Твердые частицы от авиационных двигателей поражают дыхательные пути

Уже около 20 лет исследования показывают, что переносимые по воздуху твердые частицы негативно влияют на здоровье человека. Теперь, в дополнение к уже исследованным источникам частиц, таким как выбросы от систем отопления, промышленности и дорожного движения, выбросы частиц от авиационных турбинных двигателей, в связи с увеличением воздушного движения, также становятся более важными. В результате научные исследования твердых частиц из воздушного движения важны для разработки экологических стандартов в авиационном секторе. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Communications Biology.

Актуальность проблемы

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), семь миллионов человек во всем мире умирают в результате загрязнения воздуха каждый год. Первичные твердые частицы, то есть те, которые испускаются непосредственно из источника, оказывают сильнейшее воздействие на людей. Однако токсичность твердых частиц от авиационных турбинных двигателей до сих пор широко не исследована. 

Автор исследования Марианне Гейзер (Marianne Geiser) из Института анатомии при Бернском университете (Institute of Anatomy at the University of Bern) с соавторами обнаружили, что первичные частицы сажи от керосина при сгорании в авиационных турбинных двигателях также вызывают непосредственное повреждение клеток легких и могут вызвать воспалительную реакцию, если твердые частицы — как моделировалось в эксперименте — вдыхаются в непосредственной близости от двигателя. Исследователи впервые продемонстрировали, что повреждающие эффекты также зависят от условий работы турбинного двигателя, состава топлива и структуры генерируемых частиц.

Частицы, испускаемые из авиационных турбинных двигателей, как правило, ультрадисперсные, то есть менее 100 нм. Для сравнения, человеческий волос имеет диаметр около 80000 нм. При вдыхании эти наночастицы, как и другие источники горения, оседают в дыхательных путях. У здоровых людей хорошо развиты защитные механизмы в легких, которые обычно удаляют твердые частицы из легких. Однако, если вдыхаемые частицы способны преодолеть эти защитные механизмы из-за их структуры или физико-химических свойств, существует опасность непоправимого повреждения ткани легких. Этот процесс уже известен исследователям из более ранних экспериментов с выбросами частиц из бензиновых и дизельных двигателей.

Материалы и методы обследования

В инновационных комбинированных экспериментах ученые исследовали токсичность частиц из выхлопных газов турбовентиляторного двигателя CFM56-7B, который является наиболее распространенным в мире авиационным турбинным двигателем. Турбина работала в режиме набора высоты (имитируя взлет и подъем самолета) и на холостом ходу на испытательном стенде SR Technics в аэропорту Цюриха. В этих рамках исследователи смогли использовать стандартизированный во всем мире метод измерения, применяемый для экологической сертификации авиационных двигателей. Был также исследован состав топлива: двигатель турбины работал на обычном керосиновом топливе Jet A-1 или биотопливе. Последний состоит из керосинового топлива с 32% HEFA (гидрированные сложные эфиры и жирные кислоты).

Аэрозольная камера осаждения, разработанная специально для исследования токсичности вдыхаемых наночастиц in vitro позволила реалистично осаждать образующиеся твердые частицы на культурах клеток эпителия бронхов, которые выстилают внутреннюю поверхность бронхов. Таким образом, исследователи смогли нанести аэрозоль непосредственно на клетки легких человека, что было бы невозможно в эксперименте с респондентами по этическим причинам. Кроме того, частицы были проанализированы на предмет их физико-химических и структурных свойств, чтобы изучить возможные связи с эффектами частиц. 

«Это уникальный во всем мире эксперимент, сочетающий технологию измерения выбросов с медицинским анализом в реальных условиях», — объясняет Марианне  Гейзер.

Токсичность зависит от условий эксплуатации турбин и типа топлива

Клетки подвергали воздействию аэрозоля в течение 60 минут. В это время масса частиц составляла от 1,6 до 6,7 нг (миллиардные доли грамма) на квадратный сантиметр площади поверхности ячейки, когда турбина работала на холостом ходу, и от 310 до 430 нг, когда она находилась в режиме набора высоты. Это эквивалентно ежедневному поступлению в дыхательные пути слабо загрязненного сельского воздуха с 20 мкг (миллионных долей грамма) частиц на кубический метр воздуха до сильно загрязненного воздуха в большом городе (100-500 мкг частиц на кубический метр).

Результаты научной работы

Ученые обнаружили повреждение клеточной мембраны и окислительный стресс в культурах. Окислительный стресс ускоряет старение клеток и может стать причиной развития рака или заболеваний иммунной системы. Оказалось, что частицы вызывают различные степени повреждения в зависимости от уровня тяги турбины и типа топлива: самые высокие значения были выявлены у обычного топлива на холостом ходу и у биотоплива в режиме набора высоты. Эти результаты были удивительными. Реакции клетки в испытаниях с обычным керосиновым топливом при полной тяге двигателя — сравнимой с взлетом и набором высоты — в частности, были слабее, чем ожидалось. 

«Эти результаты могут быть частично объяснены очень маленькими размерами и структурой этих частиц», — объясняет Марианне Гейзер. 

Более того, клетки реагировали на воздействие биотоплива путем увеличения секреции воспалительных цитокинов, которые играют центральную роль в нашей иммунной системе. 

«Эта реакция снижает способность эпителиальных клеток дыхательных путей соответствующим образом реагировать на любые последующие вирусные или бактериальные инфекции», — утверждает Марианна Гейзер.

В целом, по словам исследователей, было продемонстрировано, что повреждающий клетки эффект, вызванный воздействием частиц, образующихся при сжигании бензина, дизельного и керосинового топлива, сопоставим для аналогичных доз и времени воздействия. Кроме того, аналогичная картина была обнаружена в секреции воспалительных цитокинов после воздействия частиц бензина и керосина.

«Современные методы измерения, используемые в нашем исследовании, междисциплинарный подход и полученные результаты — все это является еще одним важным шагом в исследовании загрязнителей воздуха и их воздействия на здоровье человека», — говорит Гейзер.

Выводы

Аэрозоли — это тончайшее твердое или жидкое вещество, взвешенное в воздухе. В процессах горения состав ультрадисперсных частиц сильно варьируется. Кроме того, аэрозоли нестабильны, и они модифицируются после их образования. Первичные ультрадисперсные твердые частицы имеют высокую скорость диффузии. В результате при высоких концентрациях такие частицы либо слипаются, либо присоединяются к другим частицам. Следовательно, влияние первичных ультрадисперсных частиц зависит от расстояния от источника, подразумевая, что существует различие в зависимости от того, находится ли человек близко к источнику (например, люди на обочине дороги) или на большем расстоянии. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, насколько сильным будет воздействие на большем расстоянии от авиационного двигателя. 

Авторы другого исследования утверждают, что загрязнение воздуха связано с увеличением уровня заболеваний почек.

Приглашаем подписаться на наш канал в Яндекс Дзен


 
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Руслан Хусаинов/ автор статьи
Должность - Главный редактор, автор статьей E-mail для связи - [email protected] Врач - ультразвуковой диагностики, детский травматолог-ортопед  г. Санкт-Петербург.
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: