Nowy system wykrywania toksyn przenoszonych drogą powietrzną podczas zakwitów glonów

Gdy źródła wody zostają nadmiernie obciążone składnikami odżywczymi, często w wyniku spływu substancji pochodzących z działalności rolniczej, mogą pojawiać się szkodliwe zakwity glonów. Gwałtowny wzrost populacji cyjanobakterii może prowadzić do skażenia owoców morza i wody pitnej oraz do śmierci organizmów wodnych. Coraz częściej zwraca się uwagę również na to, że toksyczne związki uwalniane do powietrza mogą prowadzić do długotrwałej ekspozycji, która szkodzi zdrowiu człowieka.

Niektóre gatunki cyjanobakterii i glonów produkują toksyny zdolne do oddziaływania na wątrobę, układ nerwowy i inne narządy. Choć wiadomo, że związki te mogą przedostawać się do organizmu wraz z zanieczyszczoną żywnością i wodą, dowody wskazują, że narażenie na toksyny przenoszone w aerozolach może występować również na obszarach oddalonych od źródła wody. Zrozumienie, jak często powstają unoszące się w powietrzu kropelki zawierające toksyny oraz przy jakich stężeniach mogą one stanowić zagrożenie dla zdrowia człowieka, ma kluczowe znaczenie dla poprawy oceny ryzyka środowiskowego i zdrowotnego.

W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Toxins naukowcy opracowali przenośny system pobierania próbek powietrza, który umożliwia wykrywanie różnych toksyn cyjanobakteryjnych obecnych w powietrzu na obszarze południowo-zachodniej Florydy w Stanach Zjednoczonych. Porównując toksyny wykryte w powietrzu i pobliskich zbiornikach wodnych, badacze uzyskali nowe informacje na temat drogi narażenia, której badanie do tej pory było szczególnie trudne.

Jak toksyny dostają się do powietrza?

Wiele szkodliwych toksyn cyjanobakteryjnych powstaje podczas zakwitów glonów, kiedy cyjanobakterie szybko namnażają się w środowiskach słodkowodnych. Zakwity te mogą uwalniać toksyny do otaczających wód, zwłaszcza gdy komórki zaczynają się rozpadać.

Gdy toksyny są już obecne w wodzie, zostają włączone do niewielkich kropelek aerozolu powstających wskutek rozbijania się fal lub pękania pęcherzyków powietrza na powierzchni. Kropelki te, określane jako aerozole natryskowe znad jezior (lake spray aerosols, LSAs), mogą następnie unosić się w powietrzu, potencjalnie narażając osoby znajdujące się w pobliżu jezior, rzek lub wybrzeży na kontakt z toksynami drogą inhalacji, a nie poprzez bezpośredni kontakt z zanieczyszczoną wodą.

Chociaż wcześniejsze badania wykrywały obecność toksyn cyjanobakteryjnych w powietrzu, stosunkowo niewiele z nich analizowało jednocześnie różne klasy toksyn lub opracowywało praktyczne metody, które mogłyby być rutynowo stosowane w terenie. Utrudniało to ocenę skali narażenia drogą inhalacyjną oraz porównywanie wyników pomiędzy różnymi lokalizacjami.

Lepsza metoda monitorowania toksyn unoszących się w powietrzu

Aby odpowiedzieć na to wyzwanie, badacze opracowali system Airborne Detection for Algae Monitoring (ADAM).

ADAM został zaprojektowany jako przenośna i samowystarczalna jednostka monitorująca. Łączy on filtr z włókna szklanego z pochłaniaczem cieczowym (liquid impinger), co umożliwia wychwytywanie zarówno cząstek obecnych w powietrzu, jak i rozpuszczonych toksyn przenoszonych w kropelkach aerozolu (Zdjęcie 1A). Dzięki kompaktowej konstrukcji urządzenie można łatwo transportować pomiędzy lokalizacjami badawczymi i pobierać próbki w rzeczywistych warunkach środowiskowych (Zdjęcie 1B). Co istotne, urządzenie wyposażono w składany maszt, który umożliwia wykrywanie toksyn w powietrzu na wysokości odpowiadającej strefie oddychania człowieka, czyli około 1,5–1,8 metra.

Zdjęcie 1. A) System ADAM wyposażony w filtr i pochłaniacz cieczowy. B) Samowystarczalny układ pomp umożliwiający łatwy transport pomiędzy lokalizacjami.

Co ważne, system został zaprojektowany również z myślą o przyszłym monitoringu środowiskowym. Standaryzowane metody pobierania próbek mogłyby umożliwić badaczom pracującym w różnych regionach geograficznych i porach roku bardziej spójne porównywanie stężeń toksyn w powietrzu. Tworzenie większych i porównywalnych zbiorów danych mogłoby przyczynić się do usprawnienia monitoringu środowiskowego oraz oceny ryzyka zdrowotnego.

Analiza cząstek obecnych w powietrzu

Zespół badawczy wykorzystał system ADAM podczas 21 kampanii, w ramach których równocześnie pobierano próbki powietrza i wody w południowo-zachodniej Florydzie.

Choć w większości miejsc poboru próbek nie obserwowano widocznych zakwitów cyjanobakterii, analizy wykazały obecność kilku toksyn cyjanobakteryjnych w próbkach powietrza w niskich stężeniach. Najczęściej wykrywaną substancją była neurotoksyna BMAA oraz powiązane z nią izomery. Sporadycznie identyfikowano również inne toksyny cyjanobakteryjne, w tym anatoksynę-a i brewetoksyny.

