Aeropalynologic monitoring of air pollution in the Rostov region: the results of the 2019 season

Full Text

В последние годы значение аэропалинологических исследований постоянно возрастает в связи с неуклонным увеличением доли пациентов, страдающих аллергическими заболеваниями, вызванными пыльцой растений, прежде всего таких, как сезонный аллергический ринит, аллергический риноконъюнктивит, бронхиальная астма (БА) [1]. В настоящее время до 20% населения Европы страдает поллинозом, который значительно влияет на качество жизни пациента, общую активность, профессиональную деятельность, социальную жизнь и часто приводит к увеличению материальных затрат [2].

Контроль качественного и количественного состава пыльцевого дождя, особенности сезонной и суточной динамики пыления отдельных таксонов, роль пыльцевых зерен в формировании пыльцевой аллергии – это неполный перечень проблем, которые в настоящее время активно исследуются. Решение этих проблем связано в том числе с проблемой мониторинга аэропалинологического состояния атмосферы и развитием сети аэропалинологических станций.

В настоящее время в Европе создана сеть аэропалинологического мониторинга, образована Европейская аэропалинологическая служба под эгидой Международной ассоциации аэробиологов. Общеевропейский банк аэропалинологических данных (пыльцы, спор грибов) объединяет информацию более 100 национальных станций аэропалинологического мониторинга со всей Европы и за ее пределами [3]. Создано мобильное приложение, позволяющее прогнозировать уровень пыльцы в разных регионах и оценивать самочувствие пациентов в баллах [2].

Для стран Европы наиболее распространенными таксонами, вызывающими пыльцевую аллергию, являются пыльца злаковых трав, крапивы, а с учетом специфических территориальных продуцентов – береза, ольха, орешник (для стран Северной Европы), олива, постенница (для стран Средиземноморья) [4]. В отдельных регионах существенный вклад в развитие поллиноза может вносить пыльца полыни, подорожника, щавеля [4]. В США [5], Канаде [6], Франции, Великобритании, Азии и Автралии [7] основным аллергеном является пыльца амброзии.

В России служба аэропалинологического мониторинга существует с 1992 г., однако основные станции мониторинга сосредоточены в центральной полосе России. На юге России до 2019 г. существовали две волюметрические станции — в г. Ставрополе и г. Краснодаре. С 2019 г. начат мониторинг воздушной среды в г. Ростове-на-Дону, и данные, получаемые с этой станции, стали частью единого всероссийского проекта. На сайте Allergotop еженедельно публикуются данные о составе аэроаллергенов в г. Ростове-на-Дону, расположенном в степной зоне, что вносит коррективы в специфику состава воздушной среды. Ростовская область имеет свои климатогеографические особенности: умеренно-континентальный климат с сухим жарким летом, длинным вегетационным периодом растений, обеспечивает длительную палинацию пыльцы в окружающей среде. Это определяет повышенную заболеваемость поллинозом в Ростовской области (РО). По данным выборочных исследований, каждый четвертый житель РО страдает пыльцевой аллергией [8].

Целью нашего исследования было изучение кинетики пыления аллергенных растений в г. Ростове-на-Дону, выделение преобладающих таксонов и составление календаря пыления растений для данного региона.

Материалы и методы

В 2019 г. мониторинг аэроаллергенов проводили в вегетационный период (с марта по ноябрь). Для проведения аэропалинологического мониторинга использовали волюметрическую ловушку Буркарда, позволяющую регистрировать частицы от 5 до 100 мкм. Скорость всасываемого воздуха составляет 10 л/мин, или 14,4 м ³/сут, что соответствует примерно интенсивности дыхания взрослого человека. Пыльцеуловитель Буркарда снабжен флюгером, ориентирующим всасывающее отверстие в соответствии с направлением ветра. Барабан ловушки-импактора имеет часовой механизм, который может быть отрегулирован на любой интервал времени в течение 1 нед, поэтому пыльцеуловитель может непрерывно работать без дополнительного контроля в пределах 1 нед. Определение концентрации и идентификацию пыльцевых зерен (по размерам, особенностям их морфологического строения) проводили с использованием микроскопии (микроскоп «Ломо-Микмед-6») окрашенных препаратов (предметные стекла), полученных с липкой ленты (покрытой смесью вазелина и парафина), снятой с барабана ловушки-импактора. Параллельно информацию фиксировали в виде цифрового фото. Импактор устанавливали на высоте 10 м над уровнем земли [9]. Обработку предметных стекол осуществляли на кафедре почвоведения и оценки земельных ресурсов в Центре коллективного пользования «Современная микроскопия» Южного федерального университета. В дальнейшем определяли содержание пыльцевых зерен (ПЗ) в 1 м³.

Математическая обработка данных, построение графиков и диаграмм выполнены в программе MS Excel 2019. Для учета возможных ошибок, как аппаратных, так и субъективных, применен метод «скользящее среднее» к данным за период пыления (к «длинным» наблюдениям продолжительностью 7 дней). Календарь пыления построен с использованием пакета программ AeRobiology (http://rstudio-pubs-static.s3.amazonaws.com/487049_df18e86409664a2bb89f2b6c62f8feb0.html).

Результаты

Аэропалинологический мониторинг обнаружил, что для г. Ростова-на-Дону продолжительность сезона пыления составляет не менее 8 мес (март – октябрь). В 2019 г. в воздушном бассейне региона зарегистрированы 24 таксона: береза (Betula), тополь (Populus), сосна (Pinus), ель (Picea), клен (Acer), орешник/лещина (Corylus), ольха (Alnus), ива (Salix), ясень (Fraxinus), вяз (Ulmus), липа (Tilia), дуб (Quercus), граб (Carpinus), шелковица (Morus), кипарисовые (Cupressáceae), злаки (Poaceae), бобовые (Fabaceae), подорожник (Plantago), щавель (Rumex), крапива (Urtica), конопля (Cannabis), семейств маревых (Chenopodiaceae), амброзия (Ambrosia), полынь (Artemisia). Также обнаружены нарастающие концентрации спор грибов (Alternaria alternata и Cladosporium herbarum).

Результаты мониторинга аэроаллергенов по месяцам наблюдения за 2019 г. в Ростове-на-Дону представлены следующим образом. Изменение концентрации пыльцы (скользящее среднее значение единиц ПЗ/м³) в марте: доминировали тополь (160 ПЗ/м³), вяз (61 ПЗ/м³), ольха (57 ПЗ/м³), обнаружены единичные ПЗ клена, кипарисовых, лещины, березы. При этом концентрация ПЗ значительно менее выражена в сравнении с таковой спор плесневых грибов: кладоспориум (3526 ед/м³), альтернарии (20 ед/м³). В апреле: преобладание палинации тополя (597 ПЗ/м³); активировались орешник (83 ПЗ/м³), кипарисовые (61 ПЗ/м³), клен (58 ПЗ/м³); отмечены максимальные значения концентрации ПЗ березы (36 ПЗ/м³); зарегистрированы единичные зерна щавеля, шелковицы, сосны. Концентрация спор грибов продолжала расти: кладоспориум (7328 ед/м³), альтернария (237 ед/м³). В мае: наблюдаются максимальные значения концентрации ПЗ шелковицы (459 ПЗ/м³), отмечен рост концентрации крапивы (269 ПЗ/м³), – зерна которой с периодическим подъемом и падением наблюдали до октября, а также вяза (374 ПЗ/м³ с последующим снижением концентрации), щавеля (265 ПЗ/м³), сосны (51 ПЗ/м³), ели (48 ПЗ/м³), маревых (65 ПЗ/м³), подорожника (97 ПЗ/м³). Продолжала расти концентрация спор кладоспориума (24 510 ед/м³), альтернарии (618 ед/м³). В июне наблюдали продолжение палинации луговых и злаковых: крапива (44 ПЗ/м³), щавель (22 ПЗ/м³), маревые (13 ПЗ/м³), единичные зерна злаковых. При этом продолжается регистрация единичных ПЗ деревьев (клен, ольха, береза). По-прежнему высокие и нарастающие концентрации спор грибов: кладоспориум (18 227 ед/м³), альтернарии (569 ед/м³). В июле: в пик цветения луговых и злаковых трав доминирует концентрация ПЗ крапивы (41 ПЗ/м³), щавель снижает активность (12 ПЗ/м³), злаковые составляют 10 ПЗ/м³. Также зафиксировано начало пыления амброзии (с 16.07.2019 – единичные зерна) с тенденцией к постепенному увеличению концентрации (31.07.2019 – 19 ПЗ/м³). Надо отметить, что клинически значимые концентрации ПЗ амброзии (то есть те, при которых отмечаются симптомы пыльцевой аллергии) составляют 10–30 и более ПЗ/м³, что означает возможные проявления амброзийного поллиноза уже в июле в РО. Споры грибов регистрируются в максимальной за весь период наблюдения концентрации: кладоспориум – 32 461 ед/м³, альтернария – 1556 ед/м³ (31.07.2019). Август: царство амброзии (393 ПЗ/м³ – 19.08.2019), полынь – 81 ПЗ/м³, конопля – 58 ПЗ/м³, маревые – 40 ПЗ/м³, крапива – 20 ПЗ/м³, щавель – 16 ПЗ/м³. Концентрация спор грибов стабильно высокая: кладоспориум – 27 744 ед/м³, альтернария – 982 ед/м³. Нами зафиксирован интересный феномен: в день максимальной концентрации ПЗ амброзии (393 ПЗ/м³ – 19.08.2019) наблюдался очередной резкий подъем концентрации спор грибов: кладоспориум – 21 069 ед/м³, альтернария – 721 ед/м³ (рис. 1). Как оказалось, это связано с чрезвычайными погодными условиями (гроза, ураган, дождь) в этот день. В сентябре начинается пик цветения полыни (133 ПЗ/м³), снижается концентрация ПЗ амброзии (111 ПЗ/м³). При этом зафиксирован скачкообразный рост концентрации спор альтернарии (380 ед/м³ – 18.09.2019) (см. рис. 1). В этот день, согласно данным метеостанций, отмечались дожди, повышение влажности до 78%. В октябре на фоне снижения концентрации ПЗ амброзии и полыни (до единичных ПЗ/м³) наблюдался скачок концентрации ПЗ полыни до 110 ПЗ/м³ (03.10.2019). Интересным представляется факт совпадения пика концентрации ПЗ полыни в данный день (03.10.2019) с пиком концентрации спор грибов в этот месяц: кладоспориум – 11 587 ед/м³, альтернария – 389 ед/м³, что также совпало с грозовым дождем.

 

Рис. 1. Изменение концентрации пыльцы отдельных таксонов и спор грибов в августе и сентябре 2019 г. в Ростове-на-Дону

 

В результате аэропалинологического мониторинга были определены вегетационные периоды цветения растений в г. Ростове-на-Дону в сезон палинации 2019 г. А именно, вегетационный период цветения деревьев (первый пик палинации растений) наблюдался с 07.03.2019 по 31.06.2019 с активным пылением с 10.03.2019 по 29.05.2019. Нами отмечено более сильное пыление тополя (суммарное годовое содержание ПЗ достигало 3477 ПЗ/м³), орешника (615 ПЗ/м³), бука (431 ПЗ/м³), шелковицы (2214 ПЗ/м³ с пиком в мае 2019 г.), вяза (1414 ПЗ/м³), ольхи (577 ПЗ/м³), клена (250 ПЗ/м³), березы (308 ПЗ/м³), сосны и ели (226 и 273 ПЗ/м³ соответственно). Обнаружены таксоны кипарисовых, семейство которых сейчас часто используют в региональном ландшафтном дизайне (127 ПЗ/м³ с пиком в апреле). Кипарис аризонский, или кипарисовое дерево, – вечнозеленое растение, которое часто используется в качестве декоративной посадки в садах, парках и скверах. Также при проведении мониторинга зафиксирована пиковая концентрация пыльцы березы в клинически значимой концентрации – 36 ПЗ/м³ (за весь период вегетации – 222 ПЗ/м³), что является неожиданным в ростовском степном регионе. По данным аэропалинологического исследовательского мониторинга, проводимого в 1971 г., ее концентрация составляла 0 ПЗ/м³ [10]. Удельный вес основных пыльцевых таксонов в первую волну пыления представлен на рис. 2.

 

Рис. 2. Соотношение основных таксонов в первую волну пыления в г. Ростове-на-Дону, 2019 г. (пыльцевые таксоны обозначены цифрами и отмечены разными цветами)

 

Активность цветения злаковых трав (второй пик палинации растений) в регионе в 2019 г. приходилась на период с 28.04.2019 по 30.07.2019 с длительным периодом вегетации с 02.04.2019 по 14.09.2019, маревые цвели на протяжении 5 мес (с 02.05.2019 по 03.10.2019). В летний период палинации доминировала пыльца крапивы – 32,7%, щавеля – 37,4%, злаков – 4,1%, маревых – 13,8% (рис. 3). Было отмечено раннее пыление злаков, которое началось единично с 28.04.2019 с последующим нарастанием и продолжалось в течение длительного периода – по октябрь. Концентрация маревых наблюдалась с суммарным содержанием пыльцевых зерен в мае – 381 ПЗ/м³ и августе – 472 ПЗ/м³.

 

Рис. 3. Соотношение основных таксонов во вторую волну пыления в г. Ростове-на-Дону, 2019 г.

 

Третий пик палинации растений в основном был сформирован поступлением в воздух пыльцы амброзии (Ambrosia), полыни (Artemisia), маревых (Chenopodiaceae), крапивы (Urtica) и длился с 01.08.2019 по 03.10.2019, при этом весь период вегетации составил 4 мес (с 18.07.2019 по 28.10.2019). В летне-осенний период палинации в 2019 г. преобладали ПЗ амброзии и полыни – 59,7 и 25,2% соответственно от общего числа ПЗ за данный период (рис. 4). Пыление сложноцветных в 2019 г. было интенсивным, максимальное число ПЗ в сутки амброзии достигало 393 ПЗ/м³, полыни – 133 ПЗ/м³ с суммарным содержанием ПЗ 3580 и 1056 ПЗ/м³ соответственно. Суммарное содержание ПЗ основных таксонов и зарегистрированные три волны палинации (весенняя, весенне-летняя и летне-осенняя) представлены на рис. 5, а.

 

Рис. 4. Соотношение основных таксонов в третью волну пыления в г. Ростове-на-Дону, 2019 г.

 

Рис. 5. Суммарное содержание ПЗ основных таксонов (а) и спор грибов (б) за период наблюдения (март-октябрь) 2019 г. в Роcтове-на-Дону

 

Весь период проведения мониторинга наблюдались высокие концентрации спор грибов (Alternaria и Cladosporium). С апреля по март идет быстрое нарастание концентрации в десятки раз: Alternaria за март – 342 ед/м³, апрель – 2620 ед/м³, Cladosporium – 8967 и 98 935 ед/м³ соответственно. В мае и июне концентрация спор плесневых грибов держалась практически в неизменных концентрациях, для альтернарии – 6760 ед/м³ в мае и 6474 ед/м³ в июне, кладоспориума – 308 495 ед/м³ в мае и 274 449 ед/м³ в июне. В июле-августе с началом цветения сорных трав мы наблюдали резкий подъем концентрации Alternaria и Clado- sporium (12 370 и 434 153 ед/м³ соответственно), с сентября начался такой же резкий спад концентрации спор альтернарии до 3175 ед/м³ и кладоспориума – 162 631 ед/м³. В ноябре нами выявлено также наличие спороношения грибов Alternaria – 1226 ед/м³ и Cladosporium – 94 539 ед/м³. Суммарная же концентрация спор плесневых грибов за весь период проведения мониторинга составила для Alternaria 49 340 ед/м³ и для Cladosporium – 1 958 249 ед/м³ (рис. 5, б).

По результатам исследования был составлен календарь пыления для г. Ростова-на-Дону. При этом необходимо отметить, что имеющийся до нашего исследования календарь цветения растений в регионе не обновлялся на протяжении 47 лет в связи с отсутствием постоянного аэропалинологического мониторинга и был составлен в 1972 г. по материалам исследовательской работы [10]. Нами обновлен календарь цветения и уровней концентрации растений, внесены данные по концентрации спор грибов (что ранее не отражалось) (рис. 6). Для составления календаря пыления были отобраны 23 таксона, пыльца которых доминирует в воздухе на территории г. Ростова-на-Дону и обладает аллергенными свойствами, а также включены полученные данные спороношения зафиксированных плесневых грибов (см. рис. 6).

