QUÍMICA FÍSICA

La teoría de Brunauer-Emmett-Teller ( BET ) tiene como objetivo explicar la adsorción física de moléculas de gas en una superficie sólida y sirve como base para una técnica de análisis importante para la medición del áreade superficie específica de los materiales. En 1938, Stephen Brunauer , Paul Hugh Emmett y Edward Tellerpublicaron el primer artículo sobre la teoría BET en el Journal of American Chemical Society . ^[1] La teoría BET se aplica a los sistemas de adsorción multicapa y usualmente utiliza gases de sondeo que no reaccionan químicamente con las superficies del material como adsorbatos para cuantificar el área de superficie específica. El nitrógeno es el adsorbato gaseoso más empleado para el sondeo de superficies mediante métodos BET. Por esta razón, el análisis BET estándar se realiza con mayor frecuencia a la temperatura de ebullición de N ₂(77 K). También se utilizan adsorbatos de sondeo adicionales, aunque con una frecuencia más baja, lo que permite la medición del área de superficie a diferentes temperaturas y escalas de medición. Estos han incluido argón, dióxido de carbono y agua. El área de superficie específica es una propiedad dependiente de la escala, sin un valor verdadero único de área de superficie específica definible, y por lo tanto, las cantidades de área de superficie específica determinadas a través de la teoría BET pueden depender de la molécula de adsorbato utilizada y su sección transversal de adsorción.

Concepto [ editar ]

Modelo BET de adsorción multicapa, es decir, una distribución aleatoria de sitios cubiertos por una, dos, tres, etc., moléculas adsorbentes.

El concepto de la teoría es una extensión de la teoría de Langmuir , que es una teoría para la adsorción molecular en monocapa, a la adsorción en múltiples capas con las siguientes hipótesis:

1. Las moléculas de gas se adsorben físicamente en un sólido en capas infinitamente;
2. Las moléculas de gas solo interactúan con las capas adyacentes; y
3. La teoría de Langmuir se puede aplicar a cada capa.

La ecuación BET resultante es

$${\ displaystyle {\ frac {1} {v \ left [\ left ({p_ {0}} / {p} \ right) -1 \ right]}} = {\ frac {c-1} {v _ {\ mathrm {m}} c}} \ left ({\ frac {p} {p_ {0}}} \ right) + {\ frac {1} {v_ {m} c}}, \ qquad (1)}

dónde $${\ displaystyle p} y $${\ displaystyle p_ {0}}son el equilibrio y la presión de saturación de los adsorbatos a la temperatura de adsorción,$${\ displaystyle v} es la cantidad de gas adsorbida (por ejemplo, en unidades de volumen), y $${\ displaystyle v _ {\ mathrm {m}}}Es la cantidad de gas adsorbido en monocapa .$${\ displaystyle c}es la constante BET ,

$${\ displaystyle c = \ exp \ left ({\ frac {E_ {1} -E _ {\ mathrm {L}}} {RT}} \ right), \ qquad (2)}

dónde $${\ displaystyle E_ {1}} es el calor de adsorción para la primera capa, y $${\ displaystyle E _ {\ mathrm {L}}}Es eso para las capas segunda y superior y es igual al calor de la licuefacción .

Parcela BET

La ecuación (1) es una isoterma de adsorción y se puede trazar como una línea recta con$${\ displaystyle {1} / {v [({p_ {0}} / {p}) - 1]}} en el eje y y $${\ displaystyle \ varphi = {p} / {p_ {0}}}En el eje x según resultados experimentales. Esta trama se llama una trama BET . La relación lineal de esta ecuación se mantiene solo en el rango de{\ displaystyle 0.05 <{p} / {p_ {0}} <0 .35="" font="">. El valor de la pendiente.$${\ displaystyle A} y la intersección de y $${\ displaystyle I} de la línea se utilizan para calcular la cantidad de gas adsorbido en monocapa $${\ displaystyle v _ {\ mathrm {m}}} y la constante BET $${\ displaystyle c}. Se pueden usar las siguientes ecuaciones:

$${\ displaystyle v_ {m} = {\ frac {1} {A + I}} \ qquad (3)}

$${\ displaystyle c = 1 + {\ frac {A} {I}}. \ qquad (4)}

El método BET se usa ampliamente en la ciencia de la superficie para el cálculo de áreas superficiales de sólidosmediante la adsorción física de moléculas de gas. La superficie total.$${\ displaystyle S _ {\ mathrm {total}}}y la superficie específica $${\ displaystyle S _ {\ mathrm {BET}}} son dados por

$${\ displaystyle S _ {\ mathrm {total}} = {\ frac {\ left (v _ {\ mathrm {m}} Ns \ right)} {V}}, \ qquad (5)}

$${\ displaystyle S _ {\ mathrm {BET}} = {\ frac {S _ {\ mathrm {total}}} {a}}, \ qquad (6)}

dónde $${\ displaystyle v _ {\ mathrm {m}}} está en unidades de volumen que también son las unidades del volumen de monocapa del gas adsorbato, $${\ displaystyle N}es el numero de avogadro ,$${\ displaystyle s} La sección transversal de adsorción de las especies adsorbentes, $${\ displaystyle V}el volumen molar del gas adsorbato, y$${\ displaystyle a} La masa de la muestra sólida o adsorbente.

Derivación [ editar ]

La teoría BET se puede derivar de manera similar a la teoría de Langmuir , pero al considerar la adsorción de moléculas de gas de múltiples capas, donde no se requiere que una capa se complete antes de que comience la formación de una capa superior. Además, los autores hicieron cinco suposiciones: ^[3]

1. Las adsorciones se producen solo en sitios bien definidos de la superficie de la muestra (uno por molécula)
2. La única interacción molecular considerada es la siguiente: una molécula puede actuar como un único sitio de adsorción para una molécula de la capa superior.
3. La capa de la molécula superior está en equilibrio con la fase gaseosa, es decir, las tasas de adsorción y desorción de moléculas similares.
4. La desorción es un proceso cinéticamente limitado, es decir, se debe proporcionar un calor de adsorción:
   • estos fenómenos son homogéneos, es decir, el mismo calor de adsorción para una capa de molécula dada.
   • es E ₁ para la primera capa, es decir, el calor de adsorción en la superficie de la muestra sólida
   • las otras capas se asumen similares y pueden representarse como especies condensadas, es decir, estado líquido. Por lo tanto, el calor de la adsorción es E _L es igual al calor de la licuefacción.
5. A la presión de saturación, el número de la capa de la molécula tiende a infinito (es decir, equivalente a que la muestra está rodeada por una fase líquida)

Consideremos una cantidad dada de muestra sólida en una atmósfera controlada. Let θ _i ser la fracción de cobertura de la superficie de la muestra cubierta por un número i de capas de moléculas sucesivas. Supongamos que la tasa de adsorción R _ads, i -1 para las moléculas en una capa ( i -1) (es decir, la formación de una capa i ) es proporcional tanto a su superficie fraccional tional _i -1 como a la presión P , y que la tasa de desorción R _des, i en una capa i también es proporcional a su superficie fraccional θ _i :

$${\ displaystyle R _ {\ mathrm {ads}, i-1} = k_ {i} P \ Theta _ {i-1}}

$${\ displaystyle R _ {\ mathrm {des}, i} = k _ {- i} \ Theta _ {i},}

donde k _i y k _- i son las constantes cinéticas (dependiendo de la temperatura) para la adsorción en la capa ( i- 1) y la desorción en la capa i , respectivamente. Para las adsorciones, estas constantes se asumen similares independientemente de la superficie. Suponiendo una ley de Arrhenius para la desorción, las constantes relacionadas se pueden expresar como

$${\ displaystyle k_ {i} = \ exp (-E_ {i} / RT),}

donde E _i es el calor de adsorción, igual a E ₁ en la superficie de la muestra y a E _{L de lo} contrario.

Encontrar el rango BET lineal [ editar ]

Todavía no está claro cómo encontrar el rango lineal de la gráfica BET para materiales microporosos de una manera que reduzca cualquier subjetividad en la evaluación de la capacidad de la monocapa. Rouquerol et al. ^[4]sugirió un procedimiento que se basa en dos criterios:

• C debe ser positivo, lo que implica que cualquier intercepción negativa en el gráfico BET indica que uno está fuera del rango válido de la ecuación BET.
• La aplicación de la ecuación BET debe limitarse al rango donde el término V (1-P / P ₀ ) aumenta continuamente con P / P ₀ .

