Аллергический ринит — это тип воспаления в носу, который возникает, когда иммунная система чрезмерно реагирует на аллергены в воздухе. [11] Обычно он вызывается у людей пыльцой и другими биоаэрозолями. От 10% до 30% людей в западных странах страдают от него. [12] Симптомы обычно усиливаются в периоды опыления, когда в воздухе находится значительно больше пыльцы. [13] В эти пиковые периоды пребывание в помещении является одним из способов ограничить воздействие. Однако исследования показали, что в помещении все еще присутствуют значительные уровни пыльцы. Зимой уровни пыльцы в помещении фактически превышают уровни на открытом воздухе. [13]

Актуальные данные об уровнях пыльцы имеют решающее значение для людей, страдающих аллергией. Текущее ограничение заключается в том, что многие ловушки для спор требуют от ученых идентификации и подсчета отдельных зерен пыльцы под увеличением. [10] Это приводит к задержке данных, иногда более чем на неделю. В настоящее время разрабатывается ряд полностью автоматических ловушек для спор, и как только они будут полностью функциональны, они улучшат жизнь людей, страдающих аллергией. [10]

Последствия изменения климата

Карта изменения количества осадков при глобальном потеплении +2 °C

Ученые предсказали, что метеорологические последствия изменения климата ослабят барьеры распространения пыльцы и спор и приведут к снижению биологической уникальности в различных регионах. [4] Осадки увеличивают богатство (количество видов) биоразнообразия в регионах, поскольку облака формируются в верхних слоях атмосферы, где существует более разнообразное биоразнообразие. [4] В частности, в Арктике изменение климата резко увеличило количество осадков, и из-за этого ученые увидели в этом районе новые микробы. [4]

Повышение летних температур и уровня CO2, как показали исследования, приводит к увеличению общего количества пыльцы, выделяемой некоторыми деревьями, а также к задержке начала сезона пыльцы. [14] Однако необходимы дополнительные исследования, чтобы увидеть долгосрочные последствия изменения климата.

Ссылки

  1. ^ ab "В центре внимания: Аэробиология". Биолог . Королевское биологическое общество . Получено 26 октября 2017 г.
  2. ^ abc Lancia, Андреа; Капоне, Паскуале; Вонеш, Николетта; Пелличчони, Армандо; Гранди, Карло; Магри, Донателла; Д'Овидио, Мария Кончетта (январь 2021 г.). «Прогресс исследований в области аэробиологии за последние 30 лет: акцент на методологии и гигиене труда». Устойчивость . 13 (8): 4337. doi : 10.3390/su13084337 . hdl : 11573/1540128 . ISSN  2071-1050.
  3. ^ ab Хофманн, Фридер; Отто, Матиас; Восниок, Вернер (17 октября 2014 г.). «Отложение пыльцы кукурузы в зависимости от расстояния от ближайшего источника пыльцы при обычном возделывании – результаты 10 лет мониторинга (с 2001 по 2010 г.)». Environmental Sciences Europe . 26 (1): 24. doi : 10.1186/s12302-014-0024-3 . ISSN  2190-4715. S2CID  3924115.
  4. ^ abcd Малард, Люси А.; Авила-Хименес, Мария-Луиза; Шмейл, Джулия; Катбертсон, Льюис; Кокертон, Люк; Пирс, Дэвид А. (1 ноября 2022 г.). «Аэробиология над Южным океаном — последствия для бактериальной колонизации Антарктиды». Environment International . 169 : 107492. doi : 10.1016/j.envint.2022.107492 . ISSN  0160-4120. PMID  36174481.
  5. ^ abc Kellogg, Christina A.; Griffin, Dale W. (1 ноября 2006 г.). «Аэробиология и глобальный перенос пыли в пустыне». Trends in Ecology & Evolution . 21 (11): 638–644. doi :10.1016/j.tree.2006.07.004. ISSN  0169-5347. PMID  16843565.
  6. ^ Арчер, Стивен DJ; Ли, Кевин С.; Карузо, Танкреди; Альками, Антонио; Арайя, Джонатан Г.; Кэри, С. Крейг; Коуэн, Дон А.; Эчебехере, Клаудия; Ганцецег, Батдельгер; Гомес-Сильва, Бенито; Хартери, Шон; Хогг, Ян Д.; Кансур, Маяда К.; Лоуренс, Тимоти; Ли, Чарльз К. (1 мая 2023 г.). «Вклад почвенных бактерий в атмосферу в разных биомах». Наука об общей окружающей среде . 871 : 162137. doi : 10.1016/j.scitotenv.2023.162137. HDL : 10486/707035 . ISSN  0048-9697. PMID  36775167. S2CID  256776523.
  7. ^ Табор, Эбигейл (19 ноября 2018 г.). «Что такое аэробиологическая лаборатория НАСА?». НАСА .
  8. ^ abcde Маккартни, Х. Аластер (апрель 1994 г.). «Распространение спор и пыльцы с сельскохозяйственных культур». Grana . 33 (2): 76–80. doi : 10.1080/00173139409427835 . ISSN  0017-3134.
  9. ^ Саббан, Лилах; ван Хаут, Рене (1 декабря 2011 г.). «Измерения рассеивания пыльцевых зерен в неподвижном воздухе и стационарной, почти однородной, изотропной турбулентности». Журнал аэрозольных наук . 42 (12): 867–882. ​​doi :10.1016/j.jaerosci.2011.08.001. ISSN  0021-8502.
  10. ^ abc Maya-Manzano, José M.; Tummon, Fiona; Abt, Reto; Allan, Nathan; Bunderson, Landon; Clot, Bernard; Crouzy, Benoît; Daunys, Gintautas; Erb, Sophie; Gonzalez-Alonso, Mónica; Graf, Elias; Grewling, Łukasz; Haus, Jörg; Kadantsev, Evgeny; Kawashima, Shigeto (25 марта 2023 г.). "Towards European automatic bioaerosol monitoring: Comparison of 9 automatic pollen observational instruments with classic Hirst-type traps". Science of the Total Environment . 866 : 161220. doi : 10.1016/j.scitotenv.2022.161220 . ISSN  0048-9697. PMID  36584954. S2CID  255251758.
  11. ^ "Иммунотерапия при аллергии на окружающую среду". 17 июня 2015 г. Архивировано из оригинала 17 июня 2015 г. Получено 20 апреля 2023 г.{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
  12. ^ Уитли, Лиза М.; Тогиас, Алкис (29 января 2015 г.). Соломон, Карен Г. (ред.). «Аллергический ринит». The New England Journal of Medicine . 372 (5): 456–463. doi :10.1056/NEJMcp1412282. ISSN  0028-4793. PMC 4324099. PMID  25629743. 
  13. ^ ab Bastl, Katharina; Berger, Uwe; Kmenta, Maximilian; Weber, Martina (1 октября 2017 г.). «Есть ли преимущество пребывания в помещении для страдающих аллергией на пыльцу? Состав и количественные аспекты спектра пыльцы в помещении». Строительство и окружающая среда . 123 : 78–87. doi :10.1016/j.buildenv.2017.06.040. ISSN  0360-1323.
  14. ^ Лопес-Ороско, Р.; Гарсия-Мосо, Х.; Отерос, Х.; Галан, К. (1 октября 2021 г.). «Долгосрочные тенденции в атмосферной пыльце Quercus, связанные с изменением климата на юге Испании: 25-летняя перспектива». Atmospheric Environment . 262 : 118637. doi :10.1016/j.atmosenv.2021.118637. hdl : 10396/22063 . ISSN  1352-2310.