 

Рис. 6. Календарь пыления растений и спороношения грибов для г. Ростова-на-Дону, 2019 г.

 

Обсуждение

Результаты проведения аэропалинологического мониторинга в г. Ростове-на-Дону в 2019 г. (март-октябрь) включали следующее.

Обнаружены споры плесневых грибов в атмосферном воздухе на протяжении всего периода ведения мониторинга (март-ноябрь). Основные споры, выявленные в атмосферном воздухе, были представлены плесневыми грибами Cladosporium herbarum и Alternaria alternata. Учитывая, что сенсибилизация плесенью является мощным фактором риска развития тяжелого аллергического ринита, БА, а также доминирование летучих спор Cladosporium herbarum в атмосфере, выявленное аэропалинологическим мониторингом, рекомендуется дальнейшее изучение аллергена Cladosporium и его влияния на возникновение и течение аллергического ринита и БА.

Выявлена особенность палинации растений в 2019 г., состоящая в увеличении вегетационного периода пыления деревьев (период с 07.03.2019 по 31.06.2019), злаковых (с 02.04.2019 по 14.09.2019), маревых (с 02.05.2019 по 03.10.2019), сорных трав (с 18.07.2019 по 28.10.2019).

В отличие от сезонов 1971–1974 гг., когда в атмосферном воздухе не удавалось обнаружить ПЗ березы [10], в 2019 г. ПЗ березы присутствовали в заметных количествах (за весь вегетационный период – 222 ПЗ/м³ с пиком пыления в концентрации 36 ПЗ/м³).

Отчетливо заметным было увеличение пиковой концентрации ПЗ амброзии (393 ПЗ/м³) в сравнении с этими же данными за 1971–1974 гг. (265 ПЗ/ м³). Обнаружение при аэропалинологическом мониторинге ПЗ кипарисовых (за вегетационный период – 127 ПЗ/м³, пик концентрации – в апреле) может быть объяснено изменением ландшафтных традиций в современных условиях.

Таким образом, в результате проведенного исследования установлен качественный и количественный состав аэроаллергенов в окружающей среде региона, определена кинетика пыления аллергенных растений и спороношения плесневых грибов в воздушной среде, составлен календарь пыления растений для г. Ростова-на-Дону. Одновременный период цветения трав и спороношения грибов увеличивает антигенную нагрузку [8], что способствует увеличению сенсибилизации и развитию аллергических заболеваний у населения Ростовской области. Наслоение периодов пыления растений способствует трансформации аллергических заболеваний в более тяжелые формы, расширению причинно-значимых аллергенов и микст-сенсибилизации [8]. Понимание спектра сенсибилизации пациента к аэроаллергенам может увеличить эффективность подобранной аллергенспецифической иммунотерапии, а почасовая оценка концентрации пыльцы и спор грибов с параллельным наблюдением за метеорологическими условиями позволит уменьшить число обострений аллергических заболеваний и вызовов бригад скорой медицинской помощи. Проведение ежегодного мониторинга аэроаллергенов в атмосферном воздухе позволит создать статистическую модель для прогнозирования концентрации пыльцы растений и спор грибов на последующие годы и обеспечить в будущем прогнозирование заболеваемости аллергическими болезнями, вызванными пыльцой растений.

About the authors

Ella V. Churyukina

Rostov State Medical University

Author for correspondence.
Email: echuryukina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6407-6117

Head of Division for Allergic and Autoimmune diseases, PhD, Docent

Russian Federation, Rostov-on-Don

Olga P. Ukhanova

Stavropol State Medical University

Email: uhanova_1976@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7247-0621

Professor of the Department of Clinical Immunology, MD, PhD

Russian Federation, Stavropol

Elena А. Goloshubova

Stavropol State Medical University

Email: Elena_goloshubova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8410-7080

Post-graduate Student of the Department of Clinical Immunology, the allergist-immunologist, aerobiologist

Russian Federation, Stavropol

References

Supplementary files