Wcześniejsze badania wykazały także wysokie stężenia izomeru BMAA, 2,4-DAB, w mózgach delfinów znalezionych po wyrzuceniu na brzeg laguny Indian River na Florydzie. U tych zwierząt zaobserwowano również zmiany patologiczne związane z chorobą Alzheimera. Wyniki te podkreślają, dlaczego badania nad długotrwałą ekspozycją na neurotoksyny cyjanobakteryjne pozostają ważnym i aktywnie rozwijanym obszarem nauki.

Jak wyjaśnia główny badacz projektu, dr James Metcalf:

„Dane uzyskane z detektorów ADAM wskazują, że ludzie mogą pozostawać pod długotrwałym wpływem niskich stężeń toksyn cyjanobakteryjnych. Konieczne są dalsze badania, które pomogą lepiej chronić zdrowie ludzi.”

Najważniejszym wynikiem było wykrycie toksyn w powietrzu nawet wtedy, gdy w miejscach poboru próbek nie występowały widoczne zakwity. Sugeruje to, że ludzie mogą być narażeni na niskie stężenia toksyn cyjanobakteryjnych obecnych w powietrzu, nawet przy braku gęstych nagromadzeń na powierzchni wody, które zwykle kojarzone są ze szkodliwymi zakwitami glonów.

Pomijana droga narażenia na toksyny

Wyniki te stanowią kolejny dowód na to, że przy ocenie narażenia na toksyny cyjanobakteryjne należy uwzględniać nie tylko spożycie wody i żywności, lecz także inhalację. Badanie nie analizowało jednak skutków zdrowotnych związanych z wdychaniem tych toksyn ani nie określało stężeń niezbędnych do wywołania szkodliwych efektów. Zamiast tego dostarcza ono istotnych podstaw do przyszłych badań nad zagrożeniami związanymi z ekspozycją na toksyny cyjanobakteryjne obecne w powietrzu, a także wspiera rozwój strategii monitorowania zdrowia publicznego.

Obecne programy monitoringu często koncentrują się na widocznych zakwitach lub stężeniach toksyn w wodzie. Możliwość wykrywania toksyn w powietrzu nawet wtedy, gdy aktywność zakwitów jest niewielka, sugeruje jednak, że rutynowe monitorowanie powietrza mogłoby dostarczać cennych informacji wspierających działania na rzecz ochrony środowiska i zdrowia publicznego.

Badanie podkreśla również znaczenie opracowywania standaryzowanych metod monitoringu. Niezawodne i przenośne systemy pobierania próbek, takie jak ADAM, mogłyby umożliwić badaczom tworzenie większych zbiorów danych, ułatwić porównywanie wyników pomiędzy badaniami oraz poprawić zrozumienie wpływu warunków środowiskowych i zmian sezonowych na stężenia toksyn obecnych w powietrzu.

Przyszłość monitorowania toksyn obecnych w powietrzu

Choć nadal pozostaje wiele pytań dotyczących długoterminowych skutków przewlekłej ekspozycji na niskie stężenia toksyn cyjanobakteryjnych obecnych w powietrzu, badanie to stanowi ważną podstawę dla przyszłych prac naukowych.

Lepszy monitoring będzie kluczowy dla zrozumienia skali narażenia drogą inhalacyjną, jednak zapobieganie szkodliwym zakwitom glonów pozostaje najskuteczniejszą długoterminową strategią ograniczania ryzyka dla zdrowia ludzi. Ograniczenie zanieczyszczenia środowiska składnikami odżywczymi pochodzącymi z działalności rolniczej, ścieków oraz obszarów miejskich będzie miało zasadnicze znaczenie, podobnie jak rozwój technologii monitorowania.

Autorzy sugerują, że połączenie przenośnych próbników powietrza z szybkimi metodami wykrywania w warunkach terenowych mogłoby umożliwić instytucjom odpowiedzialnym za ochronę środowiska bardziej rutynowe monitorowanie toksyn obecnych w powietrzu oraz skuteczniejsze reagowanie podczas występowania zakwitów. Wraz z rozwojem tych technologii możliwe będzie lepsze zrozumienie tej często pomijanej drogi narażenia oraz wykorzystanie zdobytej wiedzy przy opracowywaniu przyszłych wytycznych dotyczących zdrowia publicznego.

Jak podkreśla dr James Metcalf:

„Nawet jeśli możemy unikać skażonej żywności i wody, zapobieganie narażeniu poprzez oddychanie jest znacznie trudniejsze.”

Ostatecznie badanie pokazuje, że skutki szkodliwych zakwitów glonów mogą wykraczać poza samo środowisko wodne. Opracowując nowe narzędzia do monitorowania toksyn obecnych w powietrzu, badacze budują pełniejszy obraz tego, jak zagrożenia środowiskowe tego typu mogą wpływać na zdrowie człowieka.

Więcej badań dotyczących wykrywania toksyn oraz mikrobiologicznych toksyn przenoszonych drogą powietrzną można znaleźć na łamach otwarto dostępnych czasopism Sensors i Toxins.

Artykuł został przetłumaczony z bloga MDPI. Oryginalny tekst znajdziesz tutaj: New System for Detecting Airborne Toxins from Algal Blooms