Биоаэрозоли (сокращение от биологические аэрозоли ) — это подкатегория частиц, выбрасываемых в атмосферу наземными и морскими экосистемами. Они состоят из живых и неживых компонентов, таких как грибки, пыльца, бактерии и вирусы. [1] Обычными источниками биоаэрозолей являются почва, вода и сточные воды.
Биоаэрозоли обычно попадают в воздух через турбулентность ветра над поверхностью. Попав в атмосферу, они могут переноситься локально или глобально: общие ветровые модели/силы отвечают за локальное рассеивание, в то время как тропические штормы и пылевые шлейфы могут перемещать биоаэрозоли между континентами. [2] Над поверхностью океана биоаэрозоли образуются через морские брызги и пузырьки.
Биоаэрозоли могут переносить микробные патогены , эндотоксины и аллергены , к которым чувствительны люди. Известным случаем была вспышка менингококкового менингита в странах Африки к югу от Сахары, которая была связана с пыльными бурями в засушливые сезоны. Другие вспышки, связанные с пылевыми событиями, включали микоплазменную пневмонию и туберкулез . [2]
Другим примером стало увеличение числа заболеваний дыхательных путей у людей в странах Карибского бассейна, что могло быть вызвано следами тяжелых металлов, биоаэрозолей микроорганизмов и пестицидов, переносимых пылевыми облаками, проходящими над Атлантическим океаном.
Чарльз Дарвин был первым, кто наблюдал перенос частиц пыли [3] , но Луи Пастер был первым, кто исследовал микробы и их активность в воздухе. До работ Пастера лабораторные культуры использовались для выращивания и выделения различных биоаэрозолей.
Поскольку не все микробы можно культивировать, многие из них не были обнаружены до разработки инструментов на основе ДНК. Пастер также разработал экспериментальные процедуры для отбора проб биоаэрозолей и показал, что на более низких высотах микробная активность увеличивается, а на более высоких — уменьшается. [2]
Биоаэрозоли включают грибы , бактерии , вирусы и пыльцу . Их концентрация самая высокая в планетарном пограничном слое (ППС) и уменьшается с высотой. Уровень выживания биоаэрозолей зависит от ряда биотических и абиотических факторов, которые включают климатические условия, ультрафиолетовый (УФ) свет, температуру и влажность, а также ресурсы, присутствующие в пыли или облаках. [4]
Биоаэрозоли, обнаруженные в морской среде, в основном состоят из бактерий, тогда как те, что обнаружены в наземной среде, богаты бактериями, грибками и пыльцой. [5] Доминирование определенных бактерий и их источников питания может меняться в зависимости от времени и местоположения. [2]
Биоаэрозоли могут иметь размер от 10 нанометровых вирусных частиц до 100 микрометровых зерен пыльцы. [6] Пыльцевые зерна являются самыми крупными биоаэрозолями и имеют меньше шансов оставаться взвешенными в воздухе в течение длительного периода времени из-за своего веса. [1]
Следовательно, концентрация частиц пыльцы уменьшается быстрее с высотой, чем более мелкие биоаэрозоли, такие как бактерии, грибки и, возможно, вирусы, которые могут выживать в верхней тропосфере. В настоящее время мало исследований по конкретной высотной переносимости различных биоаэрозолей. Однако ученые полагают, что атмосферная турбулентность влияет на то, где могут быть обнаружены различные биоаэрозоли. [5]
Клетки грибов обычно погибают, когда они путешествуют через атмосферу из-за иссушающего эффекта больших высот. Однако было показано, что некоторые особенно устойчивые грибковые биоаэрозоли выживают при атмосферном переносе, несмотря на воздействие суровых условий ультрафиолетового света. [7] Хотя уровни биоаэрозолей грибковых спор увеличиваются в условиях более высокой влажности, они также могут быть активны в условиях низкой влажности и в большинстве температурных диапазонов. Некоторые грибковые биоаэрозоли даже увеличиваются при относительно низких уровнях влажности. [ необходима цитата ]
В отличие от других биоаэрозолей, бактерии способны завершать полные репродуктивные циклы в течение дней или недель, пока они выживают в атмосфере, что делает их основным компонентом экосистемы воздушной биоты. Эти репродуктивные циклы подтверждают в настоящее время недоказанную теорию о том, что бактериальные биоаэрозоли образуют сообщества в атмосферной экосистеме. [2] Выживание бактерий зависит от капель воды из тумана и облаков, которые обеспечивают бактерии питательными веществами и защитой от ультрафиолетового света. [5] Четыре известные бактериальные группы, которые широко распространены в аэромикробных средах по всему миру, включают Bacillota , Actinomycetota , Pseudomonadota и Bacteroidota . [8]
Воздух переносит вирусы и другие патогены . Поскольку вирусы меньше других биоаэрозолей, они могут перемещаться на большие расстояния. В одном моделировании вирус и спора грибка были одновременно выпущены с крыши здания; спора преодолела всего 150 метров, в то время как вирус преодолел почти 200 000 горизонтальных километров. [5]
В одном исследовании аэрозоли (<5 мкм), содержащие SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2, были получены с помощью распылителя и поданы в барабан Голдберга для создания аэрозольной среды. Инокулят дал пороговые значения цикла от 20 до 22, аналогичные тем, которые наблюдались в образцах верхних и нижних дыхательных путей человека. SARS-CoV-2 оставался жизнеспособным в аэрозолях в течение 3 часов, при этом снижение титра инфекции было аналогично SARS-CoV-1. Период полураспада обоих вирусов в аэрозолях составлял в среднем от 1,1 до 1,2 часа. Результаты показывают, что передача обоих вирусов аэрозолями вероятна, поскольку они могут оставаться жизнеспособными и инфекционными во взвешенных аэрозолях в течение часов и на поверхностях до нескольких дней. [9]
Несмотря на то, что они больше и тяжелее других биоаэрозолей, некоторые исследования показывают, что пыльца может переноситься на тысячи километров. [5] Они являются основным источником аллергенов, распространяемых ветром, особенно в результате сезонных выбросов трав и деревьев. [1] Отслеживание расстояния, транспорта, ресурсов и отложения пыльцы в наземной и морской среде полезно для интерпретации записей о пыльце. [1]
Основными инструментами, используемыми для сбора биоаэрозолей, являются сборные пластины, электростатические коллекторы, масс-спектрометры и импакторы; используются и другие методы, но они носят более экспериментальный характер. [8] Фильтры из поликарбоната (ПК) показали наиболее точный бактериальный отбор проб по сравнению с другими вариантами фильтров из ПК. [10]
Для сбора биоаэрозолей, попадающих в определенный диапазон размеров, импакторы могут быть сложены друг на друга для захвата вариации твердых частиц (ТЧ). Например, фильтр ТЧ 10 пропускает более мелкие частицы. Это похоже на размер человеческого волоса. Твердые частицы осаждаются на предметных стеклах, пластинах с агаром или ленте у основания импактора. Ловушка для спор Hirst отбирает образцы со скоростью 10 литров в минуту (Л/мин) и имеет флюгер, чтобы всегда отбирать образцы в направлении потока ветра. Собранные частицы ударяются о вертикальное стеклянное предметное стекло, смазанное нефтью.
Такие вариации, как 7-дневная регистрирующая объемная споровая ловушка, были разработаны для непрерывного отбора проб с использованием медленно вращающегося барабана, который осаждает материал, подвергнутый воздействию, на покрытую пластиковую ленту. [11] Пробоотборник бактерий, переносимых по воздуху, может производить отбор проб со скоростью до 700 л/мин, что позволяет собирать большие образцы за короткое время отбора проб. Биологический материал осаждается и осаждается на покрытой агаром чашке Петри, позволяя культурам развиваться. [12]
Подобно одноступенчатым импакторам в методах сбора, каскадные импакторы имеют несколько размеров срезов (PM 10 , PM 2.5 ), что позволяет биоаэрозолям разделяться в соответствии с размером. Разделение биологического материала по аэродинамическому диаметру полезно, поскольку диапазоны размеров доминируют в определенных типах организмов (бактерии существуют в диапазоне от 1 до 20 микрометров, а пыльца — от 10 до 100 микрометров). Линия каскадных импакторов Андерсена наиболее широко используется для тестирования частиц воздуха. [13]
Циклонный пробоотборник состоит из круглой камеры, в которую поток аэрозоля поступает через одно или несколько тангенциальных сопел. Как и импактор, циклонный пробоотборник зависит от инерции частицы, заставляя ее осаждаться на стенке пробоотборника, когда поток воздуха изгибается внутри камеры. Также, как и импактор, эффективность сбора зависит от скорости потока. Циклоны менее склонны к отскоку частиц, чем импакторы, и могут собирать большее количество материала. Они также могут обеспечивать более щадящий сбор, чем импакторы, что может улучшить извлечение жизнеспособных микроорганизмов. Однако циклоны, как правило, имеют кривые эффективности сбора, которые менее крутые, чем импакторы, и проще спроектировать компактный каскадный импактор по сравнению с каскадом циклонных пробоотборников. [14]
Вместо сбора на смазанной подложке или агаровой пластине были разработаны импинжеры для воздействия на биоаэрозоли в жидкостях, таких как деионизированная вода или фосфатный буферный раствор. Эффективность сбора импинжерами, как показали Эрлих и др. (1966), в целом выше, чем у аналогичных конструкций одноступенчатых импакторов. Коммерчески доступные импинжеры включают AGI-30 (Ace Glass Inc.) и Biosampler (SKC, Inc).
Электростатические осадители (ЭСП) недавно вновь обрели интерес [15] к отбору проб биоаэрозолей из-за их высокоэффективной эффективности удаления частиц и более щадящего метода отбора проб по сравнению с импингом. ЭСП заряжают и удаляют входящие аэрозольные частицы из воздушного потока, используя неоднородное электростатическое поле между двумя электродами и высокую напряженность поля. Это создает область ионов высокой плотности, коронный разряд, который заряжает входящие аэрозольные капли, а электрическое поле осаждает заряженные частицы на собирающей поверхности.
Поскольку биологические частицы обычно анализируются с использованием жидкостных анализов ( ПЦР , иммуноанализы , анализ жизнеспособности ), предпочтительнее отбирать образцы непосредственно в жидкий объем для последующего анализа. Например, Пардон и др. [16] демонстрируют отбор образцов аэрозолей вплоть до микрожидкостного интерфейса воздух-жидкость, а Ладхани и др. [17] демонстрируют отбор образцов гриппа , передающегося воздушно-капельным путем , вплоть до небольшой капли жидкости. Использование жидкостей малого объема идеально подходит для минимизации разбавления образца и имеет потенциал для объединения с технологиями «лаборатория на чипе» для быстрого анализа в месте оказания помощи .
Фильтры часто используются для сбора биоаэрозолей из-за их простоты и низкой стоимости. Фильтрационный сбор особенно полезен для личного отбора проб биоаэрозолей, поскольку они легкие и незаметные. Фильтрам может предшествовать селективный по размеру вход, такой как циклон или импактор, для удаления более крупных частиц и обеспечения классификации по размеру частиц биоаэрозолей. [14] Аэрозольные фильтры часто описываются с использованием термина «размер пор» или «эквивалентный диаметр пор». Обратите внимание, что размер пор фильтра НЕ указывает на минимальный размер частиц, которые будут собраны фильтром; на самом деле аэрозольные фильтры обычно собирают частицы, намного меньшие номинального размера пор. [18]
Биоаэрозоли обычно попадают в воздух через турбулентность ветра над поверхностью. После попадания в воздух они обычно остаются в планетарном пограничном слое (ППС), но в некоторых случаях достигают верхней тропосферы и стратосферы. [19] Попав в атмосферу, они могут переноситься локально или глобально: общие ветровые режимы/силы отвечают за локальное рассеивание, в то время как тропические штормы и пылевые шлейфы могут перемещать биоаэрозоли между континентами. [2] Над поверхностью океана биоаэрозоли образуются через морские брызги и пузырьки. [5]
Знание биоаэрозолей сформировало наше понимание микроорганизмов и дифференциации микробов, включая патогены, находящиеся в воздухе. В 1970-х годах произошел прорыв в физике атмосферы и микробиологии, когда были идентифицированы бактерии, образующие ядро льда . [20]
Самая высокая концентрация биоаэрозолей находится вблизи поверхности Земли в PBL. Здесь турбулентность ветра вызывает вертикальное перемешивание, перенося частицы с земли в атмосферу. Биоаэрозоли, попадающие в атмосферу, могут образовывать облака, которые затем переносятся в другие географические точки и выпадают в виде дождя, града или снега. [2] Повышенные уровни биоаэрозолей наблюдались в дождевых лесах во время и после дождей. Бактерии и фитопланктон из морской среды были связаны с образованием облаков. [1]
Однако по этой же причине биоаэрозоли не могут переноситься на большие расстояния в PBL, поскольку облака в конечном итоге выпадут из них. Кроме того, потребуется дополнительная турбулентность или конвекция на верхних границах PBL, чтобы ввести биоаэрозоли в тропосферу, где они могут переноситься на большие расстояния как часть тропосферного потока. Это ограничивает концентрацию биоаэрозолей на этих высотах. [1]
Капли облаков, ледяные кристаллы и осадки используют биоаэрозоли в качестве ядра, где вода или кристаллы могут образовываться или удерживаться на их поверхности. Эти взаимодействия показывают, что частицы воздуха могут изменять гидрологический цикл , погодные условия и выветривание по всему миру. Эти изменения могут приводить к таким эффектам, как опустынивание , которое усиливается из-за климатических сдвигов. Биоаэрозоли также смешиваются, когда встречаются чистый воздух и смог, изменяя видимость и/или качество воздуха.
Спутниковые снимки показывают, что штормы над австралийскими, африканскими и азиатскими пустынями создают пылевые шлейфы, которые могут переносить пыль на высоту более 5 километров над поверхностью Земли. Этот механизм переносит материал на тысячи километров, даже перемещая его между континентами. Многочисленные исследования подтвердили теорию о том, что биоаэрозоли могут переноситься вместе с пылью. [21] [22] Одно исследование пришло к выводу, что тип бактерий, находящихся в воздухе и присутствующих в определенной пустынной пыли, был обнаружен на участке в 1000 километров по ветру. [2]
Возможные пути распространения биоаэрозолей в пыли в глобальном масштабе включают:
Транспортировка и распределение биоаэрозолей неравномерны по всему миру. Хотя биоаэрозоли могут перемещаться на тысячи километров до осаждения, их окончательное расстояние и направление перемещения зависят от метеорологических, физических и химических факторов. Раздел биологии, который изучает распространение этих частиц, называется аэробиологией . Одно исследование создало карту бактерий/грибков, находящихся в воздухе, в Соединенных Штатах на основе наблюдательных измерений, полученные профили сообществ этих биоаэрозолей были связаны с pH почвы , среднегодовым количеством осадков, чистой первичной продуктивностью и среднегодовой температурой, среди прочих факторов. [23]
Биоаэрозоли влияют на различные биогеохимические системы на Земле, включая, но не ограничиваясь атмосферными, наземными и морскими экосистемами. Несмотря на то, что эти отношения существуют уже давно, тема биоаэрозолей не очень хорошо известна. [24] [25] Биоаэрозоли могут влиять на организмы множеством способов, включая влияние на здоровье живых организмов через аллергии, расстройства и болезни. Кроме того, распространение пыльцы и спор биоаэрозолей способствует генетическому разнообразию организмов в различных средах обитания. [1]
Разнообразие биоаэрозолей может способствовать образованию ядер конденсации облаков или ледяных ядер облаков , возможными компонентами биоаэрозолей являются живые или мертвые клетки, фрагменты клеток, гифы , пыльца или споры. [1] Образование облаков и осадки являются ключевыми характеристиками многих гидрологических циклов, с которыми связаны экосистемы. Кроме того, глобальный облачный покров является существенным фактором в общем радиационном балансе и, следовательно, в температуре Земли.
Биоаэрозоли составляют небольшую долю от общего количества ядер конденсации облаков в атмосфере (от 0,001% до 0,01%), поэтому их глобальное воздействие (т. е. радиационный баланс) сомнительно. Однако существуют особые случаи, когда биоаэрозоли могут составлять значительную долю облаков в определенной области. К ним относятся:
Сбор частиц биоаэрозоля на поверхности называется осаждением . Удаление этих частиц из атмосферы влияет на здоровье человека в плане качества воздуха и дыхательной системы. [1]
Альпийские озера, расположенные в регионе Центральных Пиренеев на северо-востоке Испании, не подвержены влиянию антропогенных факторов, что делает эти олиготрофные озера идеальными индикаторами для поступления осадка и изменения окружающей среды. Растворенные органические вещества и питательные вещества из переносимой пыли могут помочь бактериям расти и воспроизводиться в водах с низким содержанием питательных веществ. В собранных образцах одного исследования было обнаружено большое разнообразие микроорганизмов, находящихся в воздухе, и они имели сильное сходство с почвами Маврикия, несмотря на пыльные бури в Сахаре, происходившие во время обнаружения. [26]
Типы и размеры биоаэрозолей различаются в морской среде и возникают в основном из-за влажных выделений, вызванных изменениями осмотического давления или поверхностного натяжения . Некоторые типы морских биоаэрозолей выделяют сухие выделения спор грибков, которые переносятся ветром. [1]
Одним из примеров воздействия на морские виды была гибель в 1983 году карибских морских вееров и морских ежей , которая коррелировала с пыльными бурями, возникшими в Африке. Эта корреляция была определена работой микробиологов и спектрометром для картирования озонового слоя , который идентифицировал бактерии, вирусы и грибковые биоаэрозоли в пылевых облаках, которые отслеживались над Атлантическим океаном. [27] Другой пример этого произошел в 1997 году, когда Эль-Ниньо, возможно, повлиял на сезонные модели пассатов от Африки до Барбадоса, что привело к подобной гибели. Моделирование случаев, подобных этим, может способствовать более точному прогнозированию будущих событий. [28]
Аэрозольизация бактерий в пыли вносит большой вклад в перенос бактериальных патогенов. Известным случаем вспышки заболевания, вызванной биоаэрозолем, была вспышка менингококкового менингита в странах Африки к югу от Сахары, которая была связана с пыльными бурями в засушливые сезоны.
Сообщается, что другие вспышки были связаны с пылевыми явлениями, включая микоплазменную пневмонию и туберкулез . [2] Другим примером проблем со здоровьем, связанных с распространением биоаэрозолей, стало увеличение числа респираторных заболеваний у жителей Карибского региона, что могло быть вызвано следами тяжелых металлов, биоаэрозолей микроорганизмов и пестицидов, переносимых пылевыми облаками, проходящими над Атлантическим океаном. [27] [29]
Обычными источниками биоаэрозолей являются почва, вода и сточные воды. Биоаэрозоли могут переносить микробные патогены , эндотоксины и аллергены [30] и могут выделять как эндотоксины, так и экзотоксины . Экзотоксины могут быть особенно опасны при транспортировке по воздуху и распространять патогены, к которым люди чувствительны. Цианобактерии особенно плодовиты в своем распространении патогенов и распространены как в наземной, так и в водной среде. [1]
Потенциальная роль биоаэрозолей в изменении климата предлагает множество возможностей для исследований. Конкретные области исследований включают мониторинг воздействия биоаэрозолей на различные экосистемы и использование метеорологических данных для прогнозирования изменений экосистем. [5] Определение глобальных взаимодействий возможно с помощью таких методов, как сбор образцов воздуха, извлечение ДНК из биоаэрозолей и амплификация ПЦР . [21]
Разработка более эффективных систем моделирования позволит сократить распространение человеческих заболеваний и улучшить экономические и экологические факторы. [2] В настоящее время для этой цели используется инструмент моделирования атмосферы, называемый Системой моделирования атмосферной дисперсии ( ADMS 3 ). ADMS 3 использует вычислительную гидродинамику (CFD) для определения потенциальных проблемных областей, минимизируя распространение вредных биоаэрозольных патогенов, включая отслеживание случаев. [2]
Агроэкосистемы имеют ряд потенциальных будущих направлений исследований в области биоаэрозолей. Выявление деградированных почв может выявить источники патогенов растений или животных.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )