Los bioaerosoles (abreviatura de aerosoles biológicos ) son una subcategoría de partículas liberadas desde los ecosistemas terrestres y marinos a la atmósfera. Están compuestos tanto de componentes vivos como inertes, como hongos, polen, bacterias y virus. [1] Las fuentes comunes de bioaerosoles incluyen el suelo, el agua y las aguas residuales.
Los bioaerosoles se introducen en el aire normalmente a través de la turbulencia del viento sobre una superficie. Una vez en la atmósfera, pueden ser transportados local o globalmente: los patrones e intensidades comunes del viento son responsables de la dispersión local, mientras que las tormentas tropicales y las columnas de polvo pueden mover bioaerosoles entre continentes. [2] Sobre las superficies oceánicas, los bioaerosoles se generan a través de la espuma marina y las burbujas.
Los bioaerosoles pueden transmitir patógenos microbianos , endotoxinas y alérgenos a los que los humanos son sensibles. Un caso bien conocido fue el brote de meningitis meningocócica en África subsahariana, que estuvo vinculado a tormentas de polvo durante las estaciones secas. Otros brotes vinculados a eventos de polvo incluyen neumonía por micoplasma y tuberculosis . [2]
Otro ejemplo fue el aumento de los problemas respiratorios humanos en el Caribe, que pueden haber sido causados por rastros de metales pesados, bioaerosoles de microorganismos y pesticidas transportados a través de nubes de polvo que pasan sobre el Océano Atlántico.
Charles Darwin fue el primero en observar el transporte de partículas de polvo [3], pero Louis Pasteur fue el primero en investigar los microbios y su actividad en el aire. Antes del trabajo de Pasteur, se utilizaban cultivos de laboratorio para cultivar y aislar diferentes bioaerosoles.
Como no todos los microbios pueden cultivarse, muchos de ellos no se habían detectado antes del desarrollo de las herramientas basadas en el ADN. Pasteur también desarrolló procedimientos experimentales para tomar muestras de bioaerosoles y demostró que la actividad microbiana era mayor a menor altitud y disminuía a mayor altitud. [2]
Los bioaerosoles incluyen hongos , bacterias , virus y polen . Sus concentraciones son mayores en la capa límite planetaria (CLP) y disminuyen con la altitud. La tasa de supervivencia de los bioaerosoles depende de una serie de factores bióticos y abióticos que incluyen las condiciones climáticas, la luz ultravioleta (UV), la temperatura y la humedad, así como los recursos presentes en el polvo o las nubes. [4]
Los bioaerosoles que se encuentran en ambientes marinos están compuestos principalmente de bacterias, mientras que los que se encuentran en ambientes terrestres son ricos en bacterias, hongos y polen. [5] El predominio de determinadas bacterias y sus fuentes de nutrientes están sujetos a cambios según el tiempo y la ubicación. [2]
Los bioaerosoles pueden variar en tamaño desde partículas de virus de 10 nanómetros hasta granos de polen de 100 micrómetros. [6] Los granos de polen son los bioaerosoles más grandes y tienen menos probabilidades de permanecer suspendidos en el aire durante un largo período de tiempo debido a su peso. [1]
En consecuencia, la concentración de partículas de polen disminuye más rápidamente con la altura que la de los bioaerosoles más pequeños, como las bacterias, los hongos y posiblemente los virus, que pueden sobrevivir en la troposfera superior. En la actualidad, hay poca investigación sobre la tolerancia específica a la altitud de los diferentes bioaerosoles. Sin embargo, los científicos creen que la turbulencia atmosférica influye en el lugar donde se pueden encontrar los diferentes bioaerosoles. [5]
Las células fúngicas suelen morir cuando viajan a través de la atmósfera debido a los efectos desecantes de las altitudes elevadas. Sin embargo, se ha demostrado que algunos bioaerosoles fúngicos particularmente resistentes sobreviven en el transporte atmosférico a pesar de la exposición a condiciones severas de luz ultravioleta. [7] Aunque los niveles de bioaerosoles de esporas fúngicas aumentan en condiciones de mayor humedad, también pueden estar activos en condiciones de baja humedad y en la mayoría de los rangos de temperatura. Ciertos bioaerosoles fúngicos incluso aumentan en niveles relativamente bajos de humedad. [ cita requerida ]
A diferencia de otros bioaerosoles, las bacterias pueden completar ciclos reproductivos completos en los días o semanas que sobreviven en la atmósfera, lo que las convierte en un componente importante del ecosistema de la biota aérea. Estos ciclos reproductivos respaldan una teoría actualmente no probada de que los bioaerosoles bacterianos forman comunidades en un ecosistema atmosférico. [2] La supervivencia de las bacterias depende de las gotas de agua de la niebla y las nubes que proporcionan a las bacterias nutrientes y protección contra la luz ultravioleta. [5] Los cuatro grupos bacterianos conocidos que son abundantes en entornos aeromicrobianos en todo el mundo incluyen Bacillota , Actinomycetota , Pseudomonadota y Bacteroidota . [8]
El aire transporta virus y otros patógenos . Como los virus son más pequeños que otros bioaerosoles, tienen el potencial de viajar mayores distancias. En una simulación, se liberaron simultáneamente un virus y una espora de hongo desde lo alto de un edificio; la espora viajó solo 150 metros mientras que el virus viajó casi 200.000 kilómetros horizontales. [5]
En un estudio, se generaron aerosoles (<5 μm) que contenían SARS-CoV-1 y SARS-CoV-2 mediante un atomizador y se introdujeron en un tambor Goldberg para crear un ambiente aerosolizado. El inóculo produjo umbrales de ciclo entre 20 y 22, similares a los observados en muestras de las vías respiratorias superiores e inferiores humanas. El SARS-CoV-2 permaneció viable en aerosoles durante 3 horas, con una disminución en el título de infección similar al SARS-CoV-1. La vida media de ambos virus en aerosoles fue de 1,1 a 1,2 horas en promedio. Los resultados sugieren que la transmisión de ambos virus por aerosoles es plausible, ya que pueden permanecer viables e infecciosos en aerosoles suspendidos durante horas y en superficies hasta días. [9]
A pesar de ser más grandes y pesados que otros bioaerosoles, algunos estudios muestran que el polen puede transportarse miles de kilómetros. [5] Son una fuente importante de alérgenos dispersados por el viento, que provienen particularmente de liberaciones estacionales de pastos y árboles. [1] El seguimiento de la distancia, el transporte, los recursos y la deposición de polen en entornos terrestres y marinos es útil para interpretar los registros de polen. [1]
Las principales herramientas utilizadas para recolectar bioaerosoles son placas de recolección, colectores electrostáticos , espectrómetros de masas e impactadores; se utilizan otros métodos, pero son de naturaleza más experimental. [8] Los filtros de policarbonato (PC) han tenido el éxito de muestreo bacteriano más preciso en comparación con otras opciones de filtros de PC. [10]
Para recolectar bioaerosoles que se encuentren dentro de un rango de tamaño específico, se pueden apilar impactadores para capturar la variación de material particulado (PM). Por ejemplo, un filtro PM 10 deja pasar tamaños más pequeños. Esto es similar al tamaño de un cabello humano. Las partículas se depositan sobre los portaobjetos, placas de agar o cinta en la base del impactador. La trampa de esporas Hirst toma muestras a 10 litros/minuto (LPM) y tiene una veleta para tomar muestras siempre en la dirección del flujo del viento. Las partículas recolectadas se impactan sobre un portaobjetos de vidrio vertical engrasado con petróleo.
Se han diseñado variantes como la trampa de esporas volumétrica de registro de 7 días para el muestreo continuo utilizando un tambor que gira lentamente y deposita el material impactado sobre una cinta de plástico recubierta. [11] El muestreador de bacterias transportadas por el aire puede tomar muestras a velocidades de hasta 700 LPM, lo que permite recolectar muestras grandes en un corto tiempo de muestreo. El material biológico se impacta y se deposita en una placa de Petri revestida con agar, lo que permite que se desarrollen los cultivos. [12]
De manera similar a los impactadores de una sola etapa en los métodos de recolección, los impactadores en cascada tienen cortes de múltiples tamaños (PM 10 , PM 2.5 ), lo que permite que los bioaerosoles se separen según el tamaño. La separación del material biológico por diámetro aerodinámico es útil debido a que los rangos de tamaño están dominados por tipos específicos de organismos (las bacterias existen en un rango de 1 a 20 micrómetros y el polen en un rango de 10 a 100 micrómetros). La línea Andersen de impactadores en cascada es la más utilizada para analizar partículas de aire. [13]
Un muestreador ciclónico consiste en una cámara circular con la corriente de aerosol entrando a través de una o más boquillas tangenciales. Al igual que un impactador, un muestreador ciclónico depende de la inercia de la partícula para hacer que se deposite en la pared del muestreador a medida que la corriente de aire se curva dentro de la cámara. También como un impactador, la eficiencia de recolección depende del caudal. Los ciclones son menos propensos al rebote de partículas que los impactadores y pueden recolectar mayores cantidades de material. También pueden proporcionar una recolección más suave que los impactadores, lo que puede mejorar la recuperación de microorganismos viables. Sin embargo, los ciclones tienden a tener curvas de eficiencia de recolección que son menos pronunciadas que los impactadores, y es más simple diseñar un impactador en cascada compacto en comparación con una cascada de muestreadores ciclónicos. [14]
En lugar de recolectar sobre un sustrato engrasado o una placa de agar, se han desarrollado impactadores para impactar los bioaerosoles en líquidos, como agua desionizada o solución tampón de fosfato. Ehrlich et al. (1966) demostraron que las eficiencias de recolección de los impactadores son generalmente más altas que las de diseños de impactadores de una sola etapa similares. Los impactadores disponibles comercialmente incluyen el AGI-30 (Ace Glass Inc.) y el Biosampler (SKC, Inc).
Los precipitadores electrostáticos (ESP) han despertado recientemente un renovado interés [15] en el muestreo de bioaerosoles debido a su alta eficiencia en la eliminación de partículas y a su método de muestreo más suave en comparación con el impacto. Los ESP cargan y eliminan las partículas de aerosol entrantes de una corriente de aire empleando un campo electrostático no uniforme entre dos electrodos y una alta intensidad de campo. Esto crea una región de iones de alta densidad, una descarga de corona, que carga las gotitas de aerosol entrantes y el campo eléctrico deposita las partículas cargadas sobre una superficie de recolección.
Dado que las partículas biológicas se analizan normalmente mediante ensayos basados en líquidos ( PCR , inmunoensayos , ensayo de viabilidad ), es preferible tomar muestras directamente en un volumen líquido para el análisis posterior. Por ejemplo, Pardon et al. [16] muestran el muestreo de aerosoles hasta una interfaz aire-líquido microfluídica , y Ladhani et al., [17] muestran el muestreo de influenza transmitida por el aire hasta una pequeña gota de líquido. El uso de líquidos de bajo volumen es ideal para minimizar la dilución de la muestra y tiene el potencial de combinarse con tecnologías de laboratorio en chip para un análisis rápido en el punto de atención .
Los filtros se utilizan a menudo para recoger bioaerosoles debido a su simplicidad y bajo coste. La recogida con filtros es especialmente útil para el muestreo personal de bioaerosoles, ya que son ligeros y discretos. Los filtros pueden ir precedidos de una entrada selectiva por tamaño, como un ciclón o un impactador, para eliminar partículas de mayor tamaño y proporcionar una clasificación por tamaño de las partículas de bioaerosoles. [14] Los filtros de aerosol se describen a menudo utilizando el término "tamaño de poro" o "diámetro de poro equivalente". Tenga en cuenta que el tamaño de poro del filtro NO indica el tamaño mínimo de partícula que recogerá el filtro; de hecho, los filtros de aerosol generalmente recogerán partículas mucho más pequeñas que el tamaño de poro nominal. [18]
Los bioaerosoles se introducen normalmente en el aire a través de la turbulencia del viento sobre una superficie. Una vez en el aire, suelen permanecer en la capa límite planetaria (CLP), pero en algunos casos alcanzan la troposfera superior y la estratosfera. [19] Una vez en la atmósfera, pueden ser transportados local o globalmente: los patrones e intensidades comunes del viento son responsables de la dispersión local, mientras que las tormentas tropicales y las columnas de polvo pueden mover bioaerosoles entre continentes. [2] Sobre las superficies oceánicas, los bioaerosoles se generan a través de la espuma marina y las burbujas. [5]
El conocimiento de los bioaerosoles ha dado forma a nuestra comprensión de los microorganismos y la diferenciación entre microbios, incluidos los patógenos transmitidos por el aire. En la década de 1970, se produjo un gran avance en la física atmosférica y la microbiología cuando se identificaron las bacterias que forman núcleos de hielo . [20]
La mayor concentración de bioaerosoles se encuentra cerca de la superficie de la Tierra, en la capa superficial del planeta. Allí, la turbulencia del viento provoca una mezcla vertical que lleva partículas del suelo a la atmósfera. Los bioaerosoles introducidos en la atmósfera pueden formar nubes, que luego son arrastradas a otras ubicaciones geográficas y precipitadas en forma de lluvia, granizo o nieve. [2] Se han observado mayores niveles de bioaerosoles en las selvas tropicales durante y después de los episodios de lluvia. Las bacterias y el fitoplancton de los entornos marinos se han relacionado con la formación de nubes. [1]
Sin embargo, por esta misma razón, los bioaerosoles no pueden transportarse a grandes distancias en la capa superficial del mar, ya que las nubes acabarán precipitándolos. Además, se necesitaría una turbulencia o convección adicional en los límites superiores de la capa superficial del mar para inyectar bioaerosoles en la troposfera, donde podrían transportarse a mayores distancias como parte del flujo troposférico. Esto limita la concentración de bioaerosoles a estas altitudes. [1]
Las gotitas de las nubes, los cristales de hielo y las precipitaciones utilizan los bioaerosoles como núcleo donde el agua o los cristales pueden formarse o mantenerse en su superficie. Estas interacciones muestran que las partículas del aire pueden cambiar el ciclo hidrológico , las condiciones climáticas y la erosión en todo el mundo. Esos cambios pueden provocar efectos como la desertificación , que se ve magnificada por los cambios climáticos. Los bioaerosoles también se entremezclan cuando el aire puro y el smog se encuentran, lo que cambia la visibilidad y/o la calidad del aire.
Las imágenes satelitales muestran que las tormentas sobre los desiertos australianos, africanos y asiáticos crean columnas de polvo que pueden transportar el polvo a altitudes de más de 5 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Este mecanismo transporta el material a miles de kilómetros de distancia, incluso moviéndolo entre continentes. Múltiples estudios han apoyado la teoría de que los bioaerosoles pueden transportarse junto con el polvo. [21] [22] Un estudio concluyó que un tipo de bacteria transportada por el aire presente en un polvo desértico en particular se encontró en un sitio a 1.000 kilómetros a favor del viento. [2]
Las posibles autopistas a escala global para los bioaerosoles en polvo incluyen:
El transporte y la distribución de los bioaerosoles no es uniforme en todo el mundo. Si bien los bioaerosoles pueden viajar miles de kilómetros antes de depositarse, su distancia final de viaje y dirección dependen de factores meteorológicos, físicos y químicos. La rama de la biología que estudia la dispersión de estas partículas se llama aerobiología . Un estudio generó un mapa de bacterias y hongos transportados por el aire de los Estados Unidos a partir de mediciones observacionales; los perfiles de la comunidad resultantes de estos bioaerosoles se relacionaron con el pH del suelo , la precipitación media anual, la productividad primaria neta y la temperatura media anual, entre otros factores. [23]
Los bioaerosoles afectan a una variedad de sistemas biogeoquímicos en la Tierra, incluidos, entre otros, los ecosistemas atmosféricos, terrestres y marinos. A pesar de lo antiguas que son estas relaciones, el tema de los bioaerosoles no es muy conocido. [24] [25] Los bioaerosoles pueden afectar a los organismos de múltiples maneras, incluida la influencia en la salud de los organismos vivos a través de alergias, trastornos y enfermedades. Además, la distribución de bioaerosoles de polen y esporas contribuye a la diversidad genética de los organismos en múltiples hábitats. [1]
Una variedad de bioaerosoles pueden contribuir a los núcleos de condensación de nubes o núcleos de hielo de nubes ; los posibles componentes de los bioaerosoles son células vivas o muertas, fragmentos de células, hifas , polen o esporas. [1] La formación de nubes y la precipitación son características clave de muchos ciclos hidrológicos a los que están vinculados los ecosistemas. Además, la cobertura de nubes global es un factor significativo en el balance de radiación general y, por lo tanto, en la temperatura de la Tierra.
Los bioaerosoles constituyen una pequeña fracción de los núcleos de condensación de nubes totales en la atmósfera (entre el 0,001% y el 0,01%), por lo que su impacto global (es decir, el balance de radiación) es cuestionable. Sin embargo, existen casos específicos en los que los bioaerosoles pueden formar una fracción significativa de las nubes en un área. Entre ellos se incluyen:
La acumulación de partículas de bioaerosol sobre una superficie se denomina deposición . La eliminación de estas partículas de la atmósfera afecta la salud humana en lo que respecta a la calidad del aire y los sistemas respiratorios. [1]
Los lagos alpinos ubicados en la región de los Pirineos centrales del noreste de España no se ven afectados por factores antropogénicos, lo que hace que estos lagos oligotróficos sean indicadores ideales de la entrada de sedimentos y el cambio ambiental. La materia orgánica disuelta y los nutrientes del transporte de polvo pueden ayudar a las bacterias con el crecimiento y la producción en aguas con bajos niveles de nutrientes. Dentro de las muestras recolectadas de un estudio, se detectó una alta diversidad de microorganismos transportados por el aire y tenían fuertes similitudes con los suelos de Mauricio a pesar de que las tormentas de polvo del Sahara ocurrieron en el momento de la detección. [26]
Los tipos y tamaños de los bioaerosoles varían en los ambientes marinos y se producen en gran medida debido a descargas húmedas causadas por cambios en la presión osmótica o la tensión superficial . Algunos tipos de bioaerosoles de origen marino excretan descargas secas de esporas de hongos que son transportadas por el viento. [1]
Un ejemplo de impacto en las especies marinas fue la muerte de gorgonias y erizos de mar del Caribe en 1983 , que se correlacionó con tormentas de polvo originadas en África. Esta correlación se determinó mediante el trabajo de microbiólogos y un espectrómetro de mapeo de ozono total , que identificó bioaerosoles bacterianos, virales y fúngicos en las nubes de polvo que se rastrearon sobre el océano Atlántico. [27] Otro ejemplo de esto ocurrió en 1997, cuando El Niño posiblemente afectó los patrones estacionales de vientos alisios desde África hasta Barbados, lo que resultó en muertes similares. La modelización de casos como estos puede contribuir a predicciones más precisas de eventos futuros. [28]
La aerosolización de bacterias en el polvo contribuye en gran medida al transporte de patógenos bacterianos. Un caso bien conocido de brote de enfermedad por bioaerosol fue el brote de meningitis meningocócica en el África subsahariana, que estuvo vinculado a tormentas de polvo durante las estaciones secas.
Se ha informado de otros brotes vinculados a eventos de polvo, incluyendo neumonía por micoplasma y tuberculosis . [2] Otro ejemplo de problemas de salud propagados por bioaerosoles fue un aumento de los problemas respiratorios humanos para los residentes de la región del Caribe que pueden haber sido causados por trazas de metales pesados, bioaerosoles de microorganismos y pesticidas transportados a través de nubes de polvo que pasan sobre el Océano Atlántico. [27] [29]
Las fuentes comunes de bioaerosoles incluyen el suelo, el agua y las aguas residuales. Los bioaerosoles pueden transmitir patógenos microbianos , endotoxinas y alérgenos [30] y pueden excretar tanto endotoxinas como exotoxinas . Las exotoxinas pueden ser particularmente peligrosas cuando se transportan por el aire y distribuyen patógenos a los que los humanos son sensibles. Las cianobacterias son particularmente prolíficas en su distribución de patógenos y son abundantes tanto en entornos terrestres como acuáticos. [1]
El papel potencial de los bioaerosoles en el cambio climático ofrece una gran cantidad de oportunidades de investigación. Las áreas de estudio específicas incluyen el monitoreo de los impactos de los bioaerosoles en diferentes ecosistemas y el uso de datos meteorológicos para pronosticar cambios en los ecosistemas. [5] La determinación de las interacciones globales es posible mediante métodos como la recolección de muestras de aire, la extracción de ADN de los bioaerosoles y la amplificación por PCR . [21]
El desarrollo de sistemas de modelado más eficientes reducirá la propagación de enfermedades humanas y beneficiará a los factores económicos y ecológicos. [2] Actualmente se utiliza una herramienta de modelado atmosférico llamada Sistema de Modelado de Dispersión Atmosférica ( ADMS 3 ) para este propósito. El ADMS 3 utiliza dinámica de fluidos computacional (CFD) para localizar áreas con problemas potenciales, minimizando la propagación de patógenos nocivos en bioaerosoles, incluido el seguimiento de su ocurrencia. [2]
Los agroecosistemas tienen una serie de posibles líneas de investigación futuras en el ámbito de los bioaerosoles. La identificación de suelos deteriorados puede identificar fuentes de patógenos vegetales o animales.
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