Bioaerosol là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Bioaerosol là khái niệm chỉ các hạt rắn hoặc giọt lỏng kích thước vi mô (từ vài nanomet đến vài chục micromet) mang theo thành phần sinh học như vi khuẩn, virus, bào tử nấm, mảnh vỡ tế bào hoặc phấn hoa. Chúng tồn tại lơ lửng trong không khí và có thể được di chuyển xa theo dòng gió hoặc hệ thống điều hòa, trở thành tác nhân quan trọng trong lan truyền bệnh truyền nhiễm và ô nhiễm không khí nội thất.

Vai trò của bioaerosol rất đa dạng: từ nguy cơ lây nhiễm qua đường hô hấp (ví dụ Mycobacterium tuberculosis, SARS-CoV-2) đến ứng dụng trong nông nghiệp (phun phân bón vi sinh, kiểm soát dịch bệnh cây trồng) và công nghiệp sinh học (phun men lên men). Mức độ tập trung và thành phần của bioaerosol được xem là chỉ báo sức khỏe môi trường và chất lượng không khí, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng.

Nghiên cứu bioaerosol kết hợp kiến thức về vi sinh, cơ học khí thực nghiệm và kỹ thuật thu mẫu không khí. Việc hiểu rõ đặc tính phân tán, sinh tồn và tác động sinh lý của bioaerosol giúp phát triển các biện pháp kiểm soát hiệu quả như hệ thống lọc HEPA, tia UV-C và duy trì độ ẩm lý tưởng trong không gian kín (CDC – Bioaerosols).

Định nghĩa và phân loại

Bioaerosol thường được phân nhóm theo hai tiêu chí chính: nguồn gốc phát sinh và kích thước hạt. Theo nguồn gốc, chúng chia thành:

• Tự nhiên: phát sinh từ đất đai, thực vật, nước biển; ví dụ bào tử nấm Fusarium, phấn hoa, vi khuẩn đất.
• Nhân tạo: sinh ra trong công nghiệp, y tế, sinh hoạt; ví dụ sợi huyết tương, virus trong bệnh viện, men vi sinh phun phân bón.

Theo kích thước, bioaerosol được chia làm hai nhóm chính tùy khả năng xâm nhập vào đường hô hấp:

• Hạt mịn (PM2.5): < 2.5 µm, có thể đi sâu vào tiểu phế quản và phế nang, tiềm ẩn nguy cơ cao về sức khỏe.
• Hạt thô (PM2.5–10): 2.5–10 µm, chủ yếu lắng đọng ở đường hô hấp trên và khí quản.

Hiểu rõ phân loại bioaerosol giúp lựa chọn phương pháp thu mẫu và biện pháp kiểm soát phù hợp, đồng thời xác định mức độ nguy cơ trong các môi trường khác nhau.

Nguồn gốc và thành phần

Bioaerosol phát sinh từ nhiều nguồn môi trường:

• Nông nghiệp: phun phân bón vi sinh, luống đất và hoạt động cày xới tạo ra bào tử nấm Aspergillus, Fusarium và vi khuẩn Saccharopolyspora (WHO – Bioaerosol Impacts).
• Đô thị và công nghiệp: hệ thống điều hòa không khí, vòi sen, máy giặt, nơi tích tụ nước ứ đọng tạo điều kiện sinh sôi Legionella và Pseudomonas.
• Bệnh viện và phòng thí nghiệm: mảnh vỡ mô, sợi huyết tương, virus cúm, SARS-CoV-2 giải phóng khi bệnh nhân ho, hắt hơi hoặc khi xử lý bệnh phẩm.

Thành phần bioaerosol rất đa dạng, bao gồm:

• Vi khuẩn (Gram dương, Gram âm), bào tử nấm, vi khuẩn thân gỗ (actinomycetes).
• Virus đường hô hấp (influenza, coronavirus), virus ruột (enterovirus) qua tia bắn nước bọt.
• Thành phần không sống như endotoxin (lipopolysaccharide), glucan và mảnh vỡ tế bào có thể gây viêm đường hô hấp.

Phân tích đa dạng thành phần bằng kỹ thuật giải trình tự 16S/18S rRNA và metagenomics cung cấp bức tranh toàn diện về cấu trúc quần thể vi sinh trong bioaerosol.

Đặc tính vật lý và hóa học

Bioaerosol tuân theo quy luật khí động học và định luật Stokes khi lắng đọng trong không khí. Vận tốc lắng đọng của hạt được tính theo công thức:

$v = \frac{\rho_p d^2 g}{18 \mu}$, trong đó ρₚ là mật độ hạt, d đường kính, g gia tốc trọng trường, μ độ nhớt không khí.

Kích thước và mật độ ảnh hưởng đến khả năng lan truyền và thời gian tồn tại của bioaerosol. Hạt PM2.5 có thể lơ lửng hàng giờ, trong khi hạt lớn hơn nhanh chóng lắng xuống bề mặt.

Độ ẩm tương đối và tia UV đóng vai trò quyết định đến khả năng sống sót của vi sinh vật trong bioaerosol. Độ ẩm 40–60% thường ức chế virus và bào tử nấm, trong khi tia UV-C có thể bất hoạt vi sinh mà không dùng hóa chất (NIOSH Manual).

Phương pháp thu thập và phân tích

Thu thập bioaerosol thường dùng các thiết bị lọc (filter samplers) hoặc máy ly tâm xoáy (cyclone samplers) để giữ lại hạt trong không khí. Máy lọc sử dụng màng cellulose hoặc PTFE với hiệu suất bắt giữ hạt ≥0.3 µm, phù hợp cho phân tích vi sinh nuôi cấy (NIOSH Manual).

Cyclone samplers hút không khí qua buồng xoáy, đẩy hạt lớn lắng ở đáy bình chứa, cho phép thu mẫu nguyên vẹn màng tế bào. Độ lưu dòng (flow rate) 2–10 L/phút và thời gian thu mẫu 10–60 phút tùy nồng độ sinh học mục tiêu.

Phân tích định lượng tách thành hai nhóm:

• Cấy bản thạch: đếm khuẩn lạc (CFU) trên môi trường lựa chọn, xác định vi khuẩn và nấm nuôi cấy được.
• Kỹ thuật phân tử: qPCR đo số bản sao gene 16S/18S, metagenomics xác định đa dạng loài, cho kết quả nhanh và bao quát (NCBI PMC).

Kết hợp kính hiển vi huỳnh quang (Epifluorescence) và nhuộm DAPI hoặc SYBR Green giúp đếm tổng số tế bào (vi khuẩn sống và chết). Các phương pháp này thường được phối hợp để đánh giá cả nồng độ và tính khả dụng sinh học của bioaerosol.

Ảnh hưởng sức khỏe

Bioaerosol là con đường truyền nhiễm quan trọng của nhiều bệnh lý đường hô hấp. Virus SARS-CoV-2 và influenza lây qua hạt < 5 µm có thể xâm nhập tận cùng phế nang, gây viêm phổi và hội chứng suy hô hấp cấp (WHO COVID-19).

Hen suyễn và viêm phế quản mạn (COPD) có liên quan mật thiết đến hít phải bào tử nấm Alternaria, Cladosporium và endotoxin từ vi khuẩn Gram âm. Nghiên cứu tại Hoa Kỳ cho thấy nồng độ endotoxin >100 EU/m³ làm tăng 30 % nguy cơ lên cơn hen (NCBI PMC).

Dị ứng bioaerosol biểu hiện qua viêm mũi dị ứng, chàm và sốc phản vệ phấn hoa. Phấn hoa Ambrosia artemisiifolia (ragweed) với hạt 20–30 µm gây viêm mũi theo mùa, nồng độ ≥50 hạt/m³ trong không khí bậc 1–2 gây triệu chứng nặng.

Ảnh hưởng môi trường

Bioaerosol mang gene kháng kháng sinh (ARGs) lan truyền qua hệ thống nước thải và không khí, góp phần vào kháng thuốc toàn cầu. Hệ thống xử lý nước thải chỉ loại bỏ 70 % ARGs, phần còn lại phát tán thành bioaerosol tại trạm xử lý (NCBI PMC).

Trong chu trình sinh địa hóa, bioaerosol đóng vai trò như vector phân tán vi sinh vật phân giải chất hữu cơ và khoáng, hỗ trợ quá trình tái sinh môi trường. Tuy nhiên, quá trình này có thể tạo ra by-products độc hại như endotoxin và β-glucan trong không khí nội thất.

Ô nhiễm bioaerosol nội thất do bếp gas, hệ thống điều hòa kém bảo trì và giao thông cao điểm làm giảm chất lượng không khí, tăng nguy cơ viêm đường hô hấp và căng thẳng miễn dịch.

Biện pháp kiểm soát và phòng ngừa

Lọc không khí qua màng HEPA (High Efficiency Particulate Air) loại bỏ ≥99.97 % hạt ≥0.3 µm, hiệu quả giảm nồng độ bioaerosol trong phòng mổ và phòng thí nghiệm sinh học. Thiết bị UV-C (độ dài sóng 254 nm) bất hoạt vi sinh vật khi chiếu trực tiếp hoặc kết hợp với hệ thống lọc (ASHRAE Guidelines).

Kiểm soát độ ẩm tương đối 40–60 % làm giảm khả năng lơ lửng và sống sót của virus và bào tử nấm. Vệ sinh định kỳ đường ống nước, ống gió và bề mặt tiếp xúc ngăn nguồn phát bioaerosol.

• Phun khử khuẩn bề mặt: sử dụng hydrogen peroxide vapor hoặc quaternary ammonium.
• Thông gió tự nhiên hoặc cơ học: tăng lưu thông không khí và giảm tồn lưu bioaerosol.
• Xây dựng quy chuẩn vệ sinh môi trường làm việc cho bệnh viện, phòng thí nghiệm và nhà máy chế biến thực phẩm.

Ứng dụng nghiên cứu

Trong nông nghiệp, phun phân bón vi sinh (biofertilizers) chứa vi khuẩn Rhizobium và Bacillus thuringiensis dưới dạng aerosol cải thiện độ phì nhiêu đất và kiểm soát sâu bệnh. Liều lượng phun 10⁶–10⁸ CFU/mL đạt hiệu quả cao mà không gây ô nhiễm lan rộng.

Bioaerosol cũng được dùng trong phát triển vaccine hít (aerosolized vaccine) cho bệnh lao (BCG vaccine), cho phép kích thích miễn dịch đường hô hấp và giảm tác dụng phụ toàn thân hơn tiêm bắp (NCBI PMC).

Mô hình giám sát dịch bệnh hô hấp dựa trên phân tích bioaerosol tại các trạm thu mẫu không khí công cộng giúp phát hiện sớm đợt bùng phát influenza và coronavirus, hỗ trợ quyết định y tế công cộng.

Thách thức và xu hướng tương lai

Xác định rủi ro từ bioaerosol đa thành phần trong môi trường phức tạp là thách thức lớn do tương tác giữa các loại vi sinh và thành phần không sống. Thiếu chuẩn mực đo lường thống nhất dẫn đến khó so sánh nghiên cứu.

Công nghệ microfluidics và cảm biến nano phát triển cho phép phân tích thời gian thực, định lượng và phân loại vi sinh vật ngay tại hiện trường. Kết hợp học máy (machine learning) với dữ liệu bioaerosol và môi trường giúp xây dựng mô hình dự báo chất lượng không khí và nguy cơ dịch bệnh.

Synthetic biology mở ra triển vọng thiết kế vi sinh vật cảm biến phun aerosol để phát hiện chất độc sinh học hoặc biến đổi môi trường, nhưng cần đánh giá an toàn sinh học chặt chẽ trước khi ứng dụng.

Tài liệu tham khảo

• Centers for Disease Control and Prevention. “NIOSH Manual of Analytical Methods.” Truy cập từ cdc.gov
• World Health Organization. “Air quality and health: Bioaerosols.” Truy cập từ who.int
• Leung, M.H.Y., et al. (2020). “Bioaerosol dynamics in indoor environments.” Environmental Science & Technology. Truy cập từ ACS Publications
• Burge, H.A. (2016). “Bioaerosols: prevalence and health effects in the indoor environment.” Journal of Allergy and Clinical Immunology. Truy cập từ jacionline.org
• Pillai, S.D., Ricke, S.C. (2002). “Bioaerosols from municipal and animal wastes: background and contemporary issues.” Canadian Journal of Microbiology. Truy cập từ nrcresearchpress.com
• ASHRAE. (2021). “Filtration and Disinfection for HVAC Systems.” Truy cập từ ashrae.org