W POWIETRZU ATMOSFERYCZNYM
2. METODYKA BADAŃ
2.1. LOKALIZACJA I POBÓR PRÓBEK
Badania przeprowadzono na terenie kampusu Politechniki Śląskiej w Gliwicach, w okresie kwiecień-grudzień 2015r. Do oceny przeżywalności bioaerozoli wykorzystano metodę hodowlaną, pobierając aspiracyjnie próbki powietrza na podłoża stałe. Do poboru próbek bakteryjnych i grzybowych w powietrzu użyto 6-stopniowego kaskadowego impaktora typu Andersena (Tisch Environmental, USA), wykorzystując szalki Petrie-go z podłożem odpowiednim do hodowli bakterii (Trypticasein Soy-Agar z dodatkiem cykloheximidu) oraz grzybów (Malt-Extract Agar z dodatkiem chloramfenikolu). Równolegle wykonywano pomiary parametrów meteorologicznych (temperatura i wilgotność względna powietrza, prędkość i kierunek wiatru, opad oraz natężenie promieniowania UV) z użyciem przenośnej stacji pogody (Oregon Scientific, USA). Po poborze szalki Petriego zostały umieszczone w inkubatorze (w temperaturze 22°C,
Michał Kowalski, Józef S. Pastuszka 166
4-6 dni) celem hodowli i późniejszego zliczenia wyrosłych kolonii. Jako wyróżnik stężenia bioaerozolu przyjęto ilość wyrosłych kolonii na podłożach stałych, odniesio-ną do jednostki objętości powietrza, CFU/m3 (ang. Colony Forming Units a cubic meter). W badaniach własnych jako miarę natężenia promieniowania ultrafioletowego przyjęto indeks UV, który jest definiowany jako efektywny strumień promieniowania ultrafioletowego otrzymany w wyniku całkowania strumienia spektralnego przez spektralną funkcję czułości do 400 nm włącznie, znormalizowany do wartości 1,0 dla 297 nm. Wartość indeksu określono mnożąc uśredniony w czasie efektywny strumień promieniowania (wyrażany w W/m2) przez 40 [6, 7]. Dokładne wartości liczbowe opisujące całkowite natężenie promieniowania słonecznego (wyrażone w W/m2) uzy-skano z bazy pomiarowej Śląskiego Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowi-ska mierzone w stacji w Zabrzu, oddalonej o 5 km od punktu poboru próbek.
2.2. ANALIZA STATYSTYCZNA
Analizę statystyczną otrzymanych wyników przeprowadzono z wykorzystaniem programu Statistica 12 (StatSoft). Pierwszym etapem analizy statystycznej było sprawdzenie rozkładów mierzonych zmiennych. Odstępstwa od rozkładów normal-nych zostały zbadane testem Shapiro-Wilka. Z uwagi na skośność rozkładów zmien-nych zależzmien-nych opisujących stężenia aerozolu bakteryjnego (Shapiro-Wilk W=0,77, p=0,00001), jak i grzybowego (Shapiro-Wilk W=0,82, p=0,00003), w dalszych anali-zach zastosowano testy nieparametryczne. Wstępnie oceniono zależność pomiędzy stężeniami bioaerozoli a wybranymi parametrami meteorologicznymi za pomocą kore-lacji Spearmana. Następnie wykonano test ANOVA Kruskala Wallisa dla oceny zróż-nicowania stężenia bioaerozolu w różnych grupach zdefiniowanych przez indeks UV. Za kryterium istotności przyjęto poziom α<0,05.
3. WYNIKI
Uzyskane w trakcie badania mediany stężenia mikroorganizmów kształtowały się na poziomie: 1100 CFU/m3 (zakres międzykwartylowy IQR=3125) dla grzybów oraz 320 CFU/m3 (IQR=290) dla bakterii. Wykonano analizy zależności i różnic w całej grupie pomiarów. Z uwagi na duże zróżnicowanie warunków meteorologicznych w różnych sezonach do ostatecznej analizy wpływu promieniowania słonecznego na poziom stężeń aerozoli biologicznych wybrano sezon letni, który charakteryzował się w miarę stabilną sytuacją synoptyczną. W tabeli 1 zamieszczono wartości mierzonych parametrów meteorologicznych w zależności od sezonu, zamieszczając dodatkowo wartość całkowitego natężenia promieniowania mierzonego dla stacji w Zabrzu, dla zobrazowania zmienności w poszczególnych sezonach. Z uwagi na konieczność sto-sowania testów nieparametrycznych, a co za tym idzie przyjęcie kryterium
kategory-zacji parametru opisującego intensywność promieniowania UV, w dalszych analizach posłużono się indeksem UV, traktując ten parametr jako jakościową zmienną grupu-jącą.
Tabela 1. Parametry meteorologiczne mierzone w trakcie poboru próbek powietrza
sezon
Temperatura
powietrza [°C] względna [%] Wilgotność atmosferyczne [hPa] Ciśnienie
Całkowite natężenie promieniowania [W/m2] średnia odch.std średnia odch.std średnia odch.std średnia odch.std Wiosna* 18,8 3,30 28,7 12,16 998,5 2,34 508,5 192,51 Lato* 29,2 5,85 34,1 7,90 994,8 3,78 539 206,21 Jesień* 14,6 5,15 45,6 17,79 1000,8 4,83 212,8 172,55 Zima* 5,8 0,79 59,3 6,076 1000,5 7,55 53 46,74
*wiosna: kwiecień-czerwiec, próbkowanie co 2 tyg.; lato: lipiec-sierpień, próbkowanie 1-2 w tyg.; jesień: wrzesień-listopad, próbkowanie 1 raz w tyg; zima: grudzień, próbkowanie co 2 tyg.
Stwierdzono, iż najwyższe stężenia bakterii dotyczą dni o niskich wartościach in-deksu UV (największe stężenia odnotowano przy UVI=1). Różnica otrzymywanych poziomów stężeń mikroorganizmów była istotna statystycznie (H=13,05; p=0,02). W przypadku grzybów wpływ UVI nie był tak widoczny, a różnica nie była istotna (H=4,65; p=0,4). Wykresy pudełkowe obrazują zależność otrzymywanych poziomów stężeń poszczególnych typów aerozoli (rys. 1 - dla bakterii, rys. 2 - dla grzybów).
Rys. 1. Zależność poziomu stężenia aerozolu bakteryjnego od natężenia promieniowania UV w układzie mediana-kwartyle-rozstęp
Michał Kowalski, Józef S. Pastuszka 168
Rys. 2. Zależność poziomu stężenia aerozolu grzybowego od natężenia promieniowania UV w układzie mediana-kwartyle-rozstęp
Podsumowując, otrzymane wyniki dla rozpatrywanego sezonu letniego, kiedy no-towano bardzo zbliżone wartości parametrów meteorologicznych, można zakwalifi-kować jako wiarygodny okres do oceny wpływu promieniowania słonecznego na li-czebność bioaerozoli. W całym okresie notowano wysokie temperatury i podobny poziom wilgotności. Istotne jest również to, iż praktycznie nie zaobserwowano wystę-powania opadów atmosferycznych w trakcie poboru próbek ani w dniach poprzedza-jących pomiar. Jedynie w trakcie ostatniej serii pomiarowej aerozolu bakteryjnego dnia 14 lipca sytuacja pogodowa uległa znacznemu pogorszeniu, zwiększyło się za-chmurzenie (UVI na poziomie 0) i wystąpiła mżawka, która w znacznym stopniu przyczyniła się do obniżenia liczebności mikroorganizmów w powietrzu atmosferycz-nym.
Badania przeprowadzone w Japonii miały na celu porównanie wrażliwości bioae-rozoli na promieniowanie UV w zależności od ich pochodzenia. Wyniki eksperymentu wykazały, że aerozol biologiczny zawarty w chmurze azjatyckiego pyłu pustynnego (KOSA) jest znacznie bardziej odporny na sterylizujące właściwości promieniowania ultrafioletowego w porównaniu do lokalnego bioaerozolu pochodzenia glebowego. Wyjaśnieniem tego zjawiska może być fakt przenoszenia bioaerozolu w pyle pustyn-nym w formie przetrwalników [8]. Badania laboratoryjne dotyczące wpływu promie-niowania UV na efektywność sterylizacji wskazują na wysoką przydatność tej techni-ki, jednak wykazano również, że bakterie przetrwalnikujące wykazują oporność na
działanie tego typu promieniowania [11, 18]. Postuluje się także, aby stosować hybry-dowe metody sterylizacji, łączące technikę naświetlania promieniami UV ze steryliza-cją termiczną. Autorzy stwierdzili wysoką wydajność tej metody, wskazując dodatko-we zalety w postaci zmniejszenia zapotrzebowania energetycznego w stosunku do stosowania tych metod osobno, jak również znaczne obniżenie wytwarzania ozonu, w wyniku krótkotrwałego naświetlania próbek światłem UV [5].
Istotnym staje się dalsze prowadzenie badań nad wpływem promieniowania sło-necznego na zmianę poziomów stężeń bioaerozoli biologicznych, dla poznania ilo-ściowej skuteczności przy wyeliminowaniu wpływu pozostałych czynników meteoro-logicznych.
4. WNIOSKI
Wyniki przeprowadzonych badań wskazują, iż promieniowanie słoneczne ma istotny wpływ na otrzymywane poziomy stężeń bioaerozoli bakteryjnych (istotność na poziomie p=0,02). W dniach o niskim nasłonecznieniu (niski indeks UV, <3) notowa-no wyższe stężenia aerozolu bakteryjnego niż w dni o dużym nasłonecznieniu (UVI 4-5). Promieniowanie słoneczne ma także wpływ na poziomy stężeń aerozolu grzybo-wego, jednak różnice nie są tak wyraźne (istotność p=0,4). Może być to związane z wyższą odpornością grzybów na promieniowanie UV.
Praca została wykonana w ramach grantu BKM/510/RIE-2/2015 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
LITERATURA
[1] BRĄGOSZEWSKA E., Aerozol bakteryjny w powietrzu atmosferycznym Gliwic i jego udział
w całkowitym narażeniu ludzi na bakterie wchłaniane drogą inhalacyjną, Rozprawa Doktorska, Poli-technika Śląska, 2014.
[2] DI GIULIO M., GRANDE R., DI CAMPLI E., DI BARTOLOMEO S., CELLINI L., Indoor air
quality in university environments, Environmental Monitoring Assessment, 2010, Vol. 170, No. 1–4, 509–517.
[3] DOUWES J., Bioaerosol Health Effects and Exposure Assessment: Progress and Prospects, The Annals of Occupational Hygiene, 2003, Vol. 47, No. 3, 187–200.
[4] HAAS D., UNTEREGGER M., HABIB J., GALLER H., MARTH E., REINTHALER F. F.,
Expo-sure to bioaerosol from sewage systems, Water, Air and Soil Pollution., 2010, Vol. 207, No. 1–4, 49–56.
Michał Kowalski, Józef S. Pastuszka 170
[5] HWANG G. B., JUNG J. H., JEONG T. G., LEE B. U., Effect of hybrid UV-thermal energy stimuli
on inactivation of S. epidermidis and B. subtilis bacterial bioaerosols, Science of the Total Envi-ronment, 2010, Vol. 408, No. 23, 5903–5909.
[6] IMGW, http://www.imgw.pl/index.php?option=com_content&view=article&id=146&Itemid=179. (dostęp: 28-Mar-2016).
[7] INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION, International Lighting Vocabulary, Vienna, 1987.
[8] KOBAYASHI F., MAKI T., KAKIKAWA M., YAMADA M., PUSPITASARI F., IWASAKA Y.,
Bioprocess of Kosa bioaerosols: effect of ultraviolet radiation on airborne bacteria within Kosa (Asian dust), Journal of Bioscience and Bioengineering, 2015, Vol. 119, No. 5, 570–579.
[9] KOŁWZAN B., ADAMIAK W., GRABAS K., PAWEŁCZYK A., Podstawy mikrobiologii
w ochronie środowiska, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2006.
[10] NEVALAINEN A., WILLEKE K., LIEBHABER F., PASTUSZKA J. S., BURGE H., HENNINGSON E., Bioaerosol sampling.[w:] Aerosol Measurement: Principles, Techniques and Applications Van Nostrand Reinhold, New York 1993.
[11] NICHOLSON W. L., SCHUERGER A. C., SETLOW P., The solar UV environment and bacterial
spore UV resistance: considerations for Earth-to-Mars transport by natural processes and human spaceflight, Mutation Research, 2005, Vol. 571, No. 1–2, 249–264.
[12] PASTUSZKA J. S., Narażenie na aerozole ziarniste, włókniste i biologiczne (bakterie i grzyby
mikroskopijne) populacji generalnej Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001.
[13] PECCIA J. L., WERTH H. M., HERNANDEZ M. T., Effects of relative humidity on the UV-induced
inactivation of bacterial bioaerosols, Journal of Aerosol Science, 2000, Vol. 31, 959–960.
[14] TAHA M. P. M., POLLARD S. J. T., SARKAR U., LONGHURST P., Estimating fugitive
bioaero-sol releases from static compost windrows: Feasibility of a portable wind tunnel approach, Waste Management, 2005, Vol. 25, No. 4 SPEC. ISS., 445–450.
[15] THORN J., KEREKES E., Health effects among employees in sewage treatment plants: A literature
survey, American Journal of Industrial Medicine, 2001, Vol. 40, No. 2, 170–179.
[16] UK LEE B., LEE G., JOON HEO K., Concentration of culturable bioaerosols during winter, Jour-nal of Aerosol Science, 2016, Vol. 94, 1–8.
[17] WEI K., ZOU Z., ZHENG Y., LI J., SHEN F., WU C., WU Y., HU M., YAO M., Ambient
bioaero-sol particle dynamics observed during haze and sunny days in Beijing, Science of the Total Envi-ronment, 2016, Vol. 550, 751–759.
[18] ZHANG Q., DAMIT B., WELCH J., PARK H., WU C.-Y., SIGMUND W., Microwave assisted
nanofibrous air filtration for disinfection of bioaerosols, Journal of Aerosol Science, 2010, Vol. 41, No. 9, 880–888.
THE INFLUENCE OF SOLAR RADIATION ON BACTERIAL AND FUNGAL BIOAEROSOL IN AMBIENT AIR
Bioaerosols are specific kind of atmospheric pollutants. Concentration level of airborne microorgan-isms is strongly affected with a variety of meteorological factors. Among them, of particular importance are: temperature, humidity as well precipitation, wind speed or solar radiation. While the influence of first four mentioned above parameters on concentration of bioaerosols is already fairly understood and de-scribed, there is still no quantitative assessment of the impact of solar radiation on the concentration of viable bacterial and fungal particles in the atmosphere.
In this paper the results of first stage of study are presented. The aim of this experiment was to deter-mine the impact of solar radiation on the survival rate of bacterial and fungal aerosol in the atmospheric
environment, in urban area. First measurement series were performed in period April-December 2015, on the campus of Silesian University of Technology in Gliwice, Silesian voivodship, Poland.
Sampling of bacterial and fungal aerosols was conducted using six-stage cascade Andersen type im-pactor, using Petri dishes wits specific grow media, for culturing collected bacteria and fungi. Simultane-ously, the meteorological parameters (temperature, relative humidity, wind speed and direction, precipita-tion and solar radiaprecipita-tion, expressed as an UV index) were measured. The statistical analysis were performed using Statistica 12 utility. Due to skewness of the variables describing concentration levels of bioaerosols, the use of non-parametric statistical tests was required. Kruskal-Wallis ANOVA test for the evaluation of differentiation of concentration levels regarding to UV radiation was used. As the statistical significance criterion assumed level α<0.05.
Obtained results shown that median concentration of microorganisms were at level 1100 CFU/m3 (IQR=3125) for fungi and 320 CFU/m3 (IQR=290) for bacteria. Initially, analyzes were performed for the entire experimental period, but due to wide variety of meteorological conditions during seasons, to assess the impact of solar radiation on decreasing bioaerosols concentration selected summer season. In this case, the synoptic situation was relatively stable, so the disturbing factor regarding other parameters was not so relevant. It was found that the highest concentration of bacteria was during days with low values of UV index (UVI 0-2). In addition, this difference was statistically significant (H=13.05; p=0.02). In case of airborne fungi the influence of solar radiation was not as evident, as the difference was not significant (H=4.65; p=0.4).
oczyszczanie gazów, odsiarczanie spalin, transport morski
Andrzej KRUPA*, Anatol JAWOREK*, Andrzej MARCHEWICZ*, Arkadiusz T. SOBCZYK*, Tadeusz CZECH*, Teresa ANTES**, Łukasz ŚLIWIŃSKI**, Mirosław KURZ**, Michał SZUDYGA**, Andrzej OTTAWA**