バイオエアロゾル

バイオエアロゾル（生物学的エアロゾルの略）は、陸上および海洋生態系から大気中に放出される粒子のサブカテゴリです。バイオエアロゾルは、真菌、花粉、細菌、ウイルスなどの生物と無生物の両方の成分で構成されています。^[1]バイオエアロゾルの一般的な発生源には、土壌、水、下水などがあります。

バイオエアロゾルは、通常、表面上の風の乱流によって空気中に放出されます。大気中に入ると、局所的または地球全体に輸送されます。共通の風のパターン/強さは局所的な拡散の原因であり、熱帯暴風雨や砂塵の煙はバイオエアロゾルを大陸間で移動させます。^[2]海面上では、バイオエアロゾルは海水のしぶきや泡によって生成されます。

バイオエアロゾルは、微生物病原体、エンドトキシン、および人間が敏感なアレルゲンを伝染させる可能性があります。よく知られている例としては、サハラ以南のアフリカで発生した髄膜炎菌性髄膜炎の発生があり、これは乾季の砂嵐に関連していました。その他の発生は、マイコプラズマ肺炎や結核など、砂塵現象に関連していました。^[2]

もう一つの例は、カリブ海地域での呼吸器疾患の増加で、これは大西洋を通過する塵雲によって運ばれた微量の重金属、微生物のバイオエアロゾル、農薬によって引き起こされた可能性がある。

チャールズ・ダーウィンは塵粒子の輸送を初めて観察した人物であるが^{[3] 、}ルイ・パスツールは空気中の微生物とその活動を初めて研究した人物である。パスツールの研究以前は、実験室培養によってさまざまなバイオエアロゾルを培養し、分離していた。

すべての微生物が培養できるわけではないため、DNAベースのツールが開発される前は多くの微生物が検出されませんでした。パスツールはバイオエアロゾルをサンプリングするための実験手順も開発し、低高度では微生物の活動が多く、高高度では減少することを示しました。^[2]

バイオエアロゾルには、真菌、細菌、ウイルス、花粉などが含まれます。これらの濃度は惑星境界層（PBL）で最大となり、高度とともに減少します。バイオエアロゾルの生存率は、気候条件、紫外線（UV）、温度、湿度、塵や雲内に存在する資源など、多くの生物的および非生物的要因に依存します。^[4]

海洋環境で見られるバイオエアロゾルは主に細菌で構成されていますが、陸上環境で見られるバイオエアロゾルは細菌、真菌、花粉が豊富です。^[5]特定の細菌の優位性とその栄養源は、時間と場所によって変化する可能性があります。^[2]

バイオエアロゾルの大きさは、10ナノメートルのウイルス粒子から100マイクロメートルの花粉粒までさまざまです。^[6]花粉粒は最も大きなバイオエアロゾルであり、その重さのために長期間空気中に浮遊し続ける可能性は低くなります。^[1]

その結果、花粉粒子の濃度は、上層圏で生存できる可能性のある細菌、真菌、おそらくウイルスなどのより小さなバイオエアロゾルよりも高度とともに急速に減少します。現在、さまざまなバイオエアロゾルの特定の高度耐性に関する研究はほとんどありません。しかし、科学者は、大気の乱流がさまざまなバイオエアロゾルが見つかる場所に影響を与えると考えています。^[5]

真菌細胞は通常、高高度の乾燥効果により大気中を移動すると死滅します。しかし、特に耐性のある真菌バイオエアロゾルの中には、厳しい紫外線条件にさらされても大気輸送中に生き残るものがあることがわかっています。^[7]真菌胞子のバイオエアロゾルレベルは湿度が高い条件で増加しますが、湿度が低い条件やほとんどの温度範囲でも活動する可能性があります。特定の真菌バイオエアロゾルは、比較的低い湿度レベルでも増加します。^{[引用が必要]}

他のバイオエアロゾルとは異なり、細菌は大気中で数日または数週間生存する間に完全な生殖周期を完了することができるため、大気生物群の生態系の主要な構成要素となっている。これらの生殖周期は、細菌バイオエアロゾルが大気生態系で群集を形成するという、現在証明されていない理論を裏付けている。^[2]細菌の生存は、細菌に栄養と紫外線からの保護を提供する霧や雲からの水滴に依存している。^[5]世界中の大気微生物環境に豊富に存在する4つの既知の細菌群は、バシロタ、放線菌、シュードモナス、バクテロイデス門である。^[8]

空気はウイルスやその他の病原体を運びます。ウイルスは他のバイオエアロゾルよりも小さいため、より遠くまで移動する可能性があります。あるシミュレーションでは、ウイルスと真菌の胞子が建物の上から同時に放出されましたが、胞子はわずか150メートルしか移動しませんでしたが、ウイルスは水平方向に約20万キロメートル移動しました。^[5]

ある研究では、 SARS-CoV-1とSARS-CoV-2を含むエアロゾル（<5μm）が噴霧器によって生成され、ゴールドバーグドラムに供給されてエアロゾル環境が作られました。接種物では、人間の上気道と下気道のサンプルで観察されたものと同様の20〜22のサイクル閾値が得られました。SARS-CoV-2はエアロゾル中で3時間生存し、SARS-CoV-1と同様に感染力が低下しました。エアロゾル中の両ウイルスの半減期は平均1.1〜1.2時間でした。結果は、両ウイルスが浮遊エアロゾル中で数時間、表面上で最大数日間生存し感染性を維持できるため、エアロゾルによる両ウイルスの伝染は妥当であることを示唆しています。^[9]

他のバイオエアロゾルよりも大きく重いにもかかわらず、いくつかの研究では花粉は数千キロメートルも運ばれることが示されています。^[5]花粉は風で拡散するアレルゲンの主な発生源であり、特に季節的に草や木から放出されます。^[1]花粉の距離、輸送、資源、陸上および海洋環境への沈着を追跡することは、花粉記録の解釈に役立ちます。^[1]

バイオエアロゾルを収集するために使用される主なツールは、収集プレート、静電コレクター、質量分析計、およびインパクターであり、他の方法も使用されますが、より実験的な性質を持っています。^[8]ポリカーボネート（PC）フィルターは、他のPCフィルターオプションと比較して、最も正確な細菌サンプリングに成功しています。^[10]

特定のサイズ範囲内のバイオエアロゾルを収集するには、インパクターを積み重ねて粒子状物質 (PM) の変動を捕捉します。たとえば、PM ₁₀フィルターは、より小さなサイズを通過させます。これは、人間の髪の毛のサイズに似ています。粒子は、インパクターのベースにあるスライド、寒天プレート、またはテープ上に堆積されます。ハースト胞子トラップは、10 リットル/分 (LPM) でサンプルを採取し、常に風の流れの方向にサンプルを採取するための風向計を備えています。収集された粒子は、石油でグリースを塗った垂直のガラススライドに衝突します。

7日間記録可能な容積式胞子トラップなどのバリエーションは、ゆっくりと回転するドラムを使用して、コーティングされたプラスチックテープに付着した物質を堆積させ、連続的にサンプリングするように設計されています。^[11]空中細菌サンプラーは最大700 LPMの速度でサンプリングできるため、短時間で大量のサンプルを収集できます。生物学的物質は付着して寒天を敷いたペトリ皿に堆積し、培養が行われます。^[12]

収集方法におけるシングルステージインパクターと同様に、カスケードインパクターには複数のサイズのカット（PM ₁₀、PM _2.5）があり、バイオエアロゾルをサイズに応じて分離することができます。空気力学的直径によって生物学的物質を分離することは、サイズ範囲が特定の種類の生物によって支配されているため有用です（細菌は1〜20マイクロメートルの範囲で存在し、花粉は10〜100マイクロメートルの範囲で存在します）。アンダーセンのカスケードインパクターシリーズは、空気粒子の検査に最も広く使用されています。^[13]

サイクロンサンプラーは円形のチャンバーから成り、エアロゾル流は1つ以上の接線ノズルから流入する。インパクターと同様に、サイクロンサンプラーは粒子の慣性を利用して、チャンバー内で気流が曲がるときに粒子をサンプラーの壁に堆積させる。また、インパクターと同様に、収集効率は流量に依存する。サイクロンはインパクターよりも粒子の跳ね返りが少なく、大量の物質を収集できる。また、インパクターよりも穏やかな収集が可能で、生存可能な微生物の回収率を向上させることができる。ただし、サイクロンはインパクターよりも収集効率曲線が緩やかになる傾向があり、サイクロンサンプラーのカスケードに比べてコンパクトなカスケードインパクターの設計が簡単である。^[14]

グリースを塗った基質や寒天プレートに集める代わりに、バイオエアロゾルを脱イオン水やリン酸緩衝液などの液体に衝突させるインピンジャーが開発されました。インピンジャーの収集効率は、Ehrlich ら (1966) によって、同様の単段インパクター設計よりも一般的に高いことが示されています。市販のインピンジャーには、AGI-30 (Ace Glass Inc.) や Biosampler (SKC, Inc.) などがあります。

静電集塵機（ESP）は、粒子除去効率が非常に高く、衝突法に比べてサンプリング方法が穏やかなことから、バイオエアロゾルのサンプリングに最近新たな関心が集まっています^[15]。ESPは、2つの電極間の不均一な静電場と高い電界強度を利用して、空気流から入ってくるエアロゾル粒子を帯電させて除去します。これにより、コロナ放電という高密度イオン領域が生成され、入ってくるエアロゾル液滴が帯電し、電界によって帯電粒子が収集面に付着します。

生物学的粒子は通常、液体ベースのアッセイ（PCR、免疫アッセイ、生存率アッセイ）を使用して分析されるため、下流の分析のために液体に直接サンプリングすることが望ましい。たとえば、Pardonら^{[16]は、エアロゾルを}マイクロ流体の空気-液体界面までサンプリングし、Ladhaniら^{[17]は、空気中の}インフルエンザを小さな液滴までサンプリングすることを示しています。少量の液体の使用は、サンプルの希釈を最小限に抑えるのに理想的であり、迅速なポイントオブケア分析のためのラボオンチップ技術と組み合わせることができる可能性があります。

フィルターは、そのシンプルさと低コストのため、バイオエアロゾルの収集によく使用されます。フィルター収集は軽量で目立たないため、個人によるバイオエアロゾルのサンプリングに特に便利です。フィルターの前にサイクロンやインパクターなどのサイズ選択式入口を設置して、大きな粒子を除去し、バイオエアロゾル粒子のサイズ分類を行うことができます。^[14]エアロゾルフィルターは、「細孔サイズ」または「等価細孔直径」という用語で説明されることがよくあります。フィルターの細孔サイズは、フィルターによって収集される最小粒子サイズを示すものではないことに注意してください。実際、エアロゾルフィルターは一般に、公称細孔サイズよりもはるかに小さな粒子を収集します。^[18]

バイオエアロゾルは、通常、地表上の風の乱流によって大気中に放出されます。空中に放出されると、通常は惑星境界層（PBL）に留まりますが、場合によっては上部対流圏や成層圏に達します。^[19]大気中に入ると、局所的または地球全体に輸送される可能性があります。共通の風のパターン/強さが局所的な拡散の原因となり、熱帯暴風雨や砂塵の煙が大陸間でバイオエアロゾルを移動させる可能性があります。^[2]海面上では、バイオエアロゾルは海水のしぶきや泡によって生成されます。^[5]

バイオエアロゾルに関する知識は、微生物や、空気感染病原体を含む微生物の区別についての理解を深めてきました。1970年代には、氷核細菌が特定され、大気物理学と微生物学において画期的な進歩が起こりました。^[20]

バイオエアロゾルの濃度が最も高いのは、PBL の地表付近です。ここでは風の乱れによって垂直混合が起こり、地表の粒子が大気中に放出されます。大気中に放出されたバイオエアロゾルは雲を形成し、他の地理的な場所に吹き飛ばされて雨、雹、雪として降り注ぎます。^[2]雨が降っている間や降雨後には、熱帯雨林でバイオエアロゾルのレベルが上昇することが観察されています。海洋環境の細菌や植物プランクトンが雲の形成に関係していることがわかっています。^[1]

しかし、同じ理由で、バイオエアロゾルは雲によって最終的に沈殿するため、PBL 内では長距離輸送できません。さらに、バイオエアロゾルを対流圏に注入するには、PBL の上限で追加の乱流または対流が必要であり、対流圏の流れの一部としてバイオエアロゾルが長距離輸送される可能性があります。これにより、これらの高度でのバイオエアロゾルの濃度が制限されます。^[1]

雲粒、氷晶、降水はバイオエアロゾルを核として利用し、水や結晶がその表面に形成または保持されます。これらの相互作用は、空気粒子が世界中の水循環、気象条件、風化を変化させる可能性があることを示しています。これらの変化は、気候変動によって拡大する砂漠化などの影響につながる可能性があります。バイオエアロゾルは、清浄な空気とスモッグが出会うときにも混ざり合い、視界や空気の質を変化させます。

衛星画像によると、オーストラリア、アフリカ、アジアの砂漠の嵐は塵の柱を作り出し、塵を地表から5キロメートル以上の高度まで運ぶことができる。このメカニズムにより、塵は数千キロメートル離れた場所まで運ばれ、大陸間を移動することさえある。複数の研究が、バイオエアロゾルが塵とともに運ばれるという理論を支持している。^{[21] [22]}ある研究では、特定の砂漠の塵に存在する空気中の細菌の一種が、風下1,000キロメートルの地点で発見されたと結論づけている。^[2]

塵埃中のバイオエアロゾルの地球規模の経路としては、次のようなものが考えられます。

• 北アフリカ上空の嵐が砂塵を巻き上げ、それが大西洋を越えてアメリカ大陸、あるいは北のヨーロッパまで吹き飛ばされることがあります。大西洋を横断する輸送の場合、砂塵の行き先は季節によって変化します。夏は北アメリカ、冬は南アメリカです。
• ゴビ砂漠とタクラマカン砂漠の砂塵は、主に北半球の春に北米に運ばれます。
• オーストラリアからの塵は太平洋に運ばれ、ニュージーランドに堆積する可能性がある。^[22]

バイオエアロゾルの輸送と分布は、世界中で一定ではありません。バイオエアロゾルは沈着するまでに数千キロメートルを移動することもありますが、最終的な移動距離と方向は気象、物理、化学要因に依存します。これらの粒子の拡散を研究する生物学の分野は、航空生物学と呼ばれています。ある研究では、観測測定から米国の空中細菌/真菌マップを作成し、これらのバイオエアロゾルのコミュニティプロファイルは、土壌pH、平均年間降水量、純一次生産性、平均年間気温などの要因に関連付けられました。^[23]

バイオエアロゾルは、大気、陸上、海洋の生態系に限らず、地球上のさまざまな 生物地球化学システムに影響を与えます。これらの関係は長年続いているにもかかわらず、バイオエアロゾルの話題はあまりよく知られていません。 ^{[24] [25]}バイオエアロゾルは、アレルギー、障害、病気を通じて生物の健康に影響を与えるなど、さまざまな方法で生物に影響を与える可能性があります。さらに、花粉と胞子のバイオエアロゾルの分布は、複数の生息地にわたる生物の遺伝的多様性に貢献しています。^[1]

さまざまなバイオエアロゾルが雲凝結核や雲氷核に寄与する可能性があり、バイオエアロゾルの成分としては、生細胞や死細胞、細胞片、菌糸、花粉、胞子などが考えられます。^[1]雲の形成と降水は、生態系が結びついている多くの水循環の重要な特徴です。さらに、地球全体の雲量は、全体的な放射収支、ひいては地球の気温の重要な要因です。

バイオエアロゾルは、大気中の雲凝結核全体のごく一部（0.001% ～ 0.01%）を占めるため、その地球規模での影響（つまり、放射予算）は疑問視されています。ただし、バイオエアロゾルが特定の地域の雲のかなりの部分を形成する可能性がある特定のケースがあります。これには以下が含まれます。

• 一部のバクテリアが、より高温でも氷の核を形成できるタンパク質を発達させたため、気温が -15 °C を超えると雲が形成される領域。
• 植物が生い茂る地域の上空、または人為的活動による空気の影響が少ない遠隔地の地域。
• 南極海のような遠隔海洋地域の地表付近の空気では、大陸から運ばれてきた塵よりも海水の飛沫の方が多く見られる可能性がある。^[1]

バイオエアロゾル粒子が表面に集まることを沈着と呼びます。大気中からこれらの粒子が除去されると、空気の質や呼吸器系に関して人間の健康に影響を及ぼします。^[1]

スペイン北東部の中央ピレネー山脈にあるアルプスの湖は人為的要因の影響を受けず、これらの貧栄養湖は堆積物の流入と環境変化の理想的な指標となっている。溶解した有機物と塵埃輸送による栄養素は、栄養分の少ない水の中で細菌の成長と生産を助ける可能性がある。ある研究で収集されたサンプルでは、​​多種多様な空中微生物が検出され、検出時にサハラ砂漠の砂嵐が発生していたにもかかわらず、モーリシャスの土壌と強い類似性があった。^[26]

海洋環境ではバイオエアロゾルの種類とサイズが異なり、主に浸透圧や表面張力の変化によって引き起こされる湿性排出によって発生します。海洋起源のバイオエアロゾルの中には、風によって運ばれる真菌胞子の乾性排出物であるものもあります。^[1]

海洋生物への影響の一例として、1983年にカリブ海のウニとウニが大量死したことが挙げられますが、これはアフリカで発生した砂嵐と相関関係がありました。この相関関係は微生物学者と全オゾンマッピング分光計の研究によって判明し、大西洋上を漂う砂塵雲の中に細菌、ウイルス、真菌のバイオエアロゾルが特定されました。^[27]同様の事例は1997年に発生し、エルニーニョがアフリカからバルバドスにかけての季節的な貿易風パターンに影響を与え、同様の大量死を引き起こした可能性があります。このような事例をモデル化することで、将来の出来事をより正確に予測することができます。^[28]

塵埃中の細菌のエアロゾル化は、細菌性病原体の輸送に大きく寄与します。バイオエアロゾルによる病気の発生のよく知られた事例は、サハラ以南のアフリカで発生した髄膜炎菌性髄膜炎で、これは乾季の砂塵嵐に関連していました。

その他の流行は、マイコプラズマ肺炎や結核などの粉塵現象に関連していると報告されている。^[2]バイオエアロゾルによる健康問題のもう一つの例は、カリブ海地域の住民の呼吸器疾患の増加であり、これは大西洋を通過する粉塵雲によって運ばれた微量の重金属、微生物バイオエアロゾル、および農薬によって引き起こされた可能性がある。^{[27] [29]}

バイオエアロゾルの一般的な発生源には、土壌、水、下水などがあります。バイオエアロゾルは、微生物病原体、エンドトキシン、アレルゲンを伝染させる可能性があり^[30]、エンドトキシンと外毒素の両方を排泄する可能性があります。外毒素は空気中を運ばれ、人間が敏感な病原体を拡散させるため、特に危険です。シアノバクテリアは病原体の分布が特に広く、陸上環境と水生環境の両方に豊富に存在します。^[1]

バイオエアロゾルが気候変動に及ぼす潜在的な役割は、豊富な研究機会を提供します。具体的な研究分野としては、さまざまな生態系に対するバイオエアロゾルの影響の監視や、気象データを使用した生態系の変化の予測などがあります。^{[5]大気サンプルの収集、バイオエアロゾルからの}DNA抽出、PCR増幅などの方法を通じて、地球規模の相互作用を判定することができます。^[21]

より効率的なモデリングシステムを開発することで、人間の病気の蔓延が減り、経済的および生態学的要因に利益をもたらすでしょう。^{[2]現在、この目的のために、大気拡散モデリングシステム（} ADMS 3 ）と呼ばれる大気モデリングツールが使用されています。ADMS 3は、計算流体力学（CFD）を使用して潜在的な問題領域を特定し、発生を追跡して有害なバイオエアロゾル病原体の拡散を最小限に抑えます。^[2]

農業生態系には、バイオエアロゾルに関するさまざまな将来の研究の道が潜在的に存在します。劣化した土壌を特定することで、植物や動物の病原体の発生源を特定できる可能性があります。

• マイコトキシン
• 室内空気質
• 屋内バイオエアロゾル
• カビの増殖、評価、修復
• カビによる健康問題
• シックハウス症候群

• 航空微生物学、MicrobeWiki
• バイオエアロゾルとOSH、OSHWIKI
• ラトガース大学プロジェクト
• バイオエアロゾルのサンプリングと特性評価、NIOSH分析法マニュアル
• ダニング、ブライアン(2015 年 11 月 24 日)。「Skeptoid #494: 黒カビ: 危険か平凡か?」。Skeptoid。