Rysunek 1. przedstawia główne rodzaje cząstek zawieszonych w pomieszczeniach sklasyfikowane według zakresów ich wielkości.

Jeśli chodzi o oddziaływanie tych cząstek na nasz układ oddechowy (z czysto fizycznego punktu widzenia), są one podzielone zgodnie z poziomem penetracji na wdychalne, torakalne i respirabilne, co odpowiada klasyfikacji i zakresom rozmiarów przedstawionym na rysunku 2:

• Cząstki wdychalne – zatrzymywane przez włosy znajdujące się w nosie lub przez śluz w jamie ustnej, nosowej lub gardłowej.
• Cząstki torakalne – zdolne do przenikania do tchawicy i oskrzeli, gdzie są zatrzymywane przez występujący tam śluz.
• cząstki respirabilne – przedostają się do oskrzelików i pęcherzyków płucnych.

Z czysto fizycznego punktu widzenia i niezależnie od stopnia zakażalności najgroźniejsze są najmniejsze cząstki, gdyż mogą się osadzać w pęcherzykach płucnych i powodować ich zatykanie, uniemożliwiając lub uszkadzając zachodzące tam procesy wymiany gazowej, które mają fundamentalne znaczenie dla organizmu ludzkiego.

Rysunek 2. Klasyfikacja cząstek według stopnia wnikania do układu oddechowego.

W zależności od rozmiaru cząstki mogą zachowywać się różnie w odniesieniu do trajektorii w powietrzu. Ta różnorodność zachowań wynika ze zmiennej równowagi między siłami oddziałującymi na cząstki podczas ich ruchu w powietrzu. Główne siły działające na cząstkę to siła grawitacji i siły aerodynamiczne. Zależność między tymi dwoma rodzajami sił jest różna w zależności od wielkości cząstek. Dla równoważnych cząstek o średnicy poniżej 10 µm opór aerodynamiczny jest ważniejszy niż siły grawitacji (masa cząstki), a zatem cząstka unosi się w powietrzu, podążając za liniami prądu przepływu. Można to porównać do surfera podczas surfowania na fali. W przypadku większych cząstek ich trajektoria przyjmuje zwykle kształt paraboli. Będą one zatem osiadać na ziemi lub innych powierzchniach, ponieważ siła grawitacji (ze względu na ich masę) jest większa niż składowa pionowa siły aerodynamicznej. Większa lub mniejsza odległość pokonana w osi poziomej przez cząstki będzie zależeć od ich wielkości, pola prędkości przepływu, a także od ich prędkości początkowej. Te różne rodzaje zachowań przedstawiono na rysunku 3.

Rysunek 3. Typowe trajektorie cząstek w powietrzu zależnie od wielkości.

Uzasadnienie tego, co zostało wcześniej opisane, wynika z faktu, że współczynnik oporu aerodynamicznego obiektu o kulistym kształcie nie jest stały w stosunku do bezwymiarowego współczynnika zwanego liczbą Reynoldsa. Współczynnik ten przedstawia zależność między siłami nacisku a siłami lepkości, które wynikają z interakcji ciała z płynem. Przy jego obliczaniu jedną ze zmiennych jest wymiar geometryczny charakterystyczny dla obiektu, w tym przypadku średnica. A więc zgodnie z wykresem przedstawionym na rysunku 4., jeśli mamy dwie cząstki o różnych średnicach poddane działaniu tego samego płynu, mniejsza cząstka (z wyższym współczynnikiem oporu) będzie bardziej po lewej stronie, a większa cząstka (z niższym współczynnikiem oporu) będzie bardziej po prawej stronie. Skutkuje to tym, że najmniejsza cząstka będzie w większym stopniu ciągnięta i łatwiej będzie podążać za prądami powietrza. Dlatego jest klasyfikowana jako cząstka unosząca się w powietrzu, podczas gdy większa cząstka po pewnym czasie osiądzie, ponieważ jej masa będzie siłą dominującą, która sprawi, że cząstka spadnie.

Obszar, w którym zachodzą typowe zjawiska cząstek w strefie naturalnej wentylacji lub wentylacji mechanicznej przepływającej wewnątrz budynków, zaznaczono po lewej stronie wykresu za pomocą przerywanej czerwonej elipsy.

Rysunek 4. Współczynnik oporu aerodynamicznego jako funkcja liczby Reynoldsa dla obiektu kulistego.

Koronawirus 2 (SARS-CoV-2) i sposoby przenoszenia

Koronawirus 2 (SARS-CoV-2) ma kulisty kształt o średnicach w zakresie od 80 do 140 nm (≈ 0,1 mm).

Rysunek 5. przedstawia porównanie jego wymiarów z niektórymi klasami powszechnie używanymi do określania pyłu zawieszonego.

Istnieją trzy sposoby przenoszenia czynników chorobotwórczych wydalanych w procesie oddechowym zakażonych ludzi: zakażenie zawieszonymi cząstkami (bioaerozolami), drogą kropelkową i przez kontakt. Rysunek 6. przedstawia zaadaptowany obraz z broszury wydanej przez Kancelarię Prezesa Rady Ministrów i Ministerstwo Zdrowia, Pracy i Opieki Społecznej Japonii, opublikowanej niedawno we wspólnym dokumencie przedstawiającym stanowisko Japońskiego Towarzystwa ds. Ogrzewania, Klimatyzacji i Inżynierii Sanitarnej (SHASE) oraz Japońskiego Instytutu Architektów (AIJ), który objaśnia wspomniane powyżej sposoby transmisji. Emisja kropelek od zakażonej osoby może mieć miejsce w wyniku zachodzenia różnych procesów, takich jak kaszel, kichanie, wymioty, mówienie i oddychanie. Ilości i rozkład według wielkości wydychanych cząstek naturalnie się różnią w zależności od rodzaju procesu.

W sposobie przenoszenia czynników chorobotwórczych drogą powietrzną, gdzie cząstki zazwyczaj nie przekraczają 10 mm, zjawisko to zwykle wiąże się z odparowaniem znacznej części masy wody kropli i zredukowaniem jej do wyschniętej reszty zawierającej wirusy lub bakterie, które mogą być wdychane przez podatnego na zakażenie żywiciela.

Rysunek 6. Sposoby przenoszenia wydychanych czynników chorobotwórczych (na podstawie broszury Kancelarii Prezesa Rady Ministrów i Ministerstwa Zdrowia, Pracy i Opieki Społecznej Japonii [2020])

Na rysunku 7. przedstawiono ilustrację zaczerpniętą z artykułu autorstwa Morawskiej [2006] ukazującą czasy parowania kropelek wody w zależności od ich średnicy i wilgotności względnej otoczenia. Mniejsze kropelki (1 mm) szybko odparowują i są redukowane do wyschniętej reszty zawierającej materiał zakaźny. Jeśli kropla jest zanieczyszczona wirusami, pozostaną one w zawiesinie. Jej trwałość będzie zależeć od takich czynników, jak temperatura, wilgotność oraz występująca w danym miejscu składowa w postaci promieniowania ultrafioletowego. Istnieje wiele badań na temat zdolności przetrwania wirusów w powietrzu, które Morawska również opisała w swoim artykule [2006]. Wykazują one różne zachowania w zależności od tego, czy wirusy mają zewnętrzną osłonkę lipidową, czy też są jej pozbawione. W przypadku wirusów typu koronawirus, które mają osłonkę lipidową, nasuwa się wniosek, że ta warstwa lepiej utrzymuje się w suchym środowisku i jest niszczona w wilgotniejszych środowiskach, w przeciwieństwie do tego, co dzieje się z wirusami, które są pozbawione osłonki lipidowej (Roe [1992] oraz Pillai i Ricke [2002]). W przypadku wpływu temperatury trwałość wirusów zazwyczaj jest wyższa w niskich temperaturach niż w wysokich. Promieniowanie słoneczne obejmuje też promieniowanie ultrafioletowe, które redukuje przeżywalność wirusów. W zamkniętych pomieszczeniach pozbawionych bezpośredniego dostępu do światła naturalnego istnieją bardziej sprzyjające warunki do przetrwania wirusów występujących w postaci cząstek unoszących się w powietrzu. Podsumowując: trwałość wirusów typu SARS-CoV-2 w bioaerozolu, zgodnie z trajektoriami istniejących strumieni powietrza na miejscu, jest największa w zimnym, suchym środowisku bez dostępu do światła naturalnego.

Drugim sposobem przenoszenia przedstawionym na rysunku 6. jest bezpośrednia transmisja przez kropelki, które przemieszczają się od zainfekowanej osoby zakażającej do podatnego żywiciela i są przez niego wdychane. Zwykle dzieje się tak w przypadku kropli o pośredniej wielkości, od około 10 mm do 50 mm, które mogą pokonać drogę między osobą zakażającą a zakażaną przed całkowitym odparowaniem. Podczas kaszlu lub kichania początkowa prędkość strumienia opuszczającego jamę ustną osoby zakażającej standardowo wynosi od 10 do 30 m/s. Cząstki szybko pokonują odległość około 1 m między osobą zakażającą a zakażaną. Trajektoria w przybliżeniu przebiega w osi poziomej ze względu na równowagę między aerodynamiczną siłą nośną a siłą grawitacji, które mają podobne wartości i przeciwne kierunki wektorów.

Największe krople, o średnicach od 50 mm do 300 mm, odpowiadają za przenoszenie wirusa poprzez kontakt. W tym przypadku siła grawitacji jest dominująca, ponieważ siły natury aerodynamicznej tracą względny wpływ. W związku z tym cząstki te opadają szybciej i osiadają na powierzchniach, tworząc tzw. materiał zakaźny, obejmujący również przedmioty. Istnieje kilka rodzajów zachowań, które mogą powodować przedostawanie się czynników chorobotwórczych do organizmu osoby zarażanej (usta, oczy lub nos). Opublikowano kilka artykułów na temat tego sposobu transmisji, na przykład Rheinbahen et al. [2000] i Barker et al. [2001].

Rysunek 7. Czasy odparowania fazy ciekłej w kropelkach wody w zależności od ich wielkości i lokalnej wilgotności względnej

Istnieje konsensus, że przenoszenie czynników chorobotwórczych poprzez kontakt i drogą kropelkową występuje w przypadku transmisji wirusów typu SARS-2. Jeszcze jakiś czas temu istniało przekonanie, że przenoszenie czynników chorobotwórczych drogą powietrzną nie ma znaczenia w przypadkach infekcji wirusowych i że dotyczy głównie bakterii (gruźlicy, legionelli itd.). Prawdopodobnie stąd wynika trudność w ustaleniu związku przyczynowo-skutkowego, gdyż jest to bardziej skomplikowany rodzaj badań, który wiąże się z koniecznością zastosowania znacznie bardziej wyszukanych środków, choć już wiadomo, że np. w przypadku odry, która jest chorobą wirusową, występuje zjawisko przenoszenia czynników chorobotwórczych również przez cząstki zawieszone. Nie uzyskano pełnej jednomyślności co do roli przenoszenia czynników chorobotwórczych drogą powietrzną, ale w najnowszych artykułach liczba dowodów na jego istnienie w przypadkach transmisji wirusów znacznie się zwiększyła. Poniższa tabela przedstawia niektóre artykuły, które potwierdzają istnienie zjawiska przenoszenia infekcji wirusowych za pomocą cząstek unoszących się w powietrzu.

W artykule Li et al. [2007], opublikowanym w czasopiśmie „Indoor Air”, grupa ekspertów z kilku krajów dokonała systematycznej multidyscyplinarnej analizy 40 artykułów opublikowanych w latach 1960–2005 na temat roli przenoszenia czynników chorobotwórczych za pomocą cząstek unoszących się w powietrzu, biorąc pod uwagę, że 10 z 40 artykułów było rozstrzygających i przedstawiało solidne dowody na istnienie związku między wentylacją budynku a przenoszeniem/rozprzestrzenianiem się przez unoszące się w powietrzu cząstki chorób, takich jak odra, gruźlica, ospa, grypa, ptasia grypa i SARS.

Próbując wyjaśnić różnice w szybkości rozprzestrzeniania się SARS-1 i SARS-2 (COVID-19), kilku amerykańskich autorów przeprowadziło badanie porównawcze dotyczące przetrwania tych dwóch typów wirusów w różnych środowiskach i na różnych powierzchniach. W piśmie z 17 marca 2020 roku adresowanym do redaktora „New England Journal of Medicine” autorzy ci stwierdzili, że oba rodzaje pozostają żywotne i zakaźne przez ponad trzy godziny w aerozolach.

Na podstawie tych informacji Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) uznała, że pracownicy służby zdrowia powinni podjąć „środki ostrożności pod kątem cząstek stałych”. Podczas konferencji prasowej zorganizowanej 23 marca 2020 r. doktor Maria Van Kerkhove, dyrektor oddziału chorób nagłych, przekazała mediom informację o następującej treści: „Gdy na oddziale wykonywany jest zabieg kliniczny generujący aerozole, istnieje możliwość aerozolizacji tych cząstek, co oznacza, że mogą one unosić się w powietrzu nieco dłużej”.

