Pożary wyrzucają mikroby w powietrze. Jak duże jest to zagrożenie dla zdrowia?

W miarę jak zmiany klimatyczne przynoszą więcej pożarów w zachodnich Stanach Zjednoczonych, rośnie również ilość przypadków rzadkiej infekcji grzybicznej. Ilość przypadków “gorączki doliny” [valley fever] wzrosła ponad sześciokrotnie w Arizonie i Kalifornii od 1998 do 2018 roku, według amerykańskiego Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom.

Gorączka doliny powoduje kaszel, gorączkę i ból w klatce piersiowej i może być śmiertelna. Grzyby sprawcy, należący do rodzaju Coccidioides, rozwijają się w glebach Kalifornii i na południowo-zachodniej pustyni. Szczególnie narażeni na tę chorobę są strażacy. Wydaje się, że pożary “wyrzucają” kochające glebę grzyby w powietrze, skąd mogą dostać się do płuc ludzi.

Jeśli pożary pomagają tym chorobotwórczym grzybom w poruszaniu się, czy mogą one również wysyłać w górę inne mikroorganizmy? Leda Kobziar, ekolog pożarnictwa z Uniwersytetu Idaho w Moscow, postanowiła w 2015 roku sprawdzić, czy może dowiedzieć się, czy i jak mikroorganizmy, takie jak bakterie i grzyby, są przenoszone przez dym z pożaru – i co to może oznaczać dla zdrowia ludzi i środowiska.

Do 2018 roku Kobziar uruchomiła nową dziedzinę badań, którą nazwała „piroaerobiologią [pyroaerobiology]”. Najpierw postanowiła sprawdzić, czy mikroorganizmy mogą przetrwać palący żar pożaru. Okazało się, że tak. Ale jak daleko bakterie i grzyby mogą podróżować na wietrze i w jakiej liczbie to dwie z wielu wielkich niewiadomych.

Kobziar ma nadzieję, że dzięki niedawno rozpoczętej nowej współpracy i badaniom naukowcy zaczną rozumieć, jak ważny może być transport drobnoustroi przez dym.

Podczas najwcześniejszych badań Kobziar w 2015 roku jej współpracownicy trzymali szalki Petriego na długich tyczkach, aby pobrać próbki zadymionego powietrza w pobliżu pożaru w lesie doświadczalnym Uniwersytetu Florydy. L. KOBZIAR

Dzisiaj Kobziar i jej współpracownicy używają dronów do zbierania próbek w lesie doświadczalnym Uniwersytetu Florydy. L. KOBZIAR

Niewidoczne, ale wszechobecne

Powietrze może wyglądać na czyste, ale nawet w najczystszym powietrzu „krążą setki różnych bakterii i grzybów” – mówi Noah Fierer, mikrobiolog z University of Colorado Boulder.

Wiatry zmiatają bakterie i grzyby z wszelkiego rodzaju powierzchni – pól uprawnych, pustyń, jezior, oceanów. Te mikroby mogą wznieść się do atmosfery, aby podróżować po świecie. Naukowcy odkryli na przykład mikroorganizmy z Sahary na Karaibach.

Fierer zauważa, że ​​wiele (jeśli nie większość) mikroorganizmów przenoszonych drogą powietrzną, w tym bakterii, grzybów i wirusów, nie wywołuje chorób. Ale niektórzy mogą powodować choroby lub reakcje alergiczne, mówi. Inne powodują choroby upraw i innych roślin.

Miliardy ton pyłu, który każdego roku unosi się z pustyń i pól uprawnych, działa jak transportowiec drobnoustrojów. W miejscach takich jak Arizona ludzie wiedzą, że należy uważać na objawy chorób przenoszonych drogą powietrzną, takich jak gorączka doliny po burzach piaskowych, ponieważ infekcje może się nasilić i być niebezpieczna dla zdrowia. Jeśli kurz może przenosić żywe mikroorganizmy na całym świecie, ma sens, że cząsteczki dymu również mogą przenosić mikroby, mówi Kobziar – zakładając, że mikroskopijne formy życia mogą przetrwać ogień i wirowanie w atmosferze.

Mali podróżnicy

Rosnące temperatury i nasilające się susze doprowadziły do dłuższych i bardziej intensywnych sezonów pożarów na zachodzie USA. Wdychanie dymu z ognia wywołuje u ludzi choroby, a nawet powoduje przedwczesną śmierć z powodu chorób serca i płuc. W Stanach Zjednoczonych dym z pożarów powoduje około 17 000 przedwczesnych zgonów rocznie – według badań GeoHealth z 2018 roku liczba ta podwoi się do 2100 roku .

W innych częściach świata skutki są znacznie gorsze. Według raportu z badań środowiskowych z 2016 r., W 2015 r. dym z pożarów lasów w Indonezji zabił około 100 000 ludzi w całej Azji Południowo-Wschodniej. Winę zazwyczaj przypisuje się pyłowi zawieszonemu – organicznym i nieorganicznym cząstkom zawieszonym w powietrzu, w tym pyłkom, popiołom i zanieczyszczeniom. Jednak naukowcy i pracownicy służby zdrowia coraz częściej zdają sobie sprawę, że jest bardzo wiele rzeczy, których nie wiemy o tym, co jeszcze w dymie wpływa na zdrowie ludzi.

Najbardziej intensywne pożary, te, które są najgorętsze i wyzwalają najwięcej energii, mogą stworzyć własne systemy pogodowe i wysłać dym aż do stratosfery, która rozciąga się około 50 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Tam dym może podróżować po całym świecie, podobnie jak popiół z wybuchowych wulkanów. Zespół Kobziar i inni dostarczyli przekonujących dowodów w lutowym ISME Journal, że żywe mikroorganizmy mogą być przenoszone w smugach dymu – przynajmniej blisko powierzchni Ziemi, jeśli nie wyżej.

Fire and Smoke Model Evaluation Experiment, czyli FASMEE, sztucznie wywołany pożar w obszarach naturalnych w osikach w Fishlake National Forest w stanie Utah w 2019 roku. Zespół użył drona do pomiaru stężenia drobnoustrojów w dymie. L. KOBZIAR

W 2015 roku, na Uniwersytecie Florydy w Gainesville, Kobziar i jej współpracownicy pobrali pierwsze próbki powietrza do badań podczas serii zaplanowanych pożarów, które Kobziar inicjowała w lesie doświadczalnym. Grupa przybyła do lasu uzbrojona w 3-metrowe tyczki zwieńczone szalkami Petriego w celu pobrania próbek z powietrza.

Przed inicjowaniem jakichkolwiek pożaru zespół trzymał szalki Petriego w powietrzu przez trzy minuty, aby zebrać próbki powietrza jako punkt odniesienia warunków przez pożarem. Następnie Kobziar, certyfikowana “podpalaczka”, rozpaliła ogień. Gdy płomienie rozprzestrzeniały się równomiernie i kłębił się dym, naukowcy użyli nowych szalek Petriego, prawie tak, jakby celowali pianką na patyku w ognisko. Pozwoliło im to na pobranie próbek zadymionego powietrza w celu porównania z próbkami „przed”.

Po powrocie do laboratorium, w ciemnym pomieszczeniu utrzymywanym w stałej temperaturze 23 ° Celsjusza, zarówno kontrolne, jak i zadymione szalki Petriego – przykryte i zabezpieczone przed dalszym zanieczyszczeniem – pozostawiono na trzy dni. Mikroby zaczęły rosnąć. O wiele więcej gatunków bakterii i grzybów zasiedliło zadymione szalki Petriego niż szalki kontrolne, co wskazuje, że pożar spowodował obecność gatunków bakterii i grzybów, których nie było w powietrzu przed pożarem, mówi Kobziar.

Te szalki Petriego pokazują kolonie bakterii i grzybów, które wyrosły po pięciu minutach ekspozycji na dym. Dym pochodził z igieł sosnowych zebranych z Florydy, a następnie spalonych w laboratorium Kobziar’s University of Idaho. L. KOBZIAR

„Byliśmy zdumieni, jak wiele różnych kolonii drobnoustrojów przetrwało w ogniu i urosło na szalkach, w porównaniu z powietrzem przed pożarem” – mówi. Na podstawie testów DNA zespół Kobziar zidentyfikował 10 typów bakterii i grzybów; niektóre są chorobotwórcze dla roślin, jeden jest pasożytem mrówek, a drugi pomaga roślinom wchłaniać składniki odżywcze. „To był moment, w którym sposób, w jaki myśleliśmy o dymie, całkowicie się zmienił” – mówi.

W 2017 roku, po przeprowadzce Kobziar do Idaho, jej zespół zebrał próbki gleby z lasu doświadczalnego University of Idaho i spalił je – tym razem w laboratorium. Gdy dym unosił się nad płonącą glebą, naukowcy pobrali próbki powietrza, a następnie ponownie je uszczelnili i umieścili w ciemnym, ciepłym pomieszczeniu, aby zobaczyć, co na nich wyrośnie. Po tygodniu wiele różnych drobnoustrojów – w tym grzyby – rozmnożyło się na płytkach – poinformowali naukowcy w 2018 roku w Ecosphere.

Żyje i jest w ruchu

Od tego czasu zespół Kobziar zebrał więcej próbek powietrza podczas pozarów o różnym natężeniu na Florydzie, Idaho, Montanie i Utah, łącząc siły z zespołem US Forest Service Fire and Smoke Evaluation Experiment, czyli zespołem FASMEE. Dla swojego bezpieczeństwa wymienili tyczki i szalki Petriego na drony. Zaczęli używać dronów z pompami próżniowymi z filtrem do pobierania próbek z pióropusza dymu na różnych wysokościach do 120 metrów, zespół opisał te badania w czasopiśmie Fire w 2019 r.

W każdym eksperymencie naukowcy odkryli żywe bakterie i grzyby, z których wiele nie zostało znalezionych w żadnej z próbek powietrza pobranych przed pożarami. Na przykład w próbkach dymu w stanie Utah zespół FASMEE znalazł ponad 100 różnych grzybów, których nie było w powietrzu przed pożarem, mówi Kobziar. Odkrycia obejmowały gatunki Aspergillus, które mogą powodować gorączkę, kaszel i ból w klatce piersiowej, a także Cladosporium, pleśnie, które mogą powodować alergie i astmę.

Nie wiadomo, czy którykolwiek z tych mikroorganizmów stanowi zagrożenie dla ludzi, ostrzega Kobziar. Jej zespół nie zbadał, czy gatunki drobnoustrojów, które przeżywają pożar, mogą powodować choroby, ale grupa planuje to zrobić.

Badania w Utah ujawniły kolejny kluczowy fakt: te mikroby są wytrzymałe. Nawet w dymie z pożarów o dużej intensywności i wysokiej temperaturze przeżywa około 60 procent komórek bakterii i grzybów, mówi Kobziar. Wydaje się, że około 80 procent przeżywa pożary o mniejszej intensywności, co stanowi „mniej więcej taki sam procent komórek, jakich spodziewalibyśmy się w normalnym w warunkach w powietrzu atmosferycznym” – mówi. Tak więc badania pokazują, że pożary wysyłają w powietrze żywe bakterie i grzyby. I że mogą podróżować co najmniej 120 metrów nad ziemią i blisko kilometra od czoła płomienia.

