Dołącz do czytelników
Brak wyników

Mikrobiologia

20 maja 2020

NR 39 (Maj 2020)

Miazmaty, czyli powietrze zatrute

12

Jak pisał grecki filozof Anaksymenes: „wszystko oddycha powietrzem, bo bez powietrza żyć nie można”. Ten starożytny pogląd ma swoją współczesną wykładnię.

Atmosfera ziemska, którą tworzy powietrze, miała i ma nadal kluczowe znaczenie dla powstania i rozwoju życia na naszej planecie. Powietrze jest niezbędne do życia dla wszystkich organizmów oddychających tlenowo, a więc człowieka i ogromnej większości organizmów żywych. Paradoksalnie powietrze może stanowić też realne zagrożenie dla naszego zdrowia, a nawet życia. Jest tak za sprawą różnego rodzaju zanieczyszczeń powietrza, które powstają w drodze procesów naturalnych lub jako efekt działalności człowieka. W tym ostatnim wypadku głównymi źródłami zanieczyszczeń są wzrastająca liczba ludności, urbanizacja, transport i postępujące uprzemysłowienie, szczególnie rozwój przemysłu energetycznego. Głównymi zanieczyszczeniami powietrza są gazy i pyły. Wśród gazów najbardziej zanieczyszczają atmosferę dwutlenek węgla, dwutlenek siarki i tlenki azotu powstające typowo podczas spalania paliw kopalnych. Pyły, czyli rozproszone w powietrzu cząstki materii stałej pochodzenia organicznego lub mineralnego (w tym metale ciężkie) powstają w naturalny sposób przez wietrzenie skał, erupcje wulkanów, pożary lasów, burze piaskowe, rozpryski wody itp. Głównym źródłem pyłów antropogenicznych jest przemysł paliwowo-energetyczny, choć duża część emisji pochodzi też z przemysłu metalurgicznego, chemicznego czy budowlanego (produkcja cementu). Pyły po emisji do atmosfery pozostają w niej w stanie zawieszonym, tworząc aerozol atmosferyczny lub inaczej pył zawieszony (ang. particulate matter, PM). Aerozole atmosferyczne różnią się między sobą ze względu na pochodzenie, właściwości fizyczne i skład chemiczny. Ważną cechą opisującą aerozole jest wielkość tworzących je cząstek. Najczęściej wyróżnia się aerozole drobne i gruboziarniste, których średnica cząstek nie przekracza odpowiednio 10 µm (PM10) i 2,5 µm (PM2,5). Te mniejsze cząstki są znacznie bardziej niebezpieczne, a to dlatego, że dzięki swoim rozmiarom znacznie wolniej opadają, przez co dłużej utrzymują się w atmosferze (od dni do tygodni), a przy tym mogą być przenoszone na bardzo duże odległości (od setek do tysięcy km). Co więcej, małe cząstki łatwiej penetrują układ oddechowy, wnikając do pęcherzyków płucnych i krwioobiegu. Z kolei duże cząstki opadają szybciej i są łatwo usuwane wraz z opadami. Tym samym ich czas przebywania w powietrzu jest krótki (od minut do dni). Ponadto przenoszone są na odległość najwyżej kilkuset kilometrów. Cząstki te rzadko wnikają dalej niż do odcinka tchawiczo-oskrzelowego. Największe zatrzymywane są w jamie nosowo-gardłowej, skąd są usuwane. Obecnie szkodliwość działania pyłowych zanieczyszczeń powietrza na organizm człowieka nie budzi wątpliwości. Niejasne jest tylko, czy decydujący wpływ na ujawnienie się objawów chorobowych ma stężenie pyłu, jego chemizm czy własności fizyczne. Ogólnie pył zawieszony może wywoływać u ludzi kaszel, trudności w oddychaniu, ataki astmy, chroniczne zapalenie oskrzeli, przewlekłe choroby płuc, choroby alergiczne, choroby układu krążenia, a także nowotwory płuc, gardła i krtani. Według szacunków Europejskiej Agencji Środowisk zanieczyszczenie powietrza pyłem PM2,5 odpowiada za blisko 0,5 mln przedwczesnych zgonów w krajach Unii Europejskiej, w tym za blisko 80% zgonów z powodu chorób układu oddechowego. Z kolei badania Światowej Organizacji Zdrowia pokazują, że w Europie blisko 5% zgonów z powodu nowotworu płuc i 3% zgonów z powodu chorób układu krążenia można przypisać ekspozycji na pył zawieszony. Jednym z najbardziej wymownych i do dziś poruszających przykładów katastrofy ekologicznej i humanitarnej wywołanej skażonym toksycznymi pyłami powietrzem jest przypadek wielkiego smogu londyńskiego z 1952 r., kiedy to tylko przez 5 dni odnotowano ponad 4000 zgonów z powodu komplikacji oddechowo-krążeniowych powstałych na skutek wdychania smogu. W celu ochrony zdrowia publicznego, a także dla monitorowania stanu zanieczyszczenia powietrza wprowadzono dopuszczalne stężenia pyłów PM2,5 i PM10 na poziomie dobowym, odpowiednio: 65 µg/m3 i 50 µg/m3. Należy jednak zaznaczyć, że dla pyłów zawieszonych nie ustalono stężeń progowych, poniżej których ich oddziaływanie na zdrowie ludzkie byłoby neutralne. Z przeglądu piśmiennictwa wynika, że niekorzystne efekty zdrowotne wiąże się z działaniem cząstek zawieszonych, w coraz to niższych stężeniach.
Osobną grupę pyłów zawieszonych stanowią bioaerozole. Są to zawieszone w powietrzu cząstki biologiczne, a wśród nich wirusy, żywe i martwe komórki drobnoustrojów (bakterie, grzyby i pierwotniaki), a także fragmenty i wytwory roślin i zwierząt (np. pyłki i nasiona roślin, odchody roztoczy, fragmenty włosów i sierści zwierząt itp.). W skład bioaerozoli wchodzą też różne związki będące produktami mikrobiologicznego metabolizmu, w tym toksyny bakteryjne (endo- i enterotoksyny) i grzybicze (mykotoksyny). Cząstki biologiczne w bioaerozolu mogą występować samodzielnie, choć zwykle tworzą większe skupiska lub związane są na powierzchni pyłów pochodzenia organicznego lub mineralnego. Nierzadko są też otoczone warstwą wody (krople aerozolu). Wielkość cząstek bioaerozoli zawiera się w szerokim zakresie od 0,01 µm do 0,1 mm i zależy od dominującej w nich frakcji biologicznej. Najmniejszymi biocząstkami są wirusy (0,01–0,3 µm średnicy). Bakterie i zarodniki grzybów tworzą cząstki o średnicy od 0,2 do 30 µm. Z kolei ziarna pyłku kwiatowego i strzępki grzybni osiągają wielkość do kilkuset µm. Przy tym cząstki biologiczne w aerozolu są większe niż pojedyncze komórki drobnoustrojów, co wynika ze wspomnianej już agregacji komórek oraz ich przyczepności do różnych cząstek chemicznych. Średnia wielkość cząstek bioaerozolu zawierających komórki mikroorganizmów przekracza 3 µm w średnicy. Podobnie jak w wypadku pyłów chemicznych, wielkość cząstek bioaerozolu wpływa na ich trwałość i mobilność w powietrzu. To z kolei, biorąc pod uwagę potencjał chorobotwórczy składników bioaerozolu, ma ogromne znaczenie dla bezpieczeństwa zdrowotnego i epidemiologicznego populacji. Zanim jednak o zagrożeniu, jakie stwarzają mikroorganizmy występujące w powietrzu, warto wyjaśnić, w jaki sposób zasiedlają to środowisko i wytrzymują jego niekorzystne warunki. Wszystkie drobnoustroje znajdujące się w powietrzu pochodzą ze źródeł naturalnych lub wytworzonych przez człowieka. Bioaerozole powstają głównie na skutek podrywania mikroflory znad powierzchni gleby, roślinności i lustra wody, przez wiatr lub prądy konwekcyjne. W zależności od rodzaju ekosystemu, pory roku i pory dnia powietrze może zawierać od kilku (<10) do 10 milionów (107) mikroorganizmów w 1 m3. W wymiarze globalnym biologiczne zanieczyszczenie powietrza wskutek działalności ludzkiej odgrywa znacznie mniejszą rolę i pochodzi głównie z rolnictwa (np. w trakcie zbioru upraw), procesów kompostowania (przerzucanie i nawożenie kompostem), biologicznego oczyszczania ścieków oraz składowania odpadów organicznych i nieorganicznych. Powietrze wokół środowisk antropogenicznych (oczyszczalnie ścieków, kompostownie, składowiska śmieci) zawiera ogromne ilości drobnoustrojów. W 1 m3 takiego powietrza utrzymuje się nawet do 100 tys. (105) komórek bakterii i zarodników grzybów. 