Dodała: „Bardzo ważne jest, aby pracownicy służby zdrowia podejmowali dodatkowe środki ostrożności podczas pracy z pacjentami i przy przeprowadzaniu tego typu zabiegów”.

Trudno pojąć, iż na poziomie rady zarządzającej WHO nie ma przekonania, że aerozolizacja nie występuje tylko podczas wykonywania czynności klinicznych z użyciem sprzętu w środowisku szpitalnym, ale że występuje również naturalnie w procesach powiązanych z układem oddechowym (kaszel, kichanie, werbalizacja, oddychanie itp.).

Wykorzystanie najnowszej wiedzy na temat trwałości SARS-2 w aerozolach powinno być znacznie szersze, zwłaszcza w zakresie określenia na nowo pojęcia zachowania bezpiecznej odległości między ludźmi i potrzeby powszechnego stosowania sprzętu chroniącego górne drogi oddechowe (masek i przyłbic) w sytuacjach, w których można przewidzieć przebywanie w środowisku z innymi osobami.

W artykule opublikowanym na łamach czasopisma „Building and Environment” Jianjan Wei i Yuguo Li [2015] przedstawiają wyniki symulacji komputerowej miejsc docelowych cząstek o wymiarach 10 mm, 50 mm i 100 mm wydychanych przez osobę kaszlącą, z początkową prędkością strumienia wychodzącego z jamy ustnej na poziomie 10 m/s. Rysunek 9. ilustruje wnioski z tego artykułu. Jasno wynika z niego, że istnieje ryzyko, iż unoszące się w powietrzu cząstki mogą być wdychane przez osoby znajdujące się w odległości większej niż 2 m zalecanej jako odległość bezpieczna.

Rysunek 8. Strefy przestrzenne potencjalnie zajmowane przez cząstki o wielkości 10 mm, 50 mm i 100 mm wydychane przez osobę z kaszlem (na podstawie Jianjan Wei i Yuguo Li [2015])

Należy podkreślić, że ładunek wirusowy będzie co do zasady proporcjonalny do wielkości kropli lub kropelek. A zatem w mniejszych cząstkach prawdopodobieństwo wywołania infekcji na pewno nie będzie zerowe, ale może być mniejsze niż w przypadku tych większych. W przypadku podjęcia środków tylko dla trybów transmisji poprzez kontakt lub drogą kropelkową, jak to ma miejsce w różnych krajach, proces zakażania nie zostanie przerwany, a przenoszenie czynnika chorobotwórczego drogą powietrzną może stać się dominujące.

Poniżej przedstawiono główne strategie zwalczania ewentualnej transmisji.

Przenoszenie czynników chorobotwórczych poprzez kontakt: częste czyszczenie i dezynfekcja miejsc pracy i powierzchni, które mogą przenosić czynniki chorobotwórcze w budynkach i środkach transportu. Dezynfekcja narzędzi i innych przedmiotów. Częste mycie rąk.

Przenoszenie czynników chorobotwórczych drogą kropelkową: zachowanie dystansu społecznego oraz ograniczenia dotyczące zgromadzeń i przemieszczania się.

Przenoszenie czynników chorobotwórczych drogą powietrzną: zmniejszenie stężenia tych cząstek poprzez rozcieńczenie ich świeżym powietrzem dostarczanym w wyniku procesu wentylacji. Ograniczenie ryzyka przenikania do dróg oddechowych poprzez stosowanie masek i przyłbic.

Wnioski

Ponieważ większość krajów wdrożyła środki walki z przenoszeniem czynników chorobotwórczych poprzez kontakt i drogą kropelkową, należy wprowadzić następujące środki uzupełniające:

• Dopóki istnieje zagrożenie epidemiologiczne, nie należy organizować bezpośrednich spotkań.
• Pomieszczenia, w których przebywają ludzie, muszą być dokładnie wentylowane, wyłącznie świeżym powietrzem, aby zmniejszyć stężenie wirusów w przypadku możliwego zanieczyszczenia zawieszonymi cząstkami, a tym samym zmniejszyć ryzyko infekcji.
• Planując wyjście do miejsc uczęszczanych przez inne osoby, należy założyć maskę i – jeśli to możliwe – przyłbicę. Standardowe maski nie są w pełni skuteczne w zatrzymywaniu najmniejszych cząstek. Ich użycie w połączeniu z przyłbicą znacznie zwiększa poziom ochrony.
• Osoby pracujące w miejscach publicznych muszą nosić maskę i przyłbicę, aby chronić górne drogi oddechowe.
• W przypadku pracowników służby zdrowia należy zastosować wyjątkowe środki ochrony ze względu na wysokie ryzyko infekcji.

Źródło: www.rehva.eu

Literatura

Barker J., Stevens D., Bloomfield S.F. [2001], Spread and prevention of some common viral infections in community facilities and domestic homes, „J. Appl. Microbiol.” 91: 7–21.

Bourouiba L., Dehandschoewercker E., Bush J.W.M., Violent Expiratory Events: On Coughing and Sneezing, „Journal of Fluid Mechanics” 745 (24 marca 2014 r.): 537–563. © 2014 Cambridge University Press.

Holbrook M. et al., Letter to the Editor, „The New England Journal of Medicine”, 17 marca 2020 r.

Kancelaria Prezesa Rady Ministrów, ulotka Let’s Avoid These Three Conditions When We Go Out! (w języku japońskim), https://www.kantei.go.jp/jp/content/000061234.pdf (dostęp: 21 marca 2020 r.).

Klontz K.C., Hynes N.A., Gunn R.A., Wilder M.H., Harmon M.W., Kendal A.P. [1989], An outbreak of influenza A/Taiwan/1/86 (H1N1) infections at a naval base and its association with airplane travel, „American Journal of Epidemiology” 129: 341–48.

Li Y., Huang X., Yu I.T.S., Wong T.W., Qian H. [2005a], Role of air distribution in SARS transmission during the largest nosocomial outbreak in Hong Kong, „Indoor Air” 15(2): 83–95.

Li Y., Duan S., Yu I.T.S., Wong T.W. [2005b], Multi‐zone modeling of probable SARS virus transmission by airflow between flats in Block E, Amoy Gardens, „Indoor Air” 15(2): 96–111.

Li Y., Leung G.M., Tang J.M., Yang X., Chao C.Y.H., Lin J.Z., Lu J.W., Nielsen P.V., Niu J., Qian H., Sleigh A.C., Su H.‐J.J., Sundell J., Wong T.W., Yuen P.L. [2007], Role of ventilation in airborne transmission of infectious agents in the built environment – a multidisciplinary systematic review, „Indoor Air” 17(1): 2–18.

McLean R.L. [1961], The effect of ultraviolet radiation upon the transmission of epidemic influenza in long-term hospital patients, „American Review of Respiratory Diseases” 83(2): 36–8.

Mendell M.J., Fisk W.J., Kreiss K., Levin H., Alexander D., Cain W.S., Girman J.R., Hines C.J., Jensen P.A., Milton D.K., Rexroat L.P., Wallingford K.M. [2002], Improving the health of workers in indoor environments: priority research needs for a national occupational research agenda, „Am. J. Public Health” 92: 1430–1440.

Morawska L. [2006], Droplet fate in indoor environments, or can we prevent the spread of infection?, „Indoor Air” 2006; 16: 335–347. DOI:10.1111/j.1600-0668.2006.00432.x.

Moser M.R., Bender T.R., Margolis H.S., Noble G.R., Kendal A.P., Ritter D.G. [1979], An outbreak of influenza aboard a commercial airliner, „American Journal of Epidemiology” 110(1): 1–6.

Pillai S.D., Ricke S.C. [2002], Bioaerosols from municipal and animal wastes: background and contemporary issues, „Can. J. Microbiol.” 48: 681.

Rheinbahen F.V., Schunemann S., Gross T., Wolff M.H. [2000], Transmission of viruses via contact in a household setting: experiments using bacteriophage X174 as a model of virus, „J. Hosp. Infect.” 46: 61–66.

Roe F.J.C. [1992], Virus and other infections in the context of indoor air quality, „Pollution Atmospherique” 134: 48–51.

Sun Y., Wang Z., Zhang Y., Sundell J. [2011], In China, students in crowded dormitories with a low ventilation rate have more common colds: Evidence for airborne transmission, „PLOS ONE” 6(11): e27140.

Wei J., Li Y., Enhanced spread of expiratory droplets by turbulence in a cough jet, „Building and Environment”, Volume 93, Part 2, November 2015: 86–96.

Yu I.T., Li Y., Wong T.W., Tam W., Chan A.T., Lee J.H., Leung D.Y., Ho T. [2004], Evidence of Airborne Transmission of the Severe Acute Respiratory Syndrome Virus, „New England Journal of Medicine” 350: 1731–1739. DOI: 10.1056/NEJMoa032867.