Aplicaciones [ editar ]

Pasta de cemento [ editar ]

Mediante la aplicación de la teoría BET es posible determinar la superficie interna de la pasta de cementoendurecida . Si la cantidad de vapor de agua adsorbida se mide a diferentes niveles de humedad relativa, se obtiene un gráfico BET. Desde la pendiente$${\ displaystyle A} y la intersección en y $${\ displaystyle I} En la parcela es posible calcular. $${\ displaystyle v _ {\ mathrm {m}}} y la constante BET $${\ displaystyle c}. En el caso de pasta de cemento endurecida en agua ( T = 97 ° C), la pendiente de la línea es$${\ displaystyle A = 24.20} y la intersección y $${\ displaystyle I = 1/3}; de esto sigue

$${\ displaystyle v _ {\ mathrm {m}} = {\ frac {1} {A + I}} = 0.0408,

$${\ displaystyle c = 1 + {\ frac {A} {I}} = 73.6.}

A partir de esto la superficie específica BET $${\ displaystyle S _ {\ mathrm {BET}}} se puede calcular mediante el uso de la ecuación mencionada anteriormente (una molécula de agua cubre $${\ displaystyle s = 0.114 \ mathrm {nm} ^ {2}}). Sigue así$${\ displaystyle S _ {\ mathrm {BET}} = 156 \ mathrm {m} ^ {2} / \ mathrm {g}} lo que significa que la pasta de cemento endurecida tiene una superficie interior de 156 metros cuadrados por gramo de cemento.

Carbón activado [ editar ]

Por ejemplo, el carbón activado absorbe fuertemente muchos gases y tiene una sección transversal de adsorción$${\ displaystyle s}de 0.162 nm ² para la adsorción de nitrógeno a temperatura de nitrógeno líquido (77 K). La teoría BET se puede aplicar para estimar el área de superficie específica del carbón activado a partir de datos experimentales, lo que demuestra un área de superficie específica grande, incluso alrededor de 3000 m ² / g. ^[5] Sin embargo, esta área de superficie se sobrestima en gran medida debido a una mayor absorción en los microporos, ^[6] y se deben usar métodos más realistas para su estimación, como el método del efecto de poro de sustracción (SPE). ^[7]

Catálisis [ editar ]

En el campo de la catálisis sólida , el área superficial de los catalizadores es un factor importante en la actividad catalítica . Los materiales inorgánicos, como la sílice mesoporosa y los minerales arcillosos en capas , tienen altas áreas de superficie de varios cientos de m ² / g calculados por el método BET, lo que indica la posibilidad de aplicación para materiales catalíticos eficientes.

Cálculo del área superficial específica [ editar ]

La norma ISO 9277 para calcular el área de superficie específica de los sólidos se basa en el método BET.

Los bioaerosoles (abreviatura de aerosoles biológicos ) son una subcategoría de partículas liberadas de los ecosistemas terrestres y marinos a la atmósfera. Consisten en componentes vivos y no vivos, incluidos organismos, métodos de dispersión de organismos y excreciones.

Fondo [ editar ]

Charles Darwin fue el primero en observar el transporte de partículas de polvo ^[2], pero Louis Pasteur fue el primero en investigar los microbios y su actividad en el aire. Antes del trabajo de Pasteur, se utilizaron cultivos de laboratorio para cultivar y aislar diferentes bioaerosoles. Debido a que no todos los microbios pueden cultivarse, muchos no fueron detectados antes del desarrollo de herramientas basadas en el ADN. Pasteur también desarrolló procedimientos experimentales para tomar muestras de bioaerosoles y mostró que se produjo más actividad microbiana en altitudes más bajas y disminuyó en altitudes más altas. ^[3]

Tipos de bioaerosoles [ editar ]

Los bioaerosoles incluyen hongos , bacterias , virus y polen . Sus concentraciones son mayores en la capa límite planetaria (PBL) y disminuyen con la altitud. La tasa de supervivencia de los bioaerosoles depende de varios factores bióticos y abióticos que incluyen las condiciones climáticas, la luz ultravioleta (UV), la temperatura y la humedad, así como los recursos presentes dentro del polvo o las nubes. ^{[4] Los} bioaerosoles encontrados en ambientes marinos consisten principalmente en bacterias, mientras que los que se encuentran en ambientes terrestres son ricos en bacterias, hongos y polen. ^[5] El predominio de bacterias particulares y sus fuentes de nutrientes están sujetos a cambios de acuerdo con el tiempo y la ubicación.^[3]

Los bioaerosoles pueden variar en tamaño desde partículas de virus de 10 nanómetros hasta 100 micrómetros de granos de polen. ^[6] Los granos de polen son los bioaerosoles más grandes y tienen menos probabilidades de permanecer suspendidos en el aire durante un largo período de tiempo debido a su peso. ^[1] En consecuencia, la concentración de partículas de polen disminuye más rápidamente con la altura que los bioaerosoles más pequeños, como las bacterias, los hongos y posiblemente los virus, que pueden sobrevivir en la troposfera superior. En la actualidad, hay poca investigación sobre la tolerancia a la altitud específica de diferentes bioaerosoles. Sin embargo, los científicos creen que la turbulencia atmosférica impacta donde se pueden encontrar diferentes bioaerosoles. ^[5]

Hongo [ editar ]

Las células fúngicas generalmente mueren cuando viajan a través de la atmósfera debido a los efectos desecantes de las altitudes más altas. Sin embargo, se ha demostrado que algunos bioaerosoles fúngicos particularmente resistentes sobreviven en el transporte atmosférico a pesar de la exposición a condiciones severas de luz UV. ^[7] Aunque los niveles de bioaerosol de las esporas de hongos aumentan en condiciones de mayor humedad, también pueden ser activos en condiciones de baja humedad y en la mayoría de los rangos de temperatura. Ciertos bioaerosoles fúngicos incluso aumentan a niveles relativamente bajos de humedad. ^{[ cita requerida ]}

Bacterias [ editar ]

A diferencia de otros bioaerosoles, las bacterias pueden completar ciclos reproductivos completos en los días o semanas que sobreviven en la atmósfera, lo que los convierte en un componente importante del ecosistema de la biota del aire. Estos ciclos reproductivos apoyan una teoría actualmente no probada de que las bacterias bioaerosoles forman comunidades en un ecosistema atmosférico. ^[3] La supervivencia de las bacterias depende de las gotas de agua de la niebla y las nubes que proporcionan nutrientes y protección contra la luz UV a las bacterias. ^[5] Las cuatro agrupaciones bacterianas conocidas que abundan en ambientes aeromicrobianos de todo el mundo incluyen Bacillaceae , Actinobacteria , Proteobacteria y Bacteroidetes . ^[8]

Virus [ editar ]

El aire transporta virus y otros patógenos . Dado que los virus son más pequeños que otros bioaerosoles, tienen el potencial de viajar distancias más largas. En una simulación, un virus y una espora de hongos se liberaron simultáneamente desde la parte superior de un edificio; la espora viajó solo 150 metros, mientras que el virus recorrió casi 200,000 kilómetros horizontales. ^[5]

Polen [ editar ]

Los polen son bioaerosoles no vivos. ^[1] A pesar de ser más pesado y más grande que otros bioaerosoles, algunos estudios muestran que el polen se puede transportar miles de kilómetros. ^[5] Son una fuente importante de alérgenos dispersados ​​por el viento, provenientes particularmente de liberaciones estacionales de pastos y árboles. ^[1] La distancia de rastreo, el transporte, los recursos y la deposición de polen en ambientes terrestres y marinos son útiles para interpretar los registros de polen. ^[1]

Colección [ editar ]

Las principales herramientas utilizadas para recolectar bioaerosoles son placas de recolección, colectores electrostáticos , espectrómetros de masas e impactadores; se utilizan otros métodos, pero son más experimentales en la naturaleza. ^[8] Los filtros de policarbonato (PC) han tenido el éxito de muestreo bacteriano más preciso en comparación con otras opciones de filtro de PC. ^[9]

Impactadores de una etapa [ editar ]

Para recolectar bioaerosoles que caen dentro de un rango de tamaño específico, los impactadores pueden apilarse para capturar la variación de materia particulada (PM). Por ejemplo, un filtro PM ₁₀ permite que pasen los tamaños más pequeños. Esto es similar al tamaño de un cabello humano. Las partículas se depositan en los portaobjetos, placas de agar o cinta adhesiva en la base del impactador. La trampa de esporas de Hirst toma muestras a 10 litros / minuto (LPM) y tiene una veleta para muestrear siempre en la dirección del flujo del viento. Las partículas recolectadas se impactan en un portaobjetos de vidrio vertical engrasado con petróleo. Las variaciones, como la trampa volumétrica de esporas de registro de 7 días, se han diseñado para el muestreo continuo utilizando un tambor de rotación lenta que deposita el material impactado en una cinta de plástico recubierta.^[10] El muestreador de bacterias en el aire puede muestrear a velocidades de hasta 700 LPM, lo que permite recolectar muestras grandes en un corto tiempo de muestreo. El material biológico se impacta y se deposita en una placa de Petri revestida con agar, lo que permite el desarrollo de cultivos. ^[11]

Impactadores en cascada [ editar ]

Al igual que los impactadores de una sola etapa en los métodos de recolección, los impactadores en cascadatienen múltiples cortes de tamaño (PM ₁₀ , PM _2.5 ), lo que permite que los bioaerosoles se separen según el tamaño. La separación del material biológico por el diámetro aerodinámico es útil debido a que los rangos de tamaño están dominados por tipos específicos de organismos (las bacterias existen entre 1 y 20 micrómetros y el polen entre 10 y 100 micrómetros). La línea de Andersen de impactadores en cascada son los más utilizados para probar partículas de aire. ^[12]

Ciclones [ editar ]

Una muestra de ciclón consiste en una cámara circular con la corriente de aerosol entrando a través de una o más boquillas tangenciales. Al igual que un impactador, un muestreador ciclónico depende de la inercia de la partícula para que se deposite en la pared del muestreador a medida que la corriente de aire se curva alrededor de la cámara. También como un impactador, la eficiencia de recolección depende de la tasa de flujo. Los ciclones son menos propensos al rebote de partículas que los impactadores y pueden recolectar grandes cantidades de material. También pueden proporcionar una colección más suave que los impactadores, lo que puede mejorar la recuperación de microorganismos viables. Sin embargo, los ciclones tienden a tener curvas de eficiencia de recolección que son menos nítidas que los impactadores, y es más sencillo diseñar un impactador compacto en cascada en comparación con una cascada de muestreadores de ciclones. ^[13]

Impingers [ editar ]

En lugar de recolectar sobre un sustrato engrasado o una placa de agar, se han desarrollado impulsores para impactar los bioaerosoles en líquidos, como agua desionizada o solución tampón de fosfato. Ehrlich et al. (2006) muestran las eficiencias de recolección de los impactadores. (1966) para ser generalmente más alto que los diseños de impactador de una sola etapa similares. Los impulsores disponibles comercialmente incluyen AGI-30 (Ace Glass Inc.) y Biosampler (SKC, Inc).

Los precipitadores electrostáticos [ editar ]

Los precipitadores electrostáticos, ESP, han ganado recientemente un renovado interés ^[14] por el muestreo de bioaerosol debido a sus eficiencias de eliminación de partículas altamente eficientes y su método de muestreo más suave en comparación con el impacto. Los ESP cargan y eliminan las partículas de aerosol entrantes de una corriente de aire empleando un campo electrostático no uniforme entre dos electrodos y una alta intensidad de campo. Esto crea una región de iones de alta densidad, una descarga de corona, que carga las gotas de aerosol entrantes, y el campo eléctrico deposita las partículas de carga en una superficie de recolección. Dado que las partículas biológicas se analizan normalmente utilizando ensayos basados ​​en líquidos ( PCR , inmunoensayos , análisis de viabilidad) es preferible muestrear directamente en un volumen de líquido para el análisis posterior. Por ejemplo, Pardon et al. ^[15] muestran muestras de aerosoles hasta una interfaz microfluídica aire-líquido, y Ladhani et al., ^[16] muestran muestras de Influenza en el aire hasta una pequeña gota de líquido. El uso de líquidos de bajo volumen es ideal para minimizar la dilución de la muestra y tiene el potencial de ser acoplado a las tecnologías de laboratorio en chip para un rápido análisis del punto de atención .

Filtros [ editar ]

Los filtros a menudo se usan para recolectar bioaerosoles debido a su simplicidad y bajo costo. La recolección de filtros es especialmente útil para el muestreo personal de bioaerosol, ya que son ligeros y discretos. Los filtros pueden ir precedidos por una entrada de tamaño selectivo, como un ciclón o impactador, para eliminar partículas más grandes y proporcionar una clasificación de tamaño de las partículas de bioaerosol. ^[13] Los filtros de aerosol se describen a menudo usando el término "tamaño de poro" o "diámetro de poro equivalente". Tenga en cuenta que el tamaño del poro del filtro NO indica el tamaño mínimo de partícula que será recolectado por el filtro; de hecho, los filtros de aerosol generalmente acumularán partículas mucho más pequeñas que el tamaño de poro nominal. ^[17]

Mecanismos de transporte [ editar ]

Eyección de bioaerosoles en la atmósfera [ editar ]

Los bioaerosoles se introducen típicamente en el aire a través de la turbulencia del viento sobre una superficie. Una vez en el aire, por lo general, permanecen en el PBL, pero en algunos casos alcanzan la troposfera superior y la estratosfera. ^[18] Una vez en la atmósfera, pueden ser transportados local o globalmente: los patrones / fuerzas del viento comunes son responsables de la dispersión local, mientras que las tormentas tropicales y las columnas de polvo pueden mover los bioaerosoles entre los continentes. ^[3] Sobre las superficies de los océanos, los bioaerosoles se generan a través de aerosoles de mar y burbujas. ^[5]

Transporte a pequeña escala a través de las nubes [ editar ]

El conocimiento de los bioaerosoles ha dado forma a nuestra comprensión de los microorganismos y la diferenciación entre microbios, incluidos los patógenos en el aire. En la década de 1970, se produjo un gran avance en la física atmosférica y la microbiología cuando se identificaron las bacterias de nucleación de hielo . ^[19]

La mayor concentración de bioaerosoles se encuentra cerca de la superficie de la Tierra en el PBL. Aquí la turbulencia del viento causa la mezcla vertical, trayendo partículas del suelo a la atmósfera. Los bioaerosoles introducidos en la atmósfera pueden formar nubes, que luego se envían a otras ubicaciones geográficas y se precipitan como lluvia, granizo o nieve. ^[3] Se han observado mayores niveles de bioaerosoles en los bosques tropicales durante y después de los eventos de lluvia. Las bacterias y el fitoplancton de los entornos marinos se han vinculado a la formación de nubes. ^[1]Sin embargo, por esta misma razón, los bioaerosoles no pueden transportarse largas distancias en el PBL ya que las nubes eventualmente los precipitarán. Además, se necesitaría una turbulencia o convección adicionales en los límites superiores del PBL para inyectar bioaerosoles en la troposfera, donde pueden transportar distancias mayores como parte del flujo troposférico. Esto limita la concentración de bioaerosoles a estas altitudes. ^[1]

Las gotas de nubes, los cristales de hielo y las precipitaciones usan bioaerosoles como un núcleo donde el agua o los cristales se pueden formar o retener en su superficie. Estas interacciones muestran que las partículas de aire pueden cambiar el ciclo hidrológico , las condiciones climáticas y la intemperie en todo el mundo. Esos cambios pueden llevar a efectos tales como la desertificación que se magnifica por los cambios climáticos. Los bioaerosoles también se mezclan cuando el aire puro y el smog se encuentran, cambiando la visibilidad y / o la calidad del aire.

Transporte a gran escala a través de plumas de polvo [ editar ]

Las imágenes de satélite muestran que las tormentas sobre desiertos australianos, africanos y asiáticos crean penachos de polvo que pueden llevar el polvo a altitudes de más de 5 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Este mecanismo transporta el material a miles de kilómetros de distancia, incluso moviéndolo entre continentes. Múltiples estudios han apoyado la teoría de que los bioaerosoles se pueden transportar junto con el polvo. ^[20] [21]Un estudio concluyó que un tipo de bacteria presente en el aire presente en un polvo del desierto en particular se encontró en un sitio a 1.000 kilómetros a favor del viento. ^[3]

Las posibles carreteras a escala global para bioaerosoles en polvo incluyen:

• Tormentas sobre el norte de África que acumulan polvo, que luego pueden ser transportadas a través del Atlántico hacia las Américas o hacia el norte hacia Europa. Para el transporte transatlántico, hay un cambio estacional en el destino del polvo: América del Norte durante el verano y América del Sur durante el invierno.
• El polvo de los desiertos de Gobi y Taklamakan se transporta a América del Norte, principalmente durante la primavera del hemisferio norte.
• El polvo de Australia se lleva a cabo en el Océano Pacífico, con la posibilidad de ser depositado en Nueva Zelanda. ^[21]

La dispersión de la comunidad [ editar ]

El transporte y la distribución de bioaerosol no son consistentes en todo el mundo. Si bien los bioaerosoles pueden viajar miles de kilómetros antes de la deposición, su distancia máxima de viaje y dirección depende de factores meteorológicos, físicos y químicos. Un estudio generó un mapa de bacterias / hongos en el aire de los Estados Unidos a partir de mediciones observacionales, y los perfiles comunitarios resultantes de estos bioaerosoles se conectaron al pH del suelo , la precipitación media anual, la productividad primaria neta y la temperatura anual media, entre otros factores. ^[22]

Impactos biogeoquímicos [ editar ]

Los bioaerosoles impactan una variedad de sistemas biogeoquímicos en la tierra, incluidos, entre otros, los ecosistemas atmosféricos, terrestres y marinos. A pesar de lo largo de estas relaciones, el tema de los bioaerosoles no es muy conocido. ^{[23] [24] Los} bioaerosoles pueden afectar a los organismos de muchas maneras, incluida la influencia sobre la salud de los organismos vivos a través de alergias, trastornos y enfermedades. Además, la distribución de bioaerosoles de polen y esporas contribuye a la diversidad genética de los organismos en múltiples hábitats. ^[1]

La formación de nubes [ editar ]

Una variedad de bioaerosoles pueden contribuir a los núcleos de condensación de nubes o los núcleos de hielo de nubes , los posibles componentes de bioaerosol son células vivas o muertas, fragmentos de células, hifas , polen o esporas. ^[1] La formación de nubes y la precipitación son características clave de muchos ciclos hidrológicos a los que están vinculados los ecosistemas. Además, la cobertura global de nubes es un factor importante en el presupuesto general de radiaciónY por lo tanto, la temperatura de la tierra. Los bioaerosoles constituyen una pequeña fracción de los núcleos de condensación de nubes totales en la atmósfera (entre 0,001% y 0,01%), por lo que su impacto global (es decir, el presupuesto de radiación) es cuestionable. Sin embargo, hay casos específicos en los que los bioaerosoles pueden formar una fracción significativa de las nubes en un área. Éstos incluyen:

• Áreas donde hay formación de nubes a temperaturas superiores a -15 ° C, ya que algunas bacterias han desarrollado proteínas que les permiten nuclear el hielo a temperaturas más altas.
• Áreas sobre regiones con vegetación o en condiciones remotas donde el aire se ve menos afectado por la actividad antropogénica.
• Cerca de la superficie del aire en regiones marinas remotas como el Océano Austral donde el rocío del mar puede ser más frecuente que el polvo transportado desde los continentes. ^[1]

La colección de partículas de bioaerosol en una superficie se llama deposición . La eliminación de estas partículas de la atmósfera afecta la salud humana en lo que respecta a la calidad del aire y los sistemas respiratorios. ^[1]

Lagos alpinos en España [ editar ]

Los lagos alpinos ubicados en la región de los Pirineos Centrales del noreste de España no se ven afectados por factores antropogénicos que hacen de estos lagos oligotróficos los indicadores ideales para el ingreso de sedimentos y el cambio ambiental. La materia orgánica disuelta y los nutrientes del transporte de polvo pueden ayudar a las bacterias con el crecimiento y la producción en aguas con bajo contenido de nutrientes. Dentro de las muestras recolectadas de un estudio, se detectó una gran diversidad de microorganismos en el aire y tuvieron fuertes similitudes con los suelos de Mauricio a pesar de las tormentas de polvo en el Sahara que se produjeron en el momento de la detección. ^[25]

Especies oceánicas afectadas [ editar ]

Los tipos y tamaños de bioaerosoles varían en los ambientes marinos y se producen en gran medida debido a las descargas húmedas causadas por cambios en la presión osmótica o la tensión superficial . Algunos tipos de bioaerosoles de origen marino excretan descargas secas de esporas de hongos que son transportadas por el viento. ^[1]

Un caso de impacto en las especies marinas fue la muerte en 1983 de abanicos marinos y erizos de mar del Caribe que se correlacionaban con tormentas de polvo originadas en África. Esta correlación fue determinada por el trabajo de los microbiólogos y un espectrómetro de cartografía de ozono total , que identificó bioaerosoles de bacterias, virus y hongos en las nubes de polvo que se rastrearon sobre el Océano Atlántico. ^[26] Otro ejemplo de esto ocurrió en 1997 cuando El Niño posiblemente impactó los patrones de viento de temporada de África a Barbados, resultando en muertes similares. Ejemplos de modelado como estos pueden contribuir a predicciones más precisas de eventos futuros. ^[27]

Propagación de enfermedades [ editar ]

La aerosolización de bacterias en el polvo contribuye en gran medida al transporte de patógenos bacterianos. Un caso bien conocido de brote de enfermedad por bioaerosol fue el brote de meningitis meningocócica en el África subsahariana, que se relacionó con las tormentas de polvo durante las estaciones secas. Según informes, otros brotes se han relacionado con eventos de polvo como la neumonía por Mycoplasma y la tuberculosis . ^[3] Otro caso de problemas de salud relacionados con la propagación de bioaerosol fue un aumento en los problemas respiratorios humanos para los residentes de la región del Caribe que pueden haber sido causados ​​por trazas de metales pesados, bioaerosoles de microorganismos y pesticidas transportados a través de nubes de polvo que pasan sobre el Océano Atlántico. ^[26] [28]

Las fuentes comunes de bioaerosoles incluyen el suelo, el agua y las aguas residuales. Los bioaerosoles pueden transmitir patógenos microbianos , endotoxinas y alergenos ^[29] y pueden excretar tanto endotoxinas como exotoxinas . Las exotoxinas pueden ser particularmente peligrosas cuando se transportan por el aire y distribuyen patógenos a los cuales los humanos son sensibles. Las cianobacterias son particularmente prolíficas en su distribución de patógenos y abundan tanto en ambientes terrestres como acuáticos. ^[1]

Investigaciones futuras [ editar ]

El papel potencial de los bioaerosoles en el cambio climático ofrece una gran cantidad de oportunidades de investigación. Las áreas específicas de estudio incluyen el monitoreo de los impactos del bioaerosol en diferentes ecosistemas y el uso de datos meteorológicos para pronosticar cambios en los ecosistemas. ^[5] Determinar las interacciones globales es posible a través de métodos como la recolección de muestras de aire, la extracción de ADN a partir de bioaerosoles y la amplificación por PCR . ^[20]

El desarrollo de sistemas de modelado más eficientes reducirá la propagación de enfermedades humanas y beneficiará los factores económicos y ecológicos. ^[3] Una herramienta de modelado atmosférico llamada Sistema de modelado de dispersión atmosférica ( ADMS 3 ) está actualmente en uso para este propósito. El ADMS 3 utiliza la dinámica de fluidos computacional (CFD) para localizar posibles áreas problemáticas, lo que minimiza la propagación de patógenos nocivos del bioaerosol e incluye el seguimiento de las incidencias. ^[3]

Los agroecosistemas tienen una serie de posibles vías de investigación futuras dentro de los bioaerosoles. La identificación de suelos deteriorados puede identificar fuentes de patógenos de plantas o animales.