Ale pozostaje wiele podstawowych pytań, mówi Kobziar. Jak mikroby zmieniają się – pod względem ilości, rodzaju lub żywotności – w zależności od odległości przebytej od płomieni? Jak daleko mogą się przemieścić? Jak różne źródła paliwa – na przykład sosny, łąki, drzewa liściaste lub uprawy – wpływają na uwalnianie drobnoustrojów? Jak intensywność ognia wpływa na to, co jest uwalniane i jak daleko się przemieszcza? Czy rodzaj spalania – tlący się (jak mokra kłoda na ognisku) w porównaniu z płomieniami o dużej intensywności – wpływa na to, co jest uwalniane? Jak temperatura, wilgotność lub pogoda wpływają na przeżycie drobnoustrojów?

Następnie, oczywiście, Kobziar ma wiele pytań dotyczących tego, jak przeprowadzać badania w tej nowej dziedzine nauk: Jakie są najbezpieczniejsze i najlepsze sposoby pobierania próbek powietrza w niebezpiecznym środowisku nieprzewidywalnego pożaru? Jak uniknąć biologicznego zanieczyszczenia próbek?

Odpowiedzi na wiele z tych pytań mogłyby nadejść, gdyby spełniła się jedna z wymarzonych współpracy Kobziar: Chce współpracować z naukowcami, których badania obejmują „latające laboratorium” NASA DC-8, które bada powierzchnię i atmosferę Ziemi.

Naukowcy prześledzili już wiele różnych związków chemicznych uwalnianych przez pożary do stratosfery od Arktyki po południowy Pacyfik i wszędzie pomiędzy nimi, używając NASA DC-8 do misji tomografii atmosferycznej, mówi Christine Wiedinmyer, modelarz emisji pożarów w Cooperative Institute for Research Doktor nauk o środowisku w Boulder w stanie Kolorado. Znalezienie identyfikowalnych sygnatur pożarów w całej atmosferze sugeruje, że pożary mogą również wysyłać w powietrze bakterie i grzyby na całym świecie, mówi.

Dziewięć kilometrów nad powierzchnią Ziemi kamera w latającym laboratorium NASA DC-8 wykonała to zdjęcie chmur burzowych unoszących się nad słupami dymu z pożaru we wschodnim Waszyngtonie 8 sierpnia 2019 roku. Takie burze, utworzone przez intensywne pożary, unoszą cząstki stałe, chemikalia a może nawet mikroby do stratosfery. DAVID PETERSON / US NAVAL RESEARCH LAB

„Pyroaerobiologia jest niesamowita” – mówi Wiedinmyer, który śledzi i symuluje ruch substancji chemicznych w dymie z pożarów na całym świecie. Nie widzi powodu, dla którego takie modele substancji chemicznych w atmosferze nie mogły być również wykorzystywane do śledzenia i prognozowania ruchu drobnoustrojów w dymie – po zebraniu wystarczających pomiarów przez naukowców. Dane te mogą odpowiedzieć na podstawowe pytania dotyczące zagrożeń dla zdrowia człowieka, jakie stwarzają mikroorganizmy w dymie.

Mikrobiolog Fierer z Boulder i Wiedinmyer współpracowali przy pobieraniu próbek i modelowaniu substancji chemicznych. Obaj planują zaczać modelowania bakterii i grzybów z wykorzystaniem danych zbieranych przez Fierer na temat stężeń drobnoustrojów w dymie z pożarów.

Tymczasem Kobziar współpracuje z modelarzami atmosfery, aby dowiedzieć się, jak modelować ruchy drobnoustrojów w dymie. Długofalowym celem jest opracowanie modeli uzupełniających aktualne prognozy jakości powietrza o ostrzeżenia o problemach z jakością powietrza w Stanach Zjednoczonych związanych z mikroorganizmami uwalnianymi w wyniku pożarów.

Mapa USA

Podczas gdy zespół Kobziar koncentruje się na pomiarze drobnoustrojów w dymie, zespół Fierera pracuje nad uzyskaniem danych, jakie drobnoustroje są w powietrzu w różnych miejscach w normalnych warunkach, a następnie porównać je z próbkami powietrza po pożarach. Grupa pobierała próbki powietrza w pomieszczeniach i na zewnątrz w setkach domów w Stanach Zjednoczonych, aby „określić, jakie drobnoustroje wdychamy podczas codziennych zajęć” – mówi Fierer. Pobierali również próbki powietrza w całym Kolorado, w którym w 2020 roku doszło do rekordowej ilości pożarów.

Zespół Fierera pobiera próbki małymi, wysokowydajnymi odkurzaczami na 2-metrowych tyczkach. Pobierane są próbki powietrza przed pożarek. Potem w trakcie pożaru oraz po pożarze”- mówi Fierer. Analiza próbek sprzed pożaru, w jego trakcie i po pożarze jest idealna, mówi, ponieważ istnieje ogromna różnorodność populacji drobnoustrojów i grzybów w powietrzu. Na przykład w pobliżu miasta na Środkowym Zachodzie w zimie mikroorganizmy obecne w powietrzu są związane z lokalnymi drzewami lub, co dziwne, psimi odchodami; w pobliżu miejsc w których przebywa bydło w Kolorado latem drobnoustroje w powietrzu mogą być też związane z odchodami bydła.

Joanne Emerson, wówczas badaczka z tytułem doktora na University of Colorado Boulder, pobiera próbki powietrza na szczycie 300-metrowej wieży w Boulder Atmospheric Observatory. N. FIERER

Kiedy zespół otrzyma wyniki – zbieranie i analizę danych zostało opóźnione przez pandemię – mówi Fierer: „będziemy wiedzieć, ile rodzajów drobnoustrojów znalezionych w dymie z pożarów w porównaniu z próbkami powietrza bez dymu jest zdolnych do dalszego życia.” przynajmniej w Kolorado. Gdy naukowcy uzyskają wyniki tego, ile drobnoustrojów może być przenoszonych w dymie i na jakich wysokościach, grupa Fierera może połączyć te informacje z globalnymi danymi związanymi z produkcja dymu, aby przeprowadzić „back-of-the-envelope calculation [obliczenie tylnej części koperty jest zgrubnym obliczeniem, zwykle zapisanym na dowolnym dostępnym skrawku papieru, takim jak koperta. To więcej niż przypuszczenie, ale mniej niż dokładne obliczenie lub matematyczny dowód. Charakterystyczną cechą obliczeń z tyłu koperty jest zastosowanie uproszczonych założeń.]” objętości drobnoustrojów podróżujących w dymie. W końcu, mówi, naukowcy mogliby dowiedzieć się, ilu z nich żyje i czy to w ogóle ma znaczenie dla ludzkiego zdrowia – pozostaje to wciąż „nierozstrzygnięta kwestia”.

Fierer i Kobziar twierdzą, że można by zrobić duży krok naprzód, gdyby więcej naukowców zaangażowało się w badania. Te badania wymagają prawdziwie multidyscyplinarnego podejścia, przy współpracy mikrobiologów, ekologów leśnych i naukowców zajmujących się atmosferą, mówi Fierer. Na szczęście, po tym, jak Kobziar i lekarz chorób zakaźnych, George’em Thompsonem z Uniwersytetu Kalifornijskiego, opublikowali w grudniu zeszłego roku w Science artykuł z wezwaniem do broni, podsumowując ich badania piroaerobiologiczne i zwracając uwagę na kluczowe pytania, kilku naukowców z różnych dziedzin wyraziło zainteresowanie zbadaniem temat. „Mieliśmy nadzieję, że to się wydarzy” – mówi Kobziar.

Czy istnieje niebezpieczeństwo?

W ostatnich latach Thompson zaobserwował znaczny wzrost liczby pacjentów cierpiących na gorączkę doliny i inne infekcje grzybicze w wyniku pobliskich pożarów. Doskonale zdawał sobie sprawę, że cząstki stałe zawarte w dymie które dostały się do płuc, mogą powodować trudności w oddychaniu, zapalenie płuc, a nawet zawał serca. Naukowcy poinformowali w Journal of the American Heart Association w kwietniu 2020 r., że narażenie na intensywny dym podczas pożarów w Kalifornii w latach 2015–2017 podniosło ryzyko zawału serca nawet o 70 procent.

Zaczął się zastanawiać, czy rekordowe kalifornijskie pożary pobudziły mikroby i grzyby wywołujące gorączkę doliny, więc połączył siły z Kobziar.

Wydaje się, że związek z gorączką dolinową jest rzeczywisty, ale jak dotąd lokalny. Na przykład po pożarze Simi Fire w hrabstwie Ventura w 2003 r. ponad 70 osób zachorowało na gorączkę doliny. Nikt jednak nie wie, czy grzyby Coccidioides mogą podróżować i wywoływać choroby daleko od źródła ognia.

Istnieją sposoby, aby dowiedzieć się, czy większa ilość ludzi zaczęła chorować na infekcje bakteryjne lub grzybicze po pożarach. Thompson mówi, że jednym ze sposobów jest przyjrzenie się ilości przepisywanych przez lekarzy antybiotyków i hospitalizacjom w miesiącu poprzedzającym pożar jak i miesiąc po pożarze: więcej recept lub hospitalizacji z powodu infekcji bakteryjnych lub grzybiczych po pożarze może wskazywać na związek.

Na przykład w 2019 roku na spotkaniu American Transplant Congress naukowcy powiązali pożary w Kalifornii z zwiększoną liczbą hospitalizacji związanych z infekcjami grzybami Aspergillus i Coccidioides.

Ale dopóki nie dowiemy się więcej o tym, jakie drobnoustroje uwalniane są przez pożary i gdzie i jak są przenoszone, nie będziemy wiedzieć, jak bardzo wpływają na zdrowie ludzi, mówi Fierer.

Tyle jeszcze nie wiemy, mówi Thompson. „Przed nami jeszcze dużo pracy. To jakby początek początku historii”.

Źródło: Megan Sever

R.A. Moore et al. Wildland fire as an atmospheric source of viable microbial aerosols and biological ice nucleating particles. The ISME Journal. Vol. 15, October 2, 2021, p. 461. doi: 10.1038/s41396-020-00788-8.

L.N. Kobziar and G.R. Thompson III. Wildfire smoke: A potential infectious agentScience. Vol. 370, December 18, 2020, p. 1408. doi:10.1126/science.abe8116.

C.G. Jones et al. Out‐of‐Hospital Cardiac Arrests and Wildfire‐Related Particulate Matter During 2015–2017 California WildfiresJournal of the American Heart Association. Vol. 9, April 15, 2020, p. e014125. doi: 10.1161/JAHA.119.014125.

L.N. Kobziar et al. Accessing the life in smoke: a new application of unmanned aircraft systems (UAS) to sample wildland fire bioaerosol emissions and their environmentFire. Vol. 2, November 25, 2019, p. 56. doi: 10.3390/fire2040056.

L.N. Kobziar et al. Pyroaerobiology: the aerosolization and transport of viable microbial life by wildland fireEcosphere. Vol. 9November 15, 2018, p. e02507. doi: 10.1029/2018GH000144.

B. Ford et al. Future fire impacts on smoke concentrations, visibility, and health in the contiguous United StatesGeoHealth2(8), 229-247. doi: 10.1029/2018GH000144.

S.N. Koplitz et al. Public health impacts of the severe haze in Equatorial Asia in September–October 2015: demonstration of a new framework for informing fire management strategies to reduce downwind smoke exposureEnvironmental Research Letters. Vol.  11, p. 094023. doi: 10.1088/1748-9326/11/9/094023.

Zdjęcie: L. KOBZIAR

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x