Powietrze nie jest środowiskiem sprzyjającym rozwojowi drobnoustrojów. Pomimo emisji do atmosfery ogromnej ilości związków organicznych powietrze jest zbyt ubogie w składniki odżywcze niezbędne dla wzrostu większości mikroorganizmów. Innym czynnikiem ograniczającym rozwój mikroflory w powietrzu są znaczne wahania jego temperatury i wilgotności (od pełnej wilgotności do całkowitego wysuszenia). Ponadto drobnoustroje zawieszone w powietrzu narażone są na duże dawki promieniowania słonecznego, zwłaszcza ultrafioletu, oraz wysokie stężenia tlenu cząsteczkowego sprzyjające powstawaniu reaktywnych form tego pierwiastka. Zarówno promieniowanie UV, jak i reaktywne formy tlenu toksycznie wpływają na drobnoustroje, uszkadzając głównie ich kwasy nukleinowe. Przeżywalność mikroorganizmów w powietrzu jest wypadkową działania wielu limitujących czynników środowiskowych, ale też znoszących lub łagodzących ich negatywne skutki swoistych mechanizmów ochronnych. I tak na przykład niektóre bakterie wytwarzają w powietrzu endospory, czyli przetrwalniki charakteryzujące się wyciszoną aktywnością wzrostową i metaboliczną, skutecznie chroniąc je przed wysychaniem czy promieniami UV. Inne z kolei bakterie dysponują niezwykle skutecznymi i wydajnymi systemami naprawy uszkodzonego DNA. W końcu bakterie niesione na cząstkach pyłu mogą tworzyć skupiska otoczone śluzem, czyli tzw. biofilm. Struktura biofilmu istotnie obniża podatność bakterii na szkodliwe działanie czynników środowiska, w tym promieniowanie UV i wysychanie. Czy jednak obecność drobnoustrojów w powietrzu jest wyłącznie walką o przetrwanie? Okazuje się, że mikroorganizmy aktywnie uczestniczą w obiegu hydrologicznym, mając wpływ na tworzenie się chmur i opadów. Wykazano, że żywe komórki bakterii mogą pełnić rolę zarodków kryształków lodu i kondesacji chmur. Ten mikrobiologiczny mechanizm powstawania deszczu pozwala bakteriom wrócić na ziemię, gdzie mają znacznie lepsze warunki do wzrostu.

COVID-19

Obecnie świat toczy walkę z epidemią COVID-19, której źródłem jest koronawirus SARS-CoV-2. Zakażenie wirusem może prowadzić do rozwoju zespołu ciężkiej niewydolności oddechowej (ang. severe acute respiratory syndrome, SARS), która z kolei może być śmiertelnie niebezpieczna, przede wszystkim dla osób starszych i z niedoborem odporności. COVID-19 to choroba, która pojawiła się w grudniu ub.r. w Chinach, w ciągu kilkunastu tygodni dotarła na wszystkie kontynenty, osiągając rozmiar pandemii, co oficjalnie ogłosiła w swoim marcowym komunikacie Światowa Organizacja Zdrowia (WHO). W niespełna 4 miesiące od wybuchu epidemii na całym świecie odnotowano blisko 3,8 mln zachorowań i ponad 250 tys. zgonów*.
Większość koronawirusów wywołuje łagodne infekcje górnych dróg oddechowych, klinicznie przypominające przeziębienie. Wyjątek stanowiły jak dotąd dwa wirusy – najbliższy obecnemu, SARS-CoV, odpowiedzialny za epidemię w Chinach w latach 2002–2003, oraz MERS-CoV, wywołujący tzw. bliskowschodni zespół niewydolności oddechowej (ang. Middle East respiratory syndrome, MERS), po raz pierwszy opisany w Arabii Saudyjskiej w 2012 r.
Najgroźniejsze koronawirusy mają podobny czas inkubacji (ok. 2–14 dni), przebieg od bezobjawowego po rozległe zapalenie płuc skutkujące ostrą niewydolnością oddechową, i drogę szerzenia się (transmisji) zakażenia wymagającą najczęściej bezpośredniego kontaktu między ludźmi.
To, co niepokoi w wypadku nowego wirusa (SARS-CoV-2), to jego wysoka zakaźność. Może mieć ona związek ze zwiększoną przeżywalnością (stabilnością) wirusa w powietrzu i na różnych powierzchniach. Nie potwierdzają tego jednak wyniki najnowszych badań, opublikowane w połowie marca w prestiżowym czasopiśmie New England Journal of Medicine. Jakkolwiek wykazano, że wirus zachowuje żywotność do 3 godzin w powietrzu i do 3 dni na powierzchniach plastikowych, nie różni się tutaj od wirusa SARS-CoV. Wydaje się więc, że wysoki potencjał epidemiczny obecnego wirusa warunkują inne czynniki, w tym na przykład większa ilość cząstek wirusowych wydalanych przez osoby chore, zdolność przenoszenia zakażenia przez bezobjawowych nosicieli, czy w końcu, na poziomie molekularnym, większe powinowactwo wirusa do tkanek gospodarza (gł. komórek nabłonka wyściełającego drogi oddechowe).
Niemniej wyniki przywołanych badań pokazują, że zakażenie SARS-CoV-2 szerzy się drogą nie tylko kropelkową, ale też powietrzną i poprzez kontakt z zanieczyszczonymi powierzchniami. Podkreśla to znaczenie ścisłego przestrzegania zasad higieny (częste mycie/dezynfekcja rąk) i dystansu w interakcjach społecznych.

Rys. 1. Choroby zakaźne przenoszone z powietrzem. Oprac. wg ryc. 4 [w:] Wei J., Li Y., Am. J. Inf. Contr. 44 (2016) S102-S108. Oprac. wg ryc. 1 [w:] Tellier R., Li Y., Cowling B. J., Tang J. W. Tellier et al. BMC Infectious Diseases (2019) 19:101

W przestrzeniach otwartych udział cząstek bioaerozolu w zanieczyszczeniach pyłowych powietrza jest niewielki w okresie zimowym, ale już wiosną i latem, a więc w okresie wegetacyjnym, może stanowić 5% masy pyłu zawieszonego. W Europie roczną emisję bioaerozolu szacuje się na ponad 230 tys. ton, co stanowi ok. 3% całkowitej emisji pyłów do atmosfery. Analizując skład jakościowy bioaerozolu, jego dominującą frakcją są grzyby strzępkowe (ok. 70% wszystkich mikroorganizmów), w tym głównie zarodniki popularnych pleśni z rodzaju Alternaria, Cladosporium i Aspergillus. Komunikaty o stężeniu zarodników tych grzybów, podobnie jak pyłków drzew i traw, stały się nieodłączną częścią wiosenno-letnich serwisów pogodowych. Bakterie, jako mniej odporne na niekorzystne warunki środowiska (np. wysychanie), stanowią ok. 20% mikroflory powietrza, przy czym najczęściej są to przedstawiciele rodzajów: Micrococcus, Bacillus, Staphylococcus i Pseudomonas. Ziarniaki Micrococcus spp. i przetrwalnikujące pałeczki Bacillus spp. mogą stanowić nawet odpowiednio 70% i 60% wszystkich bakterii izolowanych z powietrza.
Większość cząstek biologicznych zawartych w powietrzu nie stanowi zagrożenia zdrowotnego. Część jednak ma właściwości chorobotwórcze, alergizujące lub toksyczne. Wśród czynników chorobotwórczych najliczniejszą grupę stanowią wirusy. Należą tutaj rozmaite wirusy odpowiedzialne za infekcje dróg oddechowych, w tym grypę (Influenza virus) oraz zespoły grypopodobne i przeziębieniowe (rynowirusy, koronawirusy, adenowirusy, syncytialny wirus oddechowy, wirus paragrypy), a także wirusy wywołujące tzw. choroby wysypkowe, takie jak ospa wietrzna i półpasiec (herpeswirusy), odra (paramiksowirusy), różyczka (togawirusy) i rumień zakaźny (parwowirus B19). W aerozolu bakteryjnym potencjalne zagrożenie stwarzają gronkowce (Staphylococcus spp.) wywołujące zakażenia o różnej lokalizacji (np. skóry, tkanek miękkich, kości, płuc i krwi), paciorkowce, w tym pneumokoki (Streptococcus pneumoniae) i paciorkowce ropne (Streptococcus pyogenes) będące głównymi sprawcami odpowiednio zapalenia płuc i gardła, a także wiele innych bakterii wywołujących ciężkie i niekiedy śmiertelne choroby, których pierwotnym ogniskiem infekcji jest układ oddechowy. Do najbardziej znanych należą gruźlica, błonica (dyfteryt), krztusiec (koklusz), wąglik czy choroba legionistów (legionelloza). Ciekawe, że działanie chorobotwórcze mogą mieć zarówno całe komórki bakteryjne, jak też ich fragmenty lub metabolity. Przykładem jest tzw. lipopolisacharyd (LPS), endotoksyna stanowiąca integralny składnik ściany komórkowej bakterii gram-ujemnych. To LPS odpowiada za objawy chorobowe, takie jak gorączka, dreszcze, krwawienie, a w konsekwencji szok septyczny, nierzadko kończący się śmiercią.
W bioaerozolu niebezpieczne dla zdrowia są także grzyby. Należą one do najczęstszych alergenów wziewnych, powodując m.in. katar sienny, astmę, a nawet alergiczne zapalenie płuc. Znanych jest blisko 100 rodzajów grzybów, które mogą wywoływać nie tylko objawy alergii, ale też poważne zakażenia dróg oddechowych. Są one szczególnie niebezpieczne dla osób z obniżoną odpornością. Na przykład wdychanie powietrza zawierającego zarodniki pleśni z rodzaju Aspergillus może prowadzić do rozwoju inwazyjnej aspergilozy płuc, która często wraz z krwią szerzy się do innych narządów i tkanek. Aspergiloza, podobnie jak inne choroby grzybicze nabywane drogą wziewną – kryptokokoza i pneumocystoza – uznaje się za tzw. choroby wskaźnikowe dla AIDS. W końcu, podobnie jak w wypadku bakterii, szkodliwe dla zdrowia mogą być już tylko substancje pochodzenia grzybiczego. Chodzi tu przede wszystkim o mykotoksyny, które często dyfundują z grzybni do powietrza. Na przykład produkowane przez grzyby z rodzaju Fusarium trichoteceny wywołują silne zatrucia pokarmowe, a także uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego.
Oddziaływanie bioaerozolu na organizm człowieka jest złożone, a jego szkodliwe efekty mogą się rozwijać powoli, przez długi czas nie d...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy