當(dāng)我們反復(fù)強(qiáng)調(diào)野火帶來的 PM2.5 時,還有更多的健康隱患隱藏在煙霧中。
12 月的一個凌晨,杰西?梅里克(Jesse Merrick)終于打通了母親的電話,電話中的母親泣不成聲 ——2017 年,美國南加州的“托馬斯大火”(Thomas Fire)燒毀了一千多畝土地,他們的家也在這場大火中付之一炬。
梅里克很快回到了曾經(jīng)的家,他在燒成黑炭的地下室待了好幾天,試圖尋找任何可能殘存下來的東西。梅里克特意帶上了口罩和手套,但這些裝備沒能抵御潛伏著的危險。
三周后,當(dāng)梅里克飛回自己在阿拉巴馬州的住所準(zhǔn)備繼續(xù)工作時,他的身體卻仿佛出了什么問題。起初只是低燒、咳嗽、渾身酸痛和輕微的皮疹。但隨著病情惡化,他的關(guān)節(jié)周圍開始出現(xiàn)淤青,“就像是被人用球棒揍了一通”。他還患上了肺炎,連呼吸都會感到很痛。
很快,梅里克的初級保健醫(yī)生發(fā)現(xiàn),他的肺部長了一個直徑 6 厘米的腫塊。醫(yī)生決定進(jìn)行組織活檢和脊椎穿刺,來確定梅里克最擔(dān)心的那種可能性 —— 癌癥。但就在手術(shù)當(dāng)天的上午,一組傳染病專家來到了病房,他們給梅里克帶來了診斷結(jié)果。
真菌的威力
事實上,梅里克的肺部腫塊并不是什么腫瘤,而是一團(tuán)真菌球。
梅里克所患的這種病被稱為“山谷熱”(valley fever),是一種真菌 —— 球孢子菌(Coccidioides)感染人肺部引發(fā)的。醫(yī)生給他注射了氟康唑,一種抗真菌藥物,梅里克的身體狀況很快就好轉(zhuǎn)了。
山谷熱并不是什么罕見病。在美國西南部,每年都有至少上萬起山谷熱病例。在炎熱、干燥的氣候條件下,當(dāng)?shù)赝寥乐星蜴咦泳逆咦樱ㄕ婢纳臣?xì)胞)會大量擴(kuò)散到空氣中,再被人吸入肺部。但患者中的 60% 都沒有癥狀,或是只出現(xiàn)疲勞、咳嗽、發(fā)熱等輕微癥狀,很容易被誤以為感冒或流感。但如果感染持續(xù)惡化,甚至擴(kuò)散到肺部以外的其他部位,就很容易引發(fā)多器官衰竭,導(dǎo)致患者喪命。
隨著氣候變化,美國亞利桑那州和加利福尼亞州更加干燥炎熱,球孢子菌更容易擴(kuò)散。一項研究統(tǒng)計,從 2000 年至 2018 年,美國加利福尼亞州的病例增加了至少 8 倍。
但一些科學(xué)家懷疑,病例數(shù)的增長不止與氣候條件有關(guān),還與愈加頻繁的野火有關(guān)系。
野火的隱藏威脅
2019 年,美國加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的一個研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn),一些真菌感染病例似乎與野火相關(guān)。如果一個醫(yī)院周圍約 300 千米的范圍內(nèi)發(fā)生了野火,那么隨后幾個月內(nèi),山谷熱等真菌感染病例似乎會明顯增加。
現(xiàn)在,越來越多的科學(xué)家懷疑,除了我們熟悉的空氣污染顆粒物(PM2.5)之外,野火煙霧還攜帶著更多致病微生物。不止是球孢子菌等真菌,細(xì)菌、古菌甚至病毒,都可能會隨著野火煙霧升入空中,并傳播到更遠(yuǎn)的地方。
愛達(dá)荷大學(xué)的勒達(dá)?科布齊亞爾(Leda Kobziar)還由此建立了一個新興的學(xué)科 —— 火大氣生物學(xué)(pyroaerobiology)。他們的研究焦點,就是野火煙霧中的微生物。
人造雪到人造火
聽起來有點怪,但科布齊亞爾最初對火大氣生物學(xué)的研究靈感來自人造雪。
純凈水的凝固點接近零下 40℃,只有水中存在微小的懸浮顆粒時,水的凝固點才會接近 0℃。這些顆粒名為凝結(jié)核,是冰晶最中心的核。
目前最佳的凝結(jié)核之一,就是丁香假單胞菌(Pseudomonas syringae)產(chǎn)生的一種蛋白質(zhì)。大多數(shù)的造雪機(jī)都會向水中添加這種細(xì)菌蛋白,來確保細(xì)小的水滴能在接觸地面前凝固。
當(dāng)然,在開始造雪前,細(xì)菌就早已死去,但煙霧中的微生物或許還活著?!拔议_始以同樣的方式去理解煙霧,我想知道煙霧中是否存在活細(xì)菌。”科布齊亞爾開始思考,“一些野火會產(chǎn)生非常獨特的煙霧,這些細(xì)菌會不會是原因所在呢?”
隨后,科布齊亞爾和同事開展了一系列驗證實驗。她們從愛達(dá)荷州的森林中獲取了一些地面樣本,包括土壤和凋落物,再在實驗室中焚燒,果然從煙霧中發(fā)現(xiàn)了大量微生物的痕跡。
更有力的證據(jù)來自在佛羅里達(dá)州野火現(xiàn)場獲取的數(shù)據(jù)。這多虧了佛羅里達(dá)州的“控制焚燒”(prescribed burn)政策。在一些易發(fā)野火的地區(qū),政府相關(guān)部門會定期點火,引發(fā)一場小范圍、可控的“人工野火”,這被稱為“控制焚燒”??刂品贌粌H能清除地表的易燃物,還有助于一些樹種生長,可以有效降低野火風(fēng)險。
這樣的控制焚燒為研究團(tuán)隊提供了絕佳的機(jī)會,他們可以在控制焚燒前,采集當(dāng)?shù)氐目諝鈽颖?,作為對照。在山火點燃后,還可以在不同時間、不同位置連續(xù)取樣,從而獲取最直觀的數(shù)據(jù)。
火大氣生物學(xué)
實驗結(jié)果與她們的假設(shè)非常一致,煙霧中的確有微生物存活,數(shù)量還不少。即使在這種不太劇烈的“控制焚燒”中,煙霧中的平均微生物細(xì)胞數(shù)可以達(dá)到每立方米 67 000 個,大約是著火前空氣(每立方米 13 000 個)的 5 倍。而考慮到“控制焚燒”操作時控制了焚燒方式和規(guī)模,并且最小化了火災(zāi)產(chǎn)生的污染物,在一場真實的野火中,煙霧中微生物的數(shù)量很可能會更多。
同時,隨著采樣地點逐漸遠(yuǎn)離煙霧源,微生物的豐度也與煙霧中顆粒物的濃度呈正相關(guān) —— 這說明多出來的這些微生物很可能就是煙霧送來的。
科布齊亞爾推測,在熊熊燃燒的野火中,土壤和凋落物中的微生物大量釋放到了空氣中。而且即使在燃燒區(qū)外,野火也能引發(fā)大規(guī)模上升氣流,讓土壤中的真菌孢子被吸入羽流中,最終進(jìn)入煙霧。
與 PM2.5 一樣,煙霧中的這些微生物也會形成氣溶膠。一旦氣溶膠化,空氣動力學(xué)直徑小于 5 μm 的微生物就有可能隨著煙霧傳播數(shù)百千米,成為許多人注意不到的健康威脅。
考慮到火源附近煙霧中的微生物濃度更高,那些長期、近距離暴露于煙霧中的人群受到的影響可能更大,首當(dāng)其沖的就是位于滅火前線的消防員。目前,美國 CDC 已經(jīng)將消防員列入山谷熱的高危職業(yè)中。
不過值得一提的是,盡管一些數(shù)據(jù)顯示,美國西部地區(qū)的野火煙霧增加與真菌感染病例有關(guān),但目前依然沒有直接且確鑿的證據(jù)證明,野火煙霧會導(dǎo)致山谷熱等疾病的感染 —— 這些也正是科布齊亞爾迫切想要知道的。
2021 年,佛羅里達(dá)大學(xué)設(shè)立了一個火大氣生物學(xué)研究項目,包括科布齊亞爾在內(nèi)的許多研究者正在進(jìn)一步探索煙霧中的微生物組成,并試圖將過去的野火煙霧范圍與數(shù)字化醫(yī)療記錄疊加,來了解它可能帶來的風(fēng)險。
這將是第一個“火大氣生物學(xué)”領(lǐng)域的項目。兩個基本的問題等待著這些研究者回答:“這些微生物能存活多久”和“它們能傳播多遠(yuǎn)”。從這兩個問題出發(fā),研究團(tuán)隊將繼續(xù)了解它們會產(chǎn)生怎樣的影響,無論是對人類、對動植物,還是對更廣泛范圍內(nèi)的氣候。
參考資料:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe8116
https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ecs2.2507#ecs22507-bib-0009
https://www.nature.com/articles/s41396-020-00788-8
https://www.cdc.gov/niosh/topics/valleyfever/risk.html
https://www.wired.com/story/valley-fever-is-spreading-through-a-hotter-drier-western-us/
https://www.wired.com/story/wildfire-smoke-may-carry-deadly-fungi-long-distances/
https://www.popularmechanics.com/science/environment/a30246543/pyroaerobiology-smoke-signals-interview/
來源:科普中國-星空計劃(創(chuàng)作培育)
本文來自微信公眾號:環(huán)球科學(xué) (ID:huanqiukexue),撰文:二七,審校:Clefable
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