أصغر من أن نرى أرقام غير مرئية في البيئة

بعد سنوات من العناوين الرئيسية حول تلوث الهواء باعتباره أكبر مشكلة في العالم تتعلق بالصحة البيئية و ما يدعم هذه الظاهرة هو على سبيل المثال ، قيل لنا أن “PM2.5” من جزيئات التلوث الصلبة التي تبلغ مساحتها 2.5 ميكرومتر أو أقل يمكن أن تمر عبر رئتينا وإلى مجرى الدم لدينا.
لقد قيل لنا أيضًا إن غازات أكاسيد النيتروجين – بما في ذلك ثاني أكسيد النيتروجين – تشكل أكبر تهديد للصحة داخل المدن. ومع ذلك ، فإن أكاسيد النيتروجين مسؤولة عن 14 ٪ فقط من الوفيات التي حدثت نتيجة تلوث الهواء في أوروبا .

ففي الآونة الأخيرة تم اكتشاف القاتل الأكبر على الإطلاق الذي لم يحتل العناوين الرئيسية ، ولا يكاد يتم الحديث عنه خارج الدوائر العلمية المتخصصة : إنها جسيمات متناهية الصغر.

قد يكون حجم PM2.5 أصغر من أن يظهر ، حيث يكون أصغر بمقدار 30 مرة تقريبًا من عرض شعرة الإنسان. ولكن بالمقارنة مع الجسيمات متناهية الصغر فهي ثقيلة الوزن نسبيًا. PM2.5 يسقط في 2500 نانومتر (نانومتر) ، حيث تعتبر السلطات المحلية ان PM2.5 وأي جسيم أصغر منه هو نفسه – مما يعني أن تقاريرها غالباً ما تمثل المخاطر الحقيقية.

الاهم في هذا الموضوع هو انه يجب أن نشعر بالقلق إزاء العدد الإجمالي للجزيئات التي نتنفسها ، وليس فقط كتلتها ،

ففي عام 2003 ، كان Surbjit Kaur باحث شاب ينهي دراسته للماجستير في جامعة إمبريال كوليدج في لندن ، عندما اقترح مشرفه الانضمام إلى تجربة Dapple (تشتت تلوث الهواء واختراقها في البيئة المحلية). صمم كور دراسة شخصية للتعرض ، مع فريق من ستة متطوعين “يرتدون ملابس مثل أشجار عيد الميلاد” مع مختلف أجهزة استشعار تلوث الهواء المختلفة ، وطلب منهم السفر في مسار محدد في وسط لندن كل يوم لمدة أربعة أسابيع.
يقول Kaur ، الذي ترك البحث العلمي منذ ذلك الحين ويعمل الآن مستشارًا إداريًا: “كان المتطوعون مزيجًا من الأصدقاء والأفراد في القسم”. “لكنني لم أستطع حقًا أن أطلب من الناس فعل ذلك إذا لم أكن أقوم بذلك بنفسي.” لقد انضمت إليهم على جانب الطريق ، الذي تمحور حول طريق ماريليبون ، وهو طريق سريع رئيسي مؤلف من سبع حارات وموطن لمتحف مدام توسو لتماثيل الشمع ، وقوائم الانتظار الطويلة تنتظر في الخارج. “ذهبنا إلى هناك مع العلم أننا سنمرض بسبب هذا التعرض المستمر. بدأنا نشعر بالغضب بعد فترة من الوقت. “
يمكن للجهاز المستعمل في هذا البحث أن يحسب الجسيمات النانوية وصولاً إلى 2 نانومتر (أصغر بعدة مرات من خلايا الدم البشرية) عن طريق الامتصاص بالهواء ، ورش الكحول على سطح الجسيمات لجعلها مرئية والعد الفردي بواسطة شعاع الليزر. متأثر بالعمل المنبثق من جامعة روتشستر ، نيويورك ، والمعهد الوطني للصحة العامة ، فكان لدى Kaur حدس مفاده أن حساب هذه “الجزيئات متناهية الصغر” يمكن أن يضيف بعض البيانات المهمة و بالتالي هذه التخمينات لم تكن مخطئة.

كشفت دراسة Surbjit Kaur عام 2003 أن المتطوعين في لندن تعرضوا لما يصل إلى 130،000 جسيم في وقت واحد (الائتمان: إيمانويل لافون)

“لقد توقعت مستوى معين من التباين [في عدد الجسيمات]” ، كما يقول ، “لكن مستوى التذبذب فاجأني حقًا … كان حجم السيارات التي تجاوزت تأثيرًا كبيرًا جدًا على تعرض الناس لل PM2.5. ولكن كان له تأثير هائل على متناهيات الصغر. “بينما قصف المتطوعون الأرصفة ، تعرضوا لما لا يقل عن 36000 جسيم في وقت واحد ، بحد أقصى 130،000. عندما اتخذوا نفس الطريق بالدراجة (صعبة ، ولكن ليس من المستحيل ، مع كل المعدات) ، ارتفعت الحدود القصوى والحد الأدنى بمقدار 20،000 آخرين .

ومع ذلك ، سجلت أعلى المعدلات داخل السيارات والحافلات: كلما اقتربنا من مصدر التلوث ، كانت أنابيب العادم تنفث الدخان ، وكلما زاد العدد الإجمالي للجسيمات النانوية. كان الفرق بين المشي على جانب الطريق ، وعلى جانب المبنى ، على نفس الرصيف – على بعد خطوات قليلة فقط – بمتوسط ​​82000 جزيء مقابل 69000. نفس القراءات سجلت أي تغيير في PM2.5 .

في عام 2006 تقريبًا ، بينما كان كور منهمك في البحث العلمى لم تكتشف النتائج التي توصل إليها بمعنى التأثير على كيفية قياس السلطات الحكومية للتعرض لتلوث الهواء – فقد التقطت طالبة دكتوراه في جامعة كامبريدج عصا القيادة. كان براشانت كومار قد درس بالفعل PM2.5 و PM10 لدرجة الماجستير في المعهد الهندي للتكنولوجيا (IIT) في دلهي. ولكن عند وصوله إلى إنجلترا للحصول على درجة الدكتوراه ، “في المناقشات مع المشرفين ، وجدنا أن هناك عدد قليل جدًا ، أو لا شيء تقريبًا ، يتم على أساس فهم [الجسيمات النانوية]: قياساتهم والتركيزات في بيئات مختلفة. لذلك ، لذلك تناول كور هذا الموضوع كتحدي “. أصبحت سلسلة أوراقه اللاحقة التي نُشرت منذ عام 2008 وما بعده من الأعمال الجوهرية المتعلقة بالتعرض للجسيمات النانوية ، وأدت إلى عمله كأستاذ جامعي في جامعة سوري.

فالسحابة التي تحتوي على مليار جسيم 10 نانومتر لها نفس كتلة جسيم PM10 واحد ، ولكن مساحة السطح مجتمعة أكبر بمليون مرة
“كانت الدراسة الأولى التي أجريتها في عام 2008 بمثابة تحليل استكشافي” ، يتذكر كومار. “عندما تخرج أبخرة العادم من المركبات ، فإنها تخرج كغازات وتبرد إلى جزيئات أصغر. ثم يبدأون في التراكم لصنع جزيئات أكبر. من عادم الذبذبات ، يمكنك الحصول على 10 إلى واحد من ستة (مليون) جزيئات لكل سنتيمتر مكعب من الهواء. على الطريق 100000 ، على جانب الطريق 10000. “وجدت دراساته أن ما يصل إلى 90 ٪ من جميع الجزيئات في الطرق المزدحمة هي جزيئات نانوية أقل من 100nm.

هذه مشكلة لصحتنا ، كما يوضح كومار ، “نظرًا لأن الجزيئات الأصغر الموجودة لديك ، لديك مساحة أكبر. تعني مساحة السطح الأكبر مزيدًا من السمية [المحتملة] ، لأنها على اتصال بمساحة سطح أكبر داخل جسمك. “

لتصور هذا ، تخيل كرات القدم مقابل كرات الغولف. محيط كرة القدم (أو كرة كرة القدم ، لقراء أمريكا الشمالية) يبلغ محيطه 70 سم (28 بوصة) وتبلغ مساحته حوالي 1500 سم 2 (91.5 بوصة 2). من الواضح أن كرة الجولف أصغر بكثير ، حيث يبلغ محيطها حوالي 13 سم (5.2 بوصة) ، مما يجعل مساحة سطحها 54 سم 2 (3.3 بوصة 2). من حيث الحجم ، يمكنك وضع 156 كرة جولف في نفس مساحة كرة القدم ، لكن المساحة الكلية لجميع كرات الغولف هذه ستكون 8،453 سم 2 – أي ما يعادل مساحة كرة قدم كبيرة تبلغ 6.9 متر مربع. على نطاق النانو ، يتم تضخيم هذا الاختلاف. تحتوي سحابة مكونة من مليار جسيم 10 نانومتر على نفس كتلة جسيم PM10 واحد فقط ، ولكن مساحة سطحها مجتمعة أكبر بمليون مرة. وهذه المساحة السطحية تأتي مغلفة بالوقود السام غير المحترق من عوادم السيارات.

يُعتقد أن الأشخاص داخل السيارات يتعرضون لجسيمات نانوية أكثر من الدراجات أو المشي على الرصيف (ائتمان: إيمانويل لافون)

كشفت دراسات أخرى للبروفيسور كومار في تعرض الأطفال الذين يتم دفعهم في عربات الأطفال على طول جانب الطريق من بلدة صغيرة. “لقد وجدنا أنك تحصل على درجة عالية من التعرض عند الانتظار عند إشارات المرور ، وأصبح الأطفال أكثر تعرضًا مقارنةً بالبالغين … وفي بعض الحالات كان التعرض أعلى بنسبة 20-30٪ [عند ارتفاع عربة الأطفال مقارنة بارتفاع البالغين]. نظرًا لأن نظام المناعة لديهم ما زال يتطور ، فهو أكثر عرضة للتأثير على الصحة. ” على سبيل المثال ، وجدت دراسة صحة الأطفال في كاليفورنيا ، على سبيل المثال ، أن الأطفال الذين يكبرون في نطاق نصف كيلومتر من طريق مزدحم يعانون من فقد كبير في قدرة الرئة.

يمكن أن تمر الجسيمات النانوية أيضًا عبر جدران الرئتين وفي مجرى الدم ، بطريقة لا يمكن أن تنجم عنها زيادة في حجم PM2.5. بمجرد دخول مجرى الدم فإنها تسبب نفس الأضرار الالتهابية التي تحدثها على الرئتين ، إلا الآن أنها يمكن أن تصل إلى أي عضو أو شريان في الجسم. حتى وقت قريب ، لم يكن معروفًا بالتحديد حجم الجسيمات التي يمكن أن تمر بها ، وما زال عالقًا في الرئتين أو الشعب الهوائية العليا.

أولاً ، حصل فريق أدنبرة على الفئران للتنفس في الجسيمات النانوية الذهبية ؛ بعد ذلك ، جاء دور المتطوعين من البشر
تم وضع هذا الجزء الأخير من اللعبة من قبل فريق بقيادة البروفيسور ديفيد نيوبي في جامعة أدنبرة في عام 2017. يقول الدكتور جين رافتيس ، الذي كان جزءًا من فريق البحث: “كانت هناك أفكار مختلفة حول الكيفية التي يمكن أن نظهر بها هذه الجسيمات النانوية [في الدم] ، تقنيات التصوير المختلفة. ولكن لا توجد تقنية تصوير لديها هذا النوع من الدقة. لذلك قررنا استخدام الذهب. “

استخدمت آلة مستعارة من هولندا أقطابًا لتشتيت الذهب في جسيمات متناهية الصغر وصولًا إلى حجم 2nm. أولاً ، حصل فريق أدنبرة على الفئران للتنفس في الجسيمات النانوية الذهبية ؛ بعد ذلك ، جاء دور المتطوعين من البشر. “لقد استخدمنا الذهب لأننا نعرف أنه آمن حقًا” ، يوضح رافتيس ، بشكل مطمئن. “يتم استخدامه سريريًا لأنه خامل ، ولا يتفاعل مع الأشياء أو يتسبب في إجهاد مؤكسد في الجسم.” كما أنه من السهل اكتشافه ، على عكس جزيئات الكربون التي يتم تمويهها بفعالية داخل أجسامنا القائمة على الكربون.

أعطى المتطوعون عينات دم وبول بعد 15 دقيقة و 24 ساعة من استنشاق الجسيمات. وها ، كان هناك الذهب فيها عينات . اكتشف الفريق نقطة قطع 30nm. أي شيء أدناه يمكن العثور عليه يسبح في مجرى الدم ، ولكن أي شيء أعلى من ذلك فشل في تجاوز الرئتين.

يقول رافتيس: “من الواضح مع البشر أنه لا يمكننا إجراء خزعة ، لكن مع الفئران التي أجريناها”. “وجدنا أكبر تراكمات [للجزيئات] في الرئتين في المقام الأول ، لكن الكبد بعد ذلك ، لأن كبدك هو حيث يمر الدم أولاً … حجم المسام في الكلى هو 5nm ، لذلك لا شيء أكبر من ذلك يمر عبر الكلى … قد يكون هناك تراكمات في أجزاء أخرى من الجسم أيضًا ، لأن أحجام المسام في جميع أنحاء الجسم تختلف “. كان الذهب لا يزال موجودًا في بول المتطوعين بعد ثلاثة أشهر.

قام ديفيد Newby ، بتمويل من مؤسسة القلب البريطانية ، ثم أخذ الدراسة أكثر. مرة أخرى ، تم افتراض أنه – ولكن لم يثبت – أن تراكم الجسيمات النانوية في الشرايين يمكن أن يؤدي إلى السكتات الدماغية وأمراض القلب. اقترب من مرضى المستشفى الذين كانوا يخضعون لعملية جراحية لإزالة رواسب الدهون (المعروفة باسم “البلاك”) من الشريان. إذا كانت نفخ في جزيئات الذهب، سيتم العثور على هذه على اللوحة إزالة أثناء عملية جراحية في وقت لاحق يوم واحد؟

“نعم ، لقد وجدنا الذهب في اللوحة” ، يقول رافتيس ، الذي ما زال متحمسًا لهذه النتيجة. “كان من الواضح أن جزيئات تلوث الهواء بهذا الحجم والهيكل يمكن توصيلها إلى لوحة خلال 24 ساعة من استنشاقها. هذا خطر كبير جدًا بالنسبة للمرضى الذين يعانون من أمراض القلب … حيث أن تلوث الهواء هو تعرض كامل للحياة. لقد أجرينا للتو تجربة لمرة واحدة ، لكن هذا يحدث كل يوم. “

فكر في لوحة كمشهد لحادث سيارة ، والشريان كطريق ؛ الجسيمات النانوية هي أكثر السيارات تتراكم وراءها ، مما تسبب في انسداد أكبر. يمكن أن تكون الجسيمات النانوية هي سبب التحطم أيضًا ، حيث أشعلت الشريان بمواد كيميائية سامة مثبتة على سطحها (لقد أبرز البروفيسور كين دونالدسون ، سلف نيوباي ، سمية الجسيمات النانوية في التسعينيات ). في دراسة العبء العالمي للأمراض ويقدر أن تلوث الهواء يمكن أن تمثل 21٪ من جميع الوفيات الناجمة tostroke و 24٪ من الوفيات الناجمة عن أمراض نقص تروية القلب. كانت الأبخرة المرورية تعتبر مدخنة التدخين لفترة طويلة ، لكن الرصاصة كانت صعبة المنال. الآن ، يعتقد الكثيرون أن الرصاصة هي جسيمات متناهية الصغر.

وبالتالي ، يمكن لقراءة PM2.5 منخفضة على موقع الحكومة أو تطبيق الهاتف المحمول أن تعطي انطباعًا خاطئًا بالهواء النظيف عندما يكون ، في الواقع ، يحوم مع دخول الجزيئات إلى شراييننا
معظم الدول بما فيها الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي لديها حدود قانونية لأكثر ملوثات الهواء الضارة ، بما في ذلك PM2.5 ، وأكاسيد النيتروجين ، وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت. لكن لا توجد حدود تنظيمية مماثلة للجسيمات النانوية. دحض نموذجي هو أن “PM2.5 يشمل كل شيء وصولا إلى 1nm” ، وهو ما يفعله من الناحية الفنية ، ولكن كما رأينا ، حرفيا الملايين من الجسيمات النانوية لا تزال تعطي قراءة PM2.5 منخفضة. وبالتالي ، يمكن لقراءة PM2.5 منخفضة على موقع الحكومة أو تطبيق الهاتف المحمول أن تعطي انطباعًا خاطئًا بالهواء النظيف عندما يكون ، في الواقع ، يحوم مع دخول الجزيئات إلى شراييننا.

وجد تقرير عام 2018 حول الجزيئات فائقة الدقة تحت 100 نانومتر لوزارة البيئة والغذاء والشؤون الريفية بالمملكة المتحدة (Defra) ، لأنه “لا توجد حاليًا سقوف للانبعاثات أو أهداف لخفض الانبعاثات في [الجسيمات النانوية] … لا توجد مبادئ توجيهية أو مصادر مشتركة تتضمن عوامل الانبعاث الخاصة بـ [الجسيمات النانوية] للسماح بتطوير قوائم الجرد. “تشتمل اللائحة الوحيدة الموجودة ، اختبار انبعاثات مركبات Euro 6 ، على حد لعدد الجسيمات ، وتدابير تصل إلى 23nm. لكن هذا يعني ، كما يقول تقرير ديفرا ، “قد لا يتم تضمين أكثر من 30 ٪ من [الجسيمات النانوية] في البيئات الحضرية” ، ولا يغطي سوى جزء صغير من أولئك الذين تقل عن عتبة 30nm المحددة في دراسة أدنبره للذهب.

ولعل الخبر السار الوحيد هو أنه على الرغم من أن عدد الجسيمات لا يرتبط جيدًا بقياسات كتلة الجسيمات (PM2.5) ، إلا أنه يميل إلى الارتباط بقراءات أكاسيد النيتروجين. مثل الجسيمات النانوية ، فإن NO2 هو الأقرب إلى مصدره ، ثم يتبدد بسرعة. يتفاعل NO2 مع غازات أخرى في الهواء لتشكيل بعض الجسيمات النانوية. لذا فإن معالجة NO2 يمكن أن تعمل في كثير من الأحيان كبديل لتقليل الجسيمات النانوية. يقول كومار: “إنهم يرتبطون جيدًا ، لأنهم يأتون من نفس المصدر”.

حل النيتروجين والجسيمات النانوية هي نفسها: استبدال الاحتراق بالكهرباء. لا تزال السيارات الكهربائية تثير الغبار على الطرق ، ولكنها لا تصدر أي جسيمات نانوية مشتقة من الاحتراق أو أكاسيد النيتروجين ؛ وعلى الرغم من أن هناك حاجة إلى محطات توليد الكهرباء لتوصيل الكهرباء ، فإننا نقضي وقتًا أطول بكثير في الوقوف على الطرق أكثر مما نقضيه بجانب مداخن محطة الطاقة (على الرغم من أن هذا سبب إضافي للانتقال السريع إلى الطاقة المتجددة بنسبة 100٪). النقل الحقيقي بدون انبعاثات ، مثل المشي وركوب الدراجات ، أفضل. وكلما أسرعنا في إجراء هذا الانتقال ، سيتم إنقاذ المزيد من الأرواح. في غضون ذلك ، نحتاج أيضًا إلى الحد من تعرضنا للفصل المادي عن الأشخاص المرتكزين إلى الاحتراق ، عبر ممرات الدراجات المنفصلة ، والحواجز الخضراء – الأشجار ، التحوطات ونباتات التسلق – بين الأرصفة والطرق.

توقفت عن حرق الشموع في منزلي. لا أستخدم الموقد أو سجله في المنزل ، على الرغم من أنني أحبهم … لدي دائمًا الاستخراج عندما أطبخ الطعام – Jen Raftis
لا يزال كور يجد عاداته الخاصة متأثرا بأبحاثه المتعلقة بالجسيمات النانوية ، بعد أكثر من عقد من الزمان. يضحك قائلا: “يجد أصدقائي أنه من المضحك أن أحضن بجانب المبنى عندما أمشي على طول الرصيف!” “كلما أمكن ، أقطع طريقي في الحديقة أو أسلك الطرق الجانبية”.

في أدنبرة ، يمضي رافتيس خطوة إلى الأمام. توقفت عن حرق الشموع في منزلي. لا أستخدم أو أمتلك شعلة سجل في المنزل ، على الرغم من أنني أحبهم … لدي دائمًا عملية استخراج عندما أطبخ الطعام. أنا لا أذهب لأركض على طول الطرق ، وأركض دائمًا في حديقة. أنا لا أقود السيارة ولا أعتقد أنني يمكن أن أفعل ذلك بوعي إلا إذا كانت سيارة كهربائية. “إنها تدور ، على الرغم من قربها من ارتفاع عدد الجسيمات ، لأنه” حتى لو كنت في حركة المرور الكثيفة ، فأنت تعوض التعرض لتلوث الهواء مع ممارسة “.

أسألها ما إذا كان يجب أن يتحول تنظيم الانبعاثات والسياسة أكثر نحو التعرض للجسيمات النانوية. إنها ليست شخص سياسة ، كما تقول لي ، ولكنها تضيف بسرعة: “أنا لا أعرف لماذا لا يفعلون ذلك. أعني أنك تشعر أنك تقوم بالبحث والبحث وإنتاج البيانات ولا يتم فعل أي شيء حيال ذلك ، فقط خدمة الشفاه. أشعر أن عليها أن تتماشى مع التكنولوجيا. PM2.5 هو [فقط] ما يقيسه المراقبون “.

صورة التلوث المفاهيمي (الائتمان: إيمانويل لافون)
داخل نفس المدينة أو المدينة ، يمكن أن يختلف تعرضنا اليومي لتلوث الهواء اختلافًا كبيرًا من شخص إلى آخر ، وبواسطة وسيلة النقل ، والطرق التي نتخذها (الائتمان: إيمانويل لافون)

داخل نفس المدينة أو المدينة ، يمكن أن يختلف تعرضنا اليومي لتلوث الهواء اختلافًا كبيرًا من شخص لآخر ، حسب وسيلة النقل والطرق التي نتخذها. تقيس معظم المدن أو البلدان ذلك بحفنة من محطات المراقبة الثابتة ، والتي لا يمكنها اختبار الهواء إلا بجوارها مباشرة. ومع ذلك ، فإننا لا نقضي حياتنا ثابتة.

“ما زلت أجدها رائعة” ، يقول كور ، وهو يتحدث معي من مكاتبه بجانب التايمز ، وتطل على مكتب عمدة لندن. “إذا كنت تقدم سياسة تلوث الهواء من أجل رفاهية البشر ، وتقوم على هذا التوجيه على بيانات غير ذات صلة ، هل تساعد الناس حقًا أم أنك تعيق فعليًا؟”

–

إذا كنت تحب هذه القصة ، فقم بالتسجيل في النشرة الإخبارية الأسبوعية لميزات bbc.com ، والتي تسمى “The Essential List”. مجموعة مختارة بعناية من القصص من BBC Future ، والثقافة ، وحياة العمل ، والسفر ، يتم تسليمها إلى صندوق الوارد الخاص بك كل يوم