Опубликовано : Окт 26, 2019

Твердые частицы от авиационных двигателей влияют на дыхательные пути

Твердые частицы от авиационных двигателей влияют на дыхательные пути
                Крупный план турбинного двигателя на испытательном стенде с установленным пробоотборником аэрозоля (справа). Кредит: Университет Берна/SR Technics Switzerland AG

В уникальном инновационном эксперименте исследователи под руководством Бернского университета изучили влияние частиц выхлопных газов авиационных турбинных двигателей на клетки легких человека. Клетки наиболее сильно реагировали на частицы, выбрасываемые во время холостого хода. Также было показано, что цитотоксический эффект лишь в некоторой степени сопоставим с таковым для частиц бензиновых и дизельных двигателей.
                                                                                       

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), семь миллионов человек во всем мире умирают в результате загрязнения воздуха каждый год. 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 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.

Первичные твердые частицы, то есть те, которые выбрасываются непосредственно из источника, оказывают наиболее сильное воздействие на людей, находящихся в непосредственной близости от него. Однако токсичность твердых частиц от авиационных турбинных двигателей все еще широко не исследована. Теперь многопрофильная команда под руководством исследователя легких Марианны Гейзер из Института анатомии при Бернском университете вместе с коллегами из Empa Dübendorf и Университета прикладных наук и искусств Северо-западной Швейцарии (FHNW) показали, что первичные частицы сажи из керосина сгорание в авиационных турбинных двигателях также вызывает непосредственное повреждение клеток легких и может вызвать воспалительную реакцию, если твердые частицы — как моделировалось в эксперименте — вдыхаться в непосредственной близости от двигателя. Исследователи впервые продемонстрировали, что повреждающие эффекты также зависят от условий работы турбинного двигателя, состава топлива и структуры генерируемых частиц. Настоящее исследование было опубликовано в журнале Nature Communications Biology.

Чрезвычайно мелкие частицы в наноразмерном диапазоне

Частицы, испускаемые из авиационных турбинных двигателей, обычно являются сверхтонкими, то есть меньше, чем 100 нм. Для сравнения, человеческий волос имеет диаметр около 80000 нм. При вдыхании эти наночастицы, как и другие источники горения, эффективно оседают в дыхательных путях. У здоровых людей хорошо развитые защитные механизмы в легких обычно заботятся о том, чтобы сделать осажденные частицы неэффективными и как можно быстрее удалить их 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 известный исследователям из более ранних экспериментов с выбросами частиц из бензиновых и дизельных двигателей, теперь также наблюдается для выбросов частиц из авиационных двигателей.

Уникальная междисциплинарная экспериментальная установка

В инновационных комбинированных экспериментах исследователи исследовали токсичность частиц из выхлопных газов турбовентиляторного двигателя CFM56-7B, который является наиболее часто используемым авиационным турбинным двигателем в мире. 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 («гидрогенизированные сложные эфиры и жирные кислоты») из старого масла для жарки, животных жиров, водорослей и растительных масел.

Камера аэрозольного осаждения, разработанная специально для исследования токсичности вдыхаемых наночастиц in vitro и построенная в FHNW, позволила реалистичным образом 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 людьми-испытуемыми 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», — говорит Бенджамин Брем, исследователь аэрозолей авиационных турбинных двигателей в Empa, в настоящее время в Институте Пола Шеррера.

Токсичность зависит от условий работы турбин и типа топлива.

Клетки подвергались воздействию аэрозоля в течение 60 минут. В течение этого времени 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 воздуха). ).

Были выявлены доказательства увеличения повреждения клеточной мембраны и окислительного стресса в клеточных культурах. Окислительный стресс ускоряет старение клеток и может стать причиной возникновения 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 зарегистрированы для обычного топлива на холостом ходу и для биотоплива в режиме набора высоты. Эти результаты были удивительными. Реакции элементов в испытаниях с обычным керосиновым топливом при полной тяге двигателя, в частности, сопоставимой с взлетом и набором высоты, были слабее, чем ожидалось. «Эти результаты могут быть частично объяснены очень маленькими размерами и структурой этих частиц», — говорит Анти Лиати, специалист по наноструктуре аэрозолей горения в Empa. Кроме 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», — объясняет Марианна Гейзер.

В целом, по мнению исследователей, было продемонстрировано, что повреждающий клетки эффект, вызванный воздействием частиц, образующихся при сгорании 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, использованные в нашем исследовании, междисциплинарный подход и полученные результаты, представляют собой еще один важный шаг в исследовании загрязнителей воздуха и их воздействия на здоровье человека», — говорит Гейзер.

Аэрозоли: решающее значение имеет расстояние от источника

Аэрозоли — это самые мелкие твердые или жидкие вещества, взвешенные 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 (руление или взлет самолета). выкл). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, насколько сильным будет воздействие на большем расстоянии от авиационного двигателя. .

Экологические меры уже выполнены — особое обязательство Швейцарии

С тех пор, как швейцарский «План действий по твердым частицам» был представлен в 2006 году, Федеральное ведомство гражданской авиации (BAZL) на основе принципа предосторожности выступало за введение сертификации твердых частиц для авиационных двигателей и предельных значений выбросов твердых частиц. в Международной организации гражданской авиации (ИКАО). BAZL создал измерительную инфраструктуру и создал фундамент для исследований в SR Technics специально для этой цели. Он оказывает поддержку исследованиям на высшем уровне в этой области, которые значительно улучшили научное понимание авиационной эмиссии и технологии измерения эмиссии благодаря «Специальному финансированию гражданской авиации» с 2012 года. Исследование привело к появлению первого глобального стандарта на твердые частицы для измерения частиц. Масса и количество в 2016 году. В феврале 2019 года комитет ИКАО по окружающей среде, в котором были представлены все основные страны-производители, согласовал рекомендацию в отношении ограничений, которые должны применяться к новым типам двигателей, начиная с 01.01.2023. Результаты настоящего исследования способствовали установлению этих глобальных ограничений. Пока что авиация является единственным сектором, в котором введены глобальные ограничения на выбросы ультрадисперсных твердых частиц.

Spread the love

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *