Биоаэрозоли (сокращение от биологических аэрозолей ) — это подкатегория частиц, выбрасываемых в атмосферу из наземных и морских экосистем. Они состоят как из живых, так и из неживых компонентов, таких как грибы, пыльца, бактерии и вирусы. [1] Обычными источниками биоаэрозолей являются почва, вода и сточные воды.
Биоаэрозоли обычно попадают в воздух в результате турбулентности ветра над поверхностью. Попав в атмосферу, они могут переноситься локально или глобально: за локальное распространение ответственны общие направления и сила ветра, а тропические штормы и пылевые шлейфы могут перемещать биоаэрозоли между континентами. [2] На поверхности океана биоаэрозоли образуются из морских брызг и пузырьков.
Биоаэрозоли могут переносить микробные патогены , эндотоксины и аллергены , к которым чувствительны люди. Хорошо известным случаем стала вспышка менингококкового менингита в странах Африки к югу от Сахары, которая была связана с пыльными бурями в засушливые сезоны. Другие вспышки, связанные с пылью, включают микоплазменную пневмонию и туберкулез . [2]
Другим примером стал рост числа респираторных заболеваний у людей в Карибском бассейне, которые могли быть вызваны следами тяжелых металлов, биоаэрозолей микроорганизмов и пестицидов, переносимых через облака пыли, проходящие над Атлантическим океаном.
Чарльз Дарвин был первым, кто наблюдал перенос частиц пыли [3] , а Луи Пастер был первым, кто исследовал микробы и их активность в воздухе. До работы Пастера для выращивания и выделения различных биоаэрозолей использовались лабораторные культуры.
Поскольку не все микробы можно культивировать, многие из них оставались незамеченными до разработки инструментов на основе ДНК. Пастер также разработал экспериментальные процедуры отбора проб биоаэрозолей и показал, что большая микробная активность возникает на более низких высотах и снижается на больших высотах. [2]
Биоаэрозоли включают грибы , бактерии , вирусы и пыльцу . Их концентрации наибольшие в планетарном пограничном слое (ППС) и уменьшаются с высотой. Выживаемость биоаэрозолей зависит от ряда биотических и абиотических факторов, в том числе климатических условий, ультрафиолетового (УФ) света, температуры и влажности, а также ресурсов, присутствующих в пыли или облаках. [4]
Биоаэрозоли, обнаруженные в морской среде, в основном состоят из бактерий, тогда как биоаэрозоли, обнаруженные в наземной среде, богаты бактериями, грибами и пыльцой. [5] Доминирование отдельных бактерий и их источников питательных веществ может меняться в зависимости от времени и местоположения. [2]
Биоаэрозоли могут иметь размер от вирусных частиц 10 нанометров до пыльцевых зерен размером 100 микрометров. [6] Пыльцевые зерна представляют собой самые крупные биоаэрозоли и из-за своего веса с меньшей вероятностью будут оставаться во взвешенном состоянии в воздухе в течение длительного периода времени. [1]
Следовательно, концентрация частиц пыльцы снижается с высотой быстрее, чем более мелкие биоаэрозоли, такие как бактерии, грибы и, возможно, вирусы, которые могут выжить в верхних слоях тропосферы. В настоящее время мало исследований по специфической высотной толерантности различных биоаэрозолей. Однако ученые полагают, что атмосферная турбулентность влияет на места, где могут находиться различные биоаэрозоли. [5]
Грибковые клетки обычно умирают при перемещении по атмосфере из-за высушивающего воздействия на больших высотах. Однако было показано, что некоторые особенно устойчивые грибковые биоаэрозоли выживают при переносе в атмосфере, несмотря на воздействие суровых условий УФ-излучения. [7] Хотя уровни биоаэрозолей грибковых спор увеличиваются в условиях более высокой влажности, они также могут быть активными в условиях низкой влажности и в большинстве температурных диапазонов. Количество некоторых грибковых биоаэрозолей даже увеличивается при относительно низких уровнях влажности. [ нужна цитата ]
В отличие от других биоаэрозолей, бактерии способны завершить полный репродуктивный цикл в течение нескольких дней или недель, пока они выживают в атмосфере, что делает их основным компонентом экосистемы воздушной биоты. Эти репродуктивные циклы подтверждают недоказанную в настоящее время теорию о том, что биоаэрозоли бактерий образуют сообщества в атмосферной экосистеме. [2] Выживание бактерий зависит от капель воды из тумана и облаков, которые обеспечивают бактерии питательными веществами и защищают от ультрафиолета. [5] Четыре известные группы бактерий, которые широко распространены в аэромикробной среде по всему миру, включают Bacillota , Actinomycetota , Pseudomonadota и Bacteroidota . [8]
Воздух переносит вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы . Поскольку вирусы меньше других биоаэрозолей, они могут перемещаться на большие расстояния. В одной модели вирус и грибковая спора были одновременно выпущены с крыши здания; спора преодолела всего 150 метров, тогда как вирус преодолел почти 200 000 горизонтальных километров. [5]
В одном исследовании аэрозоли (<5 мкм), содержащие SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2, генерировались с помощью распылителя и подавались в барабан Голдберга для создания аэрозольной среды. Инокулят имел пороговые значения цикла от 20 до 22, аналогичные тем, которые наблюдались в образцах верхних и нижних дыхательных путей человека . SARS-CoV-2 сохранял жизнеспособность в аэрозолях в течение 3 часов со снижением титра инфекции, аналогичным SARS-CoV-1. Период полураспада обоих вирусов в аэрозолях составлял в среднем 1,1–1,2 часа. Результаты показывают, что передача обоих вирусов аэрозолями вполне вероятна, поскольку они могут оставаться жизнеспособными и заразными в взвешенных аэрозолях в течение нескольких часов, а на поверхностях — до нескольких дней. [9]
Несмотря на то, что пыльца крупнее и тяжелее других биоаэрозолей, некоторые исследования показывают, что пыльца может переноситься на тысячи километров. [5] Они являются основным источником аллергенов, переносимых 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 пластины для сбора, электростатические коллекторы, масс-спектрометры и импакторы. Используются и другие методы, но они носят скорее экспериментальный характер. [8] Фильтры из поликарбоната (ПК) добились наиболее точного отбора проб бактерий по сравнению с другими вариантами фильтров ПК. [10]
Для сбора биоаэрозолей, попадающих в определенный диапазон размеров, можно сложить импакторы, чтобы улавливать изменения твердых частиц (PM). Например, фильтр PM 10 пропускает мусор меньшего размера. Это похоже на размер человеческого волоса. Частицы осаждаются на предметные стекла, пластинки с агаром или ленту у основания импактора. Споровая ловушка Херста обеспечивает скорость отбора проб 10 литров в минуту (л/мин) и оснащена флюгером, позволяющим всегда отбирать пробы в направлении потока ветра. Собранные частицы наносятся на вертикальное предметное стекло, смазанное петролейным маслом.
Такие варианты, как объемная ловушка для спор с 7-дневной записью, были разработаны для непрерывного отбора проб с использованием медленно вращающегося барабана, который наносит пораженный материал на пластиковую ленту с покрытием. [11] Пробоотборник для переносимых по воздуху бактерий может производить отбор проб со скоростью до 700 л/мин, что позволяет собирать большие образцы за короткое время. Биологический материал подвергается воздействию и откладывается на чашку Петри, покрытую агаром, позволяя культурам развиваться. [12]
Подобно одноступенчатым импакторам в методах сбора, каскадные импакторы имеют разрезы нескольких размеров (PM 10 , PM 2,5 ), что позволяет разделять биоаэрозоли в зависимости от размера. Разделение биологического материала по аэродинамическому диаметру полезно, поскольку в диапазонах размеров преобладают определенные типы организмов (существующий диапазон бактерий составляет от 1 до 20 микрометров, а пыльца - от 10 до 100 микрометров). Линейка каскадных ударников Andersen наиболее широко используется для испытания 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 оседать на стенке пробоотборника, когда воздушный поток изгибается внутри камеры. Как и в случае с импактором, эффективность сбора зависит от скорости потока. Циклоны менее склонны к отскоку частиц, чем ударники, и могут собирать большее количество материала. Они также могут обеспечить более щадящий сбор, чем импакторы, что может улучшить извлечение жизнеспособных микроорганизмов. Однако кривые эффективности сбора циклонов, как правило, менее резкие, чем у импакторов, и сконструировать компактный каскадный импактор проще, чем каскад циклонных пробоотборников. [14]
Вместо сбора на смазанном жиром субстрате или пластинке с агаром были разработаны импинджеры для попадания биоаэрозолей в жидкости, такие как деионизированная вода или фосфатный буферный раствор. Эффективность сбора импинджеров показана Ehrlich et al. (1966), как правило, выше, чем у аналогичных одноступенчатых ударных конструкций. Коммерчески доступные импинджеры включают AGI-30 (Ace Glass Inc.) и Biosampler (SKC, Inc.).
Электростатические осадители, ESP, недавно приобрели новый интерес [15] для отбора проб биоаэрозолей из-за их высокой эффективности удаления частиц и более щадящего метода отбора проб по сравнению с ударным методом. ESP заряжают и удаляют поступающие аэрозольные частицы из воздушного потока, используя неоднородное электростатическое поле между двумя электродами и высокую напряженность поля. Это создает область ионов с высокой плотностью, коронный разряд, который заряжает поступающие капли аэрозоля, а электрическое поле откладывает заряженные частицы на собирающую поверхность.
Поскольку биологические частицы обычно анализируются с использованием жидкостных анализов ( ПЦР , иммуноанализы , анализ жизнеспособности ), предпочтительно отбирать образцы непосредственно в объем жидкости для последующего анализа. Например, Пардон и др. [16] показывают отбор проб аэрозолей до микрофлюидной границы раздела воздух-жидкость, а Ладхани и др., [17] показывают отбор проб передающегося по воздуху гриппа до небольшой капли жидкости. Использование жидкостей небольшого объема идеально подходит для минимизации разбавления пробы и потенциально может сочетаться с технологиями «лаборатория на чипе» для быстрого анализа на месте оказания медицинской помощи .
Фильтры часто используются для сбора биоаэрозолей из-за их простоты и дешевизны. Сбор фильтров особенно полезен для индивидуального отбора проб биоаэрозолей, поскольку они легкие и ненавязчивые. Фильтрам может предшествовать входное отверстие с селективным размером, такое как циклон или импактор, для удаления более крупных частиц и обеспечения классификации частиц биоаэрозоля по размеру. [14] Аэрозольные фильтры часто описываются термином «размер пор» или «эквивалентный диаметр пор». Обратите внимание, что размер пор фильтра НЕ указывает минимальный размер частиц, которые будут улавливаться фильтром; Фактически, аэрозольные фильтры обычно собирают частицы, размер пор которых намного меньше номинального. [18]
Биоаэрозоли обычно попадают в воздух в результате турбулентности ветра над поверхностью. Поднявшись 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: за локальное распространение ответственны общие направления и сила ветра, а тропические штормы и пылевые шлейфы могут перемещать биоаэрозоли между континентами. [2] На поверхности океана биоаэрозоли образуются из морских брызг и пузырьков. [5]
Знания о биоаэрозолях сформировали наше понимание микроорганизмов и дифференциации микробов, включая патогены, передающиеся по воздуху. В 1970-х годах в атмосферной физике и микробиологии произошел прорыв, когда были идентифицированы ледяные зародышеобразователи. [20]
Наибольшая концентрация биоаэрозолей наблюдается у поверхности Земли в ППС. Здесь турбулентность ветра вызывает вертикальное перемешивание, перенося частицы с земли в атмосферу. Биоаэрозоли, попадающие в атмосферу, могут образовывать облака, которые затем разносятся в другие географические места и выпадают в виде дождя, града или снега. [2] Повышенные уровни биоаэрозолей наблюдались в тропических лесах во время и после дождей. Бактерии и фитопланктон из морской среды связаны с образованием облаков. [1]
Однако по этой же причине биоаэрозоли не могут переноситься на большие расстояния в ППС, поскольку облака в конечном итоге выбрасывают их в осадок. Кроме того, потребуется дополнительная турбулентность или конвекция на верхних границах PBL для попадания биоаэрозолей в тропосферу, где они могут переноситься на большие расстояния как часть тропосферного потока. Это ограничивает концентрацию биоаэрозолей на этих высотах. [1]
Облачные капли, кристаллы льда 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 изменить гидрологический цикл , погодные условия и выветривание по всему миру. Эти изменения могут привести к таким последствиям, как опустынивание , которое усугубляется климатическими изменениями. Биоаэрозоли также смешиваются, когда чистый воздух и смог встречаются, изменяя видимость и/или качество воздуха.
Спутниковые снимки показывают, что штормы над пустынями Австралии, Африки и Азии создают пылевые шлейфы, которые могут поднимать пыль на высоту более 5 километров над поверхностью Земли. Этот механизм переносит материал на тысячи километров, перемещая его даже между континентами. Многочисленные исследования подтвердили теорию о том, что биоаэрозоли могут переноситься вместе с пылью. [21] [22] Одно исследование пришло к выводу, что тип переносимых по воздуху бактерий, присутствующих в конкретной пустынной пыли, был обнаружен на участке в 1000 километров с подветренной стороны. [2]
Возможные пути глобального масштаба для биоаэрозолей в пыли включают:
Транспортировка и распределение биоаэрозолей по всему миру неодинаковы. Хотя биоаэрозоли могут перемещаться на тысячи километров перед осаждением, их конечное расстояние и направление зависят от метеорологических, физических и химических факторов. Раздел биологии, изучающий распространение этих частиц, называется аэробиологией . В одном исследовании на основе наблюдательных измерений была создана карта переносимых по воздуху бактерий/грибов Соединенных Штатов, в результате чего профили сообществ этих биоаэрозолей были связаны с pH почвы , среднегодовыми осадками, чистой первичной продуктивностью и среднегодовой температурой, среди других факторов. [23]
Биоаэрозоли воздействуют на различные биогеохимические системы на Земле, включая, помимо прочего, атмосферные, наземные и морские экосистемы. Какими бы давними ни были эти отношения, тема биоаэрозолей не очень известна. [24] [25] Биоаэрозоли могут воздействовать на организмы множеством способов, включая влияние на здоровье живых организмов через аллергии, расстройства и болезни. Кроме того, распространение биоаэрозолей пыльцы и спор способствует генетическому разнообразию организмов в различных средах обитания. [1]
Различные биоаэрозоли могут способствовать образованию ядер конденсации облаков или ядер облачного льда ; возможными компонентами биоаэрозолей являются живые или мертвые клетки, фрагменты клеток, гифы , пыльца или споры. [1] Образование облаков и осадки являются ключевыми особенностями многих гидрологических циклов, с которыми связаны экосистемы. Кроме того, глобальный облачный покров является важным фактором общего радиационного баланса и, следовательно, температуры 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 в отдельных случаях биоаэрозоли могут составлять значительную часть облаков на определенной территории. К ним относятся:
Сбор частиц биоаэрозоля на поверхности называется осаждением . Удаление этих частиц из атмосферы влияет на здоровье человека в отношении 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 поступления отложений и изменений окружающей среды. Растворенные органические вещества и питательные вещества из переноса пыли могут способствовать росту и производству бактерий в водах с низким содержанием питательных веществ. В образцах, собранных в ходе одного исследования, было обнаружено большое разнообразие переносимых по воздуху микроорганизмов, которые 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 выбросов, вызванных изменениями осмотического давления или поверхностного натяжения . Некоторые виды биоаэрозолей морского происхождения выделяют сухие выделения грибковых спор, которые переносятся ветром. [1]
Одним из примеров воздействия на морские виды стала гибель карибских морских вееров и морских ежей в 1983 году , что коррелировало с пыльными бурями, возникшими в Африке. Эта корреляция была установлена в результате работы микробиологов и спектрометра для картирования общего озона , который идентифицировал бактерии, вирусы и грибковые биоаэрозоли в облаках пыли, которые отслеживались над Атлантическим океаном. [27] Другой пример этого произошел в 1997 году, когда Эль-Ниньо, возможно, повлияло на сезонный характер пассатов от Африки до Барбадоса, что привело к аналогичным случаям гибели людей. Подобные модели моделирования могут способствовать более точному предсказанию будущих событий. [28]
Аэрозольность бактерий в пыли в значительной степени способствует переносу бактериальных патогенов. Хорошо известным случаем вспышки заболевания, вызванного биоаэрозольным воздействием, 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] Еще одним примером проблем со здоровьем, связанных с распространением биоаэрозолей, стало увеличение числа респираторных заболеваний среди жителей Карибского региона, которые могли быть вызваны следами тяжелых металлов, биоаэрозолей микроорганизмов и пестицидов, переносимых через облака пыли, проходящие 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 распространении патогенов, к которым чувствительны люди. Цианобактерии особенно плодовиты в распространении патогенов и широко распространены как в наземной, так и в водной среде. [1]
Потенциальная роль биоаэрозолей в изменении климата открывает 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 проб воздуха, экстракция ДНК из биоаэрозолей и ПЦР-амплификация . [21]
Разработка более эффективных систем моделирования уменьшит распространение болезней человека и принесет пользу экономическим и экологическим факторам. [2] Для этой цели в настоящее время используется инструмент атмосферного моделирования, называемый системой моделирования атмосферной дисперсии ( ADMS 3 ). ADMS 3 использует вычислительную гидродинамику (CFD) для определения потенциальных проблемных областей, сводя к минимуму распространение вредных биоаэрозольных патогенов, включая отслеживание событий. [2]
Агроэкосистемы имеют множество потенциальных направлений будущих исследований в области биоаэрозолей. Идентификация испорченных почв может выявить источники патогенов растений или животных.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )