Lodě měly být čistší. Nejmenší částice ale mohou ukrývat nový zdravotní problém

Výfukové plyny výletních lodí mohou obsahovat ultrajemné částice bohaté na vanad a nikl, které v laboratorních modelech vyvolávají silnou zánětlivou reakci a současně oslabují antivirovou obranu buněk. Nová studie z britského Southamptonu ukazuje, že právě vanad může být jedním z klíčových faktorů, který tento nebezpečný biologický účinek způsobuje.

Více než 80 procent objemu světového mezinárodního obchodu putuje po moři a přístavy se proto staly neoddělitelnou součástí globální ekonomiky. Současně jsou však místem, kde se vysoká koncentrace lodní dopravy dostává do bezprostředního kontaktu s městskou populací. Právě tento problém sledoval tým vědců z University of Southampton ve studii Ultrafine particulate matter emitted from ships drives inflammation and susceptibility to viral infection publikované v časopise Environment International. Výzkumníci odebírali vzorky částic v přístavu Southampton mezi lety 2018 a 2020 a porovnávali několik různých zdrojů znečištění včetně terminálu pro výletní lodě, kontejnerového terminálu, recyklace kovů a městského pozadí.

Pozornost věnovali především ultrajemným částicím. Jde o částice s aerodynamickým průměrem menším než 100 nanometrů, tedy částice tak malé, že se při vdechnutí mohou dostávat hluboko do dolních cest dýchacích a až do plicních sklípků. Na rozdíl od PM10 a PM2,5 přitom tato frakce není běžně regulována ani běžně monitorována. Právě zde se podle autorů nachází jeden z významných problémů současného přístupu k hodnocení kvality ovzduší. Regulace totiž tradičně sleduje především celkovou hmotnost částic, tedy kolik částic se ve vzduchu nachází, zatímco pro jejich účinek na lidské zdraví může být stejně důležité, z čeho jsou částice složeny, jak jsou velké a odkud pocházejí.

Skrytý otisk těžkých paliv

Vzorky odebrané u výletních lodí přitom vykazovaly poměrně výrazný chemický podpis. Ultrajemná frakce obsahovala zvýšené koncentrace vanadu, niklu a kobaltu. První dva prvky jsou známými indikátory spalování těžkých lodních paliv. Kobalt je zajímavější. Autoři jej označují za nový potenciální indikátor spalování odsířených těžkých paliv. Jeho výskyt současně koreloval s molybdenem, což odpovídá hypotéze, že může souviset s katalyzátory používanými při odsiřování paliv.

Významné je také to, že koncentrace vanadu, niklu a kobaltu rostla s klesající velikostí částic. Nejvýraznější obohacení se objevovalo právě v ultrajemné frakci. Současně vědci pozorovali vyšší koncentrace těchto prvků v období hlavní sezony výletních lodí a jejich množství souviselo s dobou, po kterou byla loď přítomna u příslušného kotviště. Směr proudění vzduchu navíc odpovídal směru, odkud přicházely emise spojené s provozem výletních lodí. Soubor těchto pozorování vedl autory k závěru, že výletní lodě jsou nejpravděpodobnějším zdrojem tohoto specifického znečištění.

Agresivní reakce lidských buněk

Tím ovšem chemická část studie teprve začíná. Vědci následně ověřovali, zda se toto odlišné chemické složení promítá také do toho, jak částice působí na živé buňky. A rozdíl byl výrazný. Ultrajemné částice odebrané u terminálu výletních lodí vyvolaly v buňkách epitelu dýchacích cest nejsilnější produkci interleukinu 8, tedy látky, která pomáhá spouštět a zesilovat zánětlivou reakci. Podobný trend se objevil také u dalších zánětlivých mediátorů, mezi nimiž byly IL 6, GM CSF, TNF alfa a IL 1 beta. Jinými slovy, částice nebyly pouze chemicky odlišné. V laboratorním modelu byly také biologicky aktivnější a vyvolávaly rozsáhlejší prozánětlivou reakci.

Ještě zajímavější obraz poskytla analýza RNA, tedy sledování toho, které geny buňky po kontaktu s částicemi zapínají a které naopak utlumují. Po expozici buněk ultrajemným částicím z výletních lodí bylo identifikováno 925 genů se zvýšenou expresí a 412 genů se sníženou expresí. Analýza souborů biologických procesů, které jsou těmito geny řízeny, ukázala výraznou aktivaci mechanismů spojených se zánětem. Současně však došlo k potlačení genů podílejících se na interferonové odpovědi, tedy na obranném systému, který buňce pomáhá reagovat na virovou infekci. To je zásadní, protože interferonová signalizace patří mezi základní mechanismy vrozené antivirové obrany.

Hlavní podezřelý jménem vanad

Právě zde se studie dostává k vanadu. Výzkumníci odděleně testovali tři kovy, které byly v částicích z výletních lodí výrazně zastoupeny. Vanad dokázal v buněčných kulturách zopakovat klíčové účinky částic z lodí. Vyvolal uvolňování IL 8 a zvýšil tyrozinfosforylaci, tedy chemickou úpravu bílkovin, která ovlivňuje jejich aktivitu a přenos signálů uvnitř buňky. Nikl ani kobalt přitom stejné účinky nedokázaly reprodukovat. Výsledky tak ukazují na vanad jako na významného kandidáta odpovědného a část biologických účinků lodních ultrajemných částic.

Ještě výraznější byl účinek vanadu na obranu buněk proti virům. Výzkumníci zjistili, že vanad nebrání buňkám ve tvorbě interferonu, tedy látky, která má před virovou infekcí varovat okolní buňky a nastartovat jejich obranné mechanismy. Dokázal však narušit další krok, při němž buňka na tento varovný signál reaguje a aktivuje soubor genů potřebných k potlačení viru. Antivirový alarm tedy může být spuštěn, ale jeho signál se nedostane tam, kam má. Tento účinek přetrvával dokonce i tehdy, když vědci buňkám dodali interferon beta přímo. Výsledek tak naznačuje, že vanad nemusí blokovat samotnou tvorbu tohoto varovného signálu, ale spíše narušuje jeho další přenos uvnitř buňky. Obranný mechanismus je tedy spuštěn, ale buňka na něj nedokáže odpovídajícím způsobem reagovat.

Podobný experiment následoval se SARS-CoV-2. Tentokrát vědci použili jiný buněčný model a míru infekce sledovali pomocí virových ložisek. Výsledkem bylo zvýšení virové replikace závislé na expozici vanadu, a to až téměř pětinásobně. To je patrně nejvýraznější číslo celé studie, současně je ale třeba správně chápat jeho význam. Nejde o epidemiologické zjištění, podle kterého by lidé vystavení lodním emisím měli pětkrát vyšší riziko infekce. Jde o laboratorní výsledek ukazující, že vanad za daných experimentálních podmínek dokáže výrazně zvýšit množení viru v buněčném systému.

Slepé místo moderních čistících systémů

Studie tím současně upozorňuje na otázku, zda současná emisní opatření zachycují všechny složky lodního znečištění, které mohou být z hlediska zdraví významné. V oblasti Southamptonu platí velmi přísné limity obsahu síry v lodních palivech a lodě mohou alternativně používat těžké palivo spolu s odsiřovacími systémy. Jenže právě zde se může objevit rozdíl mezi tím, co emisní limity sledují, a tím, co může mít význam pro lidské zdraví. Systémy pro čištění lodních spalin, takzvané scrubbery, navíc podle autorů nedokážou účinně zachytit velmi malé částice o velikosti pod jeden mikrometr. Loď tak může splnit požadavky na emise síry a současně do ovzduší vypouštět ultrajemné částice obsahující kovy téměř beze změny.

To je důležitý moment i z pohledu budoucí regulace. Pokud se emisní politika soustředí především na celkovou hmotnost částic, oxidy síry nebo další sledované parametry, nemusí dostatečně zachytit rozdíly mezi jednotlivými zdroji a chemickým složením částic. Stejné množství částic totiž nemusí znamenat stejný biologický účinek. Studie právě na příkladu výletních lodí ukazuje, že velmi malá částice obohacená o specifické kovy může mít v buněčném modelu výrazně jiný účinek než částice pocházející z jiného zdroje.

Autoři upozorňují, že použité koncentrace částic v buněčných experimentech byly o několik řádů vyšší než množství, které by se pravděpodobně dostalo do plic člověka při běžné expozici. Cílem experimentu totiž nebylo přesně napodobit reálnou expozici člověka, ale identifikovat mechanismus možného poškození a ověřit jeho biologickou plausibilitu, tedy zda je pozorovaný účinek z biologického hlediska možný a zda pro něj existuje věrohodný mechanismus. Současně upozorňují, že v reálném prostředí zatím není dostatečně dobře popsáno, jak se lodní ultrajemné částice šíří městským prostorem a jak velké dlouhodobé expozici je skutečně vystavena populace.