Obecne mierniki zanieczyszczeń nie uwzględniają najmniejszych zanieczyszczeń – nanocząstek. Ostatnie badania sugerują, że te maleńkie toksyczne substancje są główną przyczyną chorób i śmierci.
Po latach nagłówków na temat zanieczyszczenia powietrza, daliśmy się wprowadzić w błąd w kilku kwestiach dotyczących największego na świecie problemu ze zdrowiem środowiskowym. Na przykład, powiedziano nam, że „PM2,5” – cząsteczki zanieczyszczeń stałych o wielkości 2,5 mikrometra lub mniejszej – mogą przedostać się przez nasze płuca do krwiobiegu. Ale w rzeczywistości zdecydowana większość z nich nie może. Powiedziano nam również, że gazy NOx – w tym dwutlenek azotu – są największym zagrożeniem dla zdrowia w miastach. Jednak NOx jest odpowiedzialny za zaledwie 14% zgonów przypisywanych zanieczyszczeniu powietrza w Europie. Największy zabójca nigdy nie pojawia się na pierwszych stronach gazet, nie podlega regulacjom i rzadko się o nim mówi poza niszowymi kręgami naukowymi (pomimo ich największych wysiłków, by zmienić tę narrację): to nanocząsteczki.
PM2,5 może być zbyt mały, aby go zobaczyć, około 30 razy mniejszy niż szerokość ludzkiego włosa. Ale jest on stosunkowo ciężki. PM2,5 to około 2500 nanometrów (nm), podczas gdy nanocząstki mają 100 nm lub mniej. PM2,5 i PM10 (10 000 nm) same w sobie są zabójcami, zwykle powodując choroby płuc i układu oddechowego. Jednak nanocząsteczki mogą dotrzeć do każdego organu w ciele i siać w nim spustoszenie. A ponieważ władze rządowe monitorują masę PM2,5 (milion nanocząstek może nawet nie zarejestrować pomiaru w mikrogramach) – ich raporty nie przedstawiają prawdziwego ryzyka.
Nauka a pomiar nanocząstek
Wiedza, dlaczego powinniśmy martwić się całkowitą liczbą wdychanych cząstek, a nie tylko ich masą, jest znana od jakiegoś czasu. W 2003 roku Surbjit Kaur była młodą badaczką, która ukończyła studia magisterskie na Imperial College w Londynie, kiedy jej przełożony zasugerował jej przyłączenie się do eksperymentu Dapple (rozproszenie zanieczyszczenia powietrza i jego przenikanie do środowiska lokalnego). Kaur zaprojektowała osobiste badanie narażenia z zespołem sześciu ochotników „przebranych za choinki” z różnymi czujnikami zanieczyszczenia powietrza i poprosiła ich, aby codziennie przez cztery tygodnie podróżowali wyznaczoną trasą w centrum Londynu.
Wolontariusze „stanowili połączenie przyjaciół i ludzi z działu” – mówi Kaur, która od tego czasu porzuciła naukę i obecnie pracuje jako konsultant ds. zarządzania. „Ale tak naprawdę nie mogłabym prosić ludzi o zrobienie tego, gdybym sama tego nie robiła”. Dołączyła do nich na poboczu drogi, która otaczała Marylebone Road, główną siedmiopasmową autostradę, gdzie znajdowało się muzeum figur woskowych Madame Tussauds oraz długie kolejki czekające na zewnątrz. „Poszliśmy tam, wiedząc, że zachorujemy z powodu tej ciągłej ekspozycji. Po jakimś czasie zaczęliśmy czuć się dość paskudnie”.
Sprzęt rozwieszony na ochotnikach i wewnątrz plecaków mierzył standardowe zanieczyszczenia powietrza, PM2,5 i CO (tlenek węgla). Ale Kaur dołączyła również zupełnie nowy zestaw, który dopiero co pojawił się na rynku: licznik nanocząstek „P-Trak”. „Musieliśmy uzyskać różnego rodzaju zezwolenia, aby ich używać [w pracach terenowych], ponieważ wyglądały trochę jak liczniki Geigera i były obawy, że opinia publiczna może wpaść w panikę” – śmieje się. Urządzenie mogło zliczać nanocząstki aż do 2 nm (wielokrotnie mniejsze niż ludzka krwinka), zasysając powietrze, rozpylając alkohol na powierzchnię cząstek, aby były widoczne, i indywidualnie zliczając je wiązką laserową. Pod wpływem prac wykonanych na Uniwersytecie Rochester w Nowym Jorku i Narodowym Instytucie Zdrowia Publicznego w Finlandii, Kaur miała przeczucie, że liczenie tych „ultradrobnych cząstek” może dostarczyć interesujących danych. Nie myliła się.
„Spodziewałem się pewnego poziomu zmienności [liczby cząstek stałych]” – mówi – „ale poziom fluktuacji naprawdę mnie zaskoczył… Ilość przejeżdżających samochodów miała bardzo niewielki wpływ na narażenie ludzi na PM2,5. Ale miała ogromny wpływ na ultradrobne cząstki”. Gdy ochotnicy spacerowali po chodnikach, byli narażeni na co najmniej 36 000 cząstek naraz, maksymalnie do 130 000. Kiedy jechali rowerem tą samą trasą (trudną, ale nie niemożliwą, z całym wyposażeniem), maksima i minima wzrosły o kolejne 20 tys. Jednak najwyższe średnie odnotowano w samochodach i autobusach: im bliżej źródła zanieczyszczenia, tym większa jest całkowita liczba nanocząstek. Różnica między chodzeniem po krawężniku drogi a chodzeniem po stronie budynku po tym samym chodniku – zaledwie kilka krótkich kroków – wynosiła średnio 82 000 cząstek w porównaniu z 69 000. Te same odczyty nie wykazały zmian w PM2,5.
Dalsze badania i wpływ na zdrowie
Około 2006 roku, gdy Kaur odchodziła od nauki – jej odkrycia nie miały wpływu na sposób, w jaki władze rządowe mierzyły narażenie na zanieczyszczenie powietrza – pałeczkę przejął doktorant z Uniwersytetu w Cambridge. Prashant Kumar studiował już PM2,5 i PM10 w ramach studiów magisterskich w Indyjskim Instytucie Technologii (IIT) w Delhi. Ale po przybyciu do Anglii na doktorat „w rozmowach z moimi przełożonymi stwierdziliśmy, że niewiele, lub prawie nic, nie zostało zrobione w zakresie zrozumienia [nanocząstek]: ich pomiarów, stężeń w różnych środowiskach. Więc podjąłem ten temat jako wyzwanie”. Jego późniejsza lawina artykułów publikowanych od 2008 roku stała się przełomową pracą nad ekspozycją na nanocząstki i doprowadziła do jego profesury na Uniwersytecie w Surrey.
Chmura miliarda cząstek o wielkości 10 nm ma taką samą masę jak tylko jedna cząstka PM10, ale łączna powierzchnia jest milion razy większa.
„Pierwsze badanie, które przeprowadziłem w 2008 roku, było analizą eksploracyjną” – wspomina Kumar. „Kiedy spaliny wydostają się z pojazdów w postaci gazów, schładzają się w mniejsze [nano]cząsteczki. Następnie zaczynają się gromadzić, tworząc większe cząstki. Z rury wydechowej można uzyskać 106 (milion) cząstek na centymetr sześcienny powietrza. Na drodze 100 000, przy drodze 10 000”. Jego badania wykazały, że aż 90% wszystkich cząstek na ruchliwych drogach to nanocząsteczki poniżej 100 nm. To jest problem dla naszego zdrowia, wyjaśnia Kumar, „ponieważ im mniejsze cząsteczki, tym większa powierzchnia. Większa powierzchnia oznacza większą [potencjalną] toksyczność, ponieważ są one w kontakcie z większą powierzchnią w organizmie”.
Aby to sobie wyobrazić, pomyśl o piłce nożnej kontra piłkach golfowych. Piłka nożna (lub futbol, dla czytelników z Ameryki Północnej) ma obwód 70 cm (28 cali) i powierzchnię około 1500 cm2 (91,5 cal2). Piłka golfowa jest oczywiście znacznie mniejsza, ma obwód około 13 cm (5,2 cala), co daje jej powierzchnię 54 cm2 (3,3 cal2). Objętościowo można zmieścić 156 piłek golfowych w tej samej przestrzeni co piłka nożna, ale łączna powierzchnia wszystkich tych piłek wyniosłaby 8453 cm2 – o 6,9 metra kwadratowego więcej niż piłka nożna. W skali nano różnica ta ulega wzmocnieniu. Chmura składająca się z miliarda cząstek o wielkości 10 nm ma taką samą masę jak tylko jedna cząstka PM10, ale ich łączna powierzchnia jest milion razy większa. A ta powierzchnia pokryta jest toksycznym, niespalonym paliwem ze spalin samochodowych.
Inne badanie profesora Kumara dotyczyło narażenia dzieci pchanych w wózkach na pobocze małego miasteczka. „Okazało się, że podczas oczekiwania na światłach narażenie jest dużo większe, a dzieci są znacznie bardziej narażone w porównaniu z dorosłymi… W niektórych przypadkach było to o 20-30% większe narażenie [na wysokości wózka dziecięcego w porównaniu do wzrostu osoby dorosłej]. Ponieważ ich układ odpornościowy wciąż się rozwija, są bardziej narażeni na wpływ na zdrowie”. Na przykład, badanie zdrowia dzieci w Kalifornii wykazało, że dzieci dorastające w promieniu pół kilometra od ruchliwej drogi cierpią na znaczną utratę pojemności płuc.
Nanocząsteczki w krwiobiegu
Nanocząsteczki mogą również przenikać przez ściany płuc i do krwiobiegu w sposób, którego większe cząsteczki PM2,5 nie mogą. Gdy już dostaną się do krwiobiegu, powodują takie same uszkodzenia zapalne, jakie wyrządzają w płucach, z wyjątkiem tego, że teraz mogą dotrzeć do każdego organu lub tętnicy w ciele. Do niedawna nie było wiadomo, jaki rozmiar cząsteczki może się przedostać, a która utknęła w płucach lub górnych drogach oddechowych.
Najpierw zespół z Edynburga zmusił myszy do wdychania nanocząstek złota; następnie przyszła kolej na ochotników.
Ten ostatni element układanki został umieszczony na miejscu przez zespół kierowany przez profesora Davida Newby’ego z Uniwersytetu w Edynburgu w 2017 r. Dr Jen Raftis, która była częścią zespołu badawczego, mówi: „Były różne pomysły na to, jak możemy pokazać te nanocząsteczki [we krwi], różne techniki obrazowania. Ale żadna technika obrazowania nie ma takiej rozdzielczości. Dlatego zdecydowaliśmy się użyć złota”. Maszyna pożyczona z Holandii wykorzystywała elektrody do rozpraszania złota na nanocząstki o wielkości do 2 nm. Najpierw zespół z Edynburga zmusił myszy do wdychania nanocząstek złota; następnie przyszła kolej na ochotników.
„Użyliśmy złota, ponieważ wiemy, że jest naprawdę bezpieczne” – uspokajająco wyjaśnia Raftis. „Jest stosowane klinicznie, ponieważ jest obojętne, nie reaguje na rzeczy ani nie powoduje stresu oksydacyjnego w organizmie”. Jest również łatwy do wykrycia, w przeciwieństwie do cząstek węgla, które są skutecznie kamuflowane w naszych ciałach opartych na węglu. Ochotnicy oddali próbki krwi i moczu 15 minut i 24 godziny po inhalacji cząstek. Zespół odkrył, że złoto było obecne w ich próbkach. Zespół odkrył punkt odcięcia 30 nm; wszystko poniżej tej wartości można było znaleźć pływające w krwiobiegu, ale wszystko powyżej nie przedostało się przez płuca. „Oczywiście na ludziach nie mogliśmy wykonać biopsji, ale na myszach, które to zrobiliśmy” – mówi Raftis. „Odkryliśmy, że największe nagromadzenie [cząstek] jest głównie w płucach, ale w następnej kolejności w wątrobie, ponieważ krew przepływa najpierw przez wątrobę… wielkość porów w nerkach wynosi 5 nm, więc nic większego by nie przeszło przez nerkę… Mogą również gromadzić się w innych częściach ciała, ponieważ rozmiary porów w całym ciele są różne”. Trzy miesiące później w moczu ochotników nadal było złoto.
Nanocząsteczki a choroby serca i udary
Następnie David Newby, finansowany przez British Heart Foundation, poszedł dalej. Ponownie wysunięto teorię – ale nie udowodniono – że gromadzenie się nanocząsteczek w tętnicach może prowadzić do udarów i chorób serca. Podszedł do pacjentów szpitalnych, którzy mieli przejść operację usunięcia złogów tłuszczu (zwanych „płytkami”) z tętnic. Gdyby wdychali nanocząsteczki złota, czy można je było znaleźć na płytce nazębnej usuniętej podczas operacji dzień później?
„Tak, znaleźliśmy złoto na tablicy” – mówi Raftis, wciąż podekscytowany znaleziskiem. „Było to wskazówką, że cząsteczki zanieczyszczeń powietrza o takiej wielkości i strukturze mogą dostać się do płytki nazębnej w ciągu 24 godzin od ich wdychania. To dość duże ryzyko dla pacjentów z chorobami serca… ponieważ zanieczyszczenie powietrza jest narażeniem na całe życie. Właśnie przeprowadziliśmy jednorazowy eksperyment, ale dzieje się to każdego dnia”. Pomyśl o tablicy jako miejscu wypadku samochodowego, a arterii jako o drodze; nanocząsteczki to więcej samochodów gromadzących się za nimi, powodujących większą blokadę. Nanocząsteczki mogą być również przyczyną katastrofy, powodując zapalenie tętnicy toksycznymi chemikaliami przyklejonymi do ich powierzchni (poprzednik Newby’ego, profesor Ken Donaldson, zwrócił uwagę na toksyczność nanocząstek w latach 90. XX wieku).
Badanie Global Burden of Diseases szacuje, że zanieczyszczenie powietrza może być przyczyną 21% wszystkich zgonów z powodu udaru i 24% zgonów z powodu choroby niedokrwiennej serca. Opary uliczne od dawna uważano za dymiący pistolet, ale kula okazała się nieuchwytna. Obecnie wielu uważa, że kula to nanocząsteczki.
Regulacje i pomiary
Niski odczyt PM2,5 na rządowej stronie internetowej lub w aplikacji na telefon komórkowy może zatem dawać fałszywe wrażenie czystego powietrza, gdy w rzeczywistości wiruje ono z cząstkami dostającymi się do naszych tętnic. W większości krajów, w tym w USA i UE, obowiązują ograniczenia prawne dotyczące najbardziej szkodliwych zanieczyszczeń powietrza, w tym PM2,5, NOx, tlenku węgla i dwutlenku siarki. Ale nie istnieją podobne ograniczenia regulacyjne dla nanocząstek. Typowym zarzutem jest to, że „PM2,5 obejmuje wszystko do 1 nm”, co z technicznego punktu widzenia tak jest, ale jak widzieliśmy, dosłownie miliony nanocząstek nadal dają niski odczyt PM2,5.
W raporcie z 2018 r. dotyczącym ultradrobnych cząstek poniżej 100 nm dla brytyjskiego Departamentu Środowiska, Żywności i Spraw Wiejskich (Defra) stwierdzono, że „obecnie nie ma pułapów emisji ani celów redukcji emisji określonych dla [nanocząstek]… nie ma wytycznych ani wspólnych źródeł współczynników emisji [nanocząstek], aby umożliwić opracowanie inwentaryzacji”. Jedyne istniejące rozporządzenie, test emisji spalin Euro 6, zawiera limit liczby cząstek stałych i środki do 23 nm. Ale to oznacza, jak mówi raport Defra, „ponad 30% [nanocząstek] w środowiskach miejskich może nie zostać uwzględnionych” i obejmuje tylko ułamek tych poniżej progu 30 nm zidentyfikowanego przez badanie złota w Edynburgu.
Rozwiązania i świadomość
Być może jedyną dobrą wiadomością jest to, że chociaż liczba cząstek nie koreluje dobrze z pomiarami masy cząstek (PM2,5), ma tendencję do korelacji z odczytami NOx. Podobnie jak nanocząstki, NO2 znajduje się najbliżej źródła, a następnie szybko się rozprasza. NO2 reaguje nawet z innymi gazami w powietrzu, tworząc niektóre nanocząsteczki. Zatem walka z NO2 może często działać jako wskaźnik zastępczy w celu zmniejszenia liczby nanocząstek. „Są dobrze skorelowane” – mówi Kumar – „ponieważ pochodzą z tego samego źródła”.
Rozwiązanie dla NOx i nanocząstek jest również takie samo: zastąpienie spalania elektryfikacją. Samochody elektryczne nadal wyrzucają kurz drogowy, ale nie emitują żadnych nanocząsteczek pochodzących ze spalania ani NOx; i chociaż do poboru energii elektrycznej potrzebne są elektrownie, spędzamy znacznie więcej czasu stojąc przy drogach niż stojąc przy kominach elektrowni (chociaż jest to tym bardziej powód, aby szybko przejść na 100% energii odnawialnej). Prawdziwie bezemisyjny transport, taki jak chodzenie pieszo i jazda na rowerze, jest jeszcze lepszy. Im szybciej możemy dokonać tej zmiany, tym więcej istnień zostanie uratowanych. W międzyczasie musimy również zmniejszyć nasze narażenie poprzez fizyczne oddzielenie ludzi od ruchu spalinowego poprzez wydzielone ścieżki rowerowe i zielone bariery – drzewa, żywopłoty i pnącza – pomiędzy chodnikami i drogami.
Przestałem palić świece w moim domu. Nie używam ani nie mam w domu palnika na drewno, mimo że je lubię… Zawsze mam włączony wyciąg, kiedy gotuję jedzenie.
— Jen Raftis
Kaur wciąż odkrywa, że jej własne nawyki wpływają na jej badania nad nanocząsteczkami, ponad dekadę później. „Moi przyjaciele uważają to za zabawne, że przytulam się do budynku, kiedy idę chodnikiem!” – ona się śmieje. „Gdzie tylko jest to możliwe, przecinam park lub jeżdżę bocznymi drogami”. W Edynburgu Raftis idzie o krok dalej. „Przestałem palić świece w moim domu. Nie używam ani nie mam w domu palnika na drewno, mimo że je lubię… Zawsze mam włączony wyciąg, kiedy gotuję jedzenie. Nie chodzę na biegi po drogach, zawsze biegam w parku. Nie prowadzę i nie sądzę, żebym świadomie mógł to zrobić, gdyby nie był to samochód elektryczny”. Ona jeździ na rowerze, pomimo bliskości dużej liczby cząstek stałych, ponieważ „nawet jeśli jeździsz na rowerze w dużym ruchu, narażenie na zanieczyszczenie powietrza kompensujesz ćwiczeniami”.
Pytam ją, czy przepisy i polityka w zakresie emisji powinny bardziej skupiać się na narażeniu na nanocząstki. Mówi mi, że nie jest politykiem, ale szybko dodaje: „Po prostu nie wiem, dlaczego tego nie robią. Mam na myśli, że czujesz, że badasz, badasz i produkujesz dane i nic się z tym nie robi, tylko frazesy. Czuję, że musi to iść wraz z technologią. PM2,5 jest [tylko] tym, co mierzą monitory”.
W tym samym mieście nasze codzienne narażenie na zanieczyszczenie powietrza może się znacznie różnić w zależności od osoby, środka transportu i tras, którymi jeździmy. Większość miast lub krajów mierzy to za pomocą kilku stacjonarnych stacji monitorujących, które mogą badać powietrze tylko bezpośrednio obok nich. Nie spędzamy jednak życia stojąc w miejscu. „Wciąż uważam to za fascynujące” – mówi Kaur, zwracając się do mnie ze swoich biur przy Tamizie z widokiem na biuro burmistrza Londynu. „Jeśli wprowadzasz politykę dotyczącą zanieczyszczenia powietrza mającą na celu dobrostan ludzi i opierasz te wytyczne na danych, które nie są istotne, czy naprawdę pomagasz ludziom, czy faktycznie przeszkadzasz?”
