隨著氣候變遷為美國西部帶來更多野火，一種罕見的真菌感染也呈現上升趨勢。山谷熱是亞利桑那州和加利福尼亞州增長了六倍多根據美國疾病管制與預防中心的數據，從 1998 年到 2018 年。
谷熱會引起咳嗽、發燒和胸痛，甚至可能致命。罪魁禍首真菌，該屬的成員球孢子菌，在加州和西南部沙漠的土壤中茁壯成長。消防員特別容易感染這種疾病。野火似乎會激起熱愛土壤的真菌並將其傳播到空氣中，從而進入人們的肺部。
如果火災幫助這些致病真菌四處傳播，它們是否也會將其他微生物帶到高處？莫斯科愛達荷大學的火災生態學家 Leda Kobziar 於 2015 年決定看看是否能夠找出野火煙霧是否以及如何傳播細菌和真菌等微生物，以及這對人類和生態健康可能意味著什麼。
到 2018 年，Kobziar 啟動了一個她命名為「熱氧生物學」的新研究領域。首先，她詢問微生物是否能夠在野火的灼熱中生存。她發現答案是肯定的。但細菌和真菌能在風中傳播多遠以及數量是眾多未知數中的兩個。
透過最近推動新的合作和調查，科布齊爾希望科學家們能開始了解微生物的煙霧傳輸可能有多重要。
看不見但無所不在
空氣可能看起來很清澈，但即使在最乾淨的空氣中，「數百種不同的細菌和真菌也在四處飄蕩，」科羅拉多大學博爾德分校的微生物學家諾亞·費雷爾說。
風將細菌和真菌從各種表面吹走－農田、沙漠、湖泊、海洋。這些微生物可以上升到大氣中，環遊世界。例如，科學家在加勒比海的撒哈拉沙漠中發現了微生物。
菲勒指出，許多（如果不是大多數）空氣傳播的微生物，包括細菌、真菌和病毒，不太可能引起疾病。但他說，有些可能會使人生病或引起過敏反應。其他的則引起農作物和其他植物的疾病。
每年從沙漠和農田吹走的數十億噸灰塵充當微生物傳送帶。在亞利桑那州等地，人們知道要警惕沙塵暴後的山谷熱等空氣傳播疾病的症狀，因為隨後順風感染會增加。科布齊爾說，如果灰塵可以在全球範圍內移動活的微生物，那麼煙霧中的顆粒物也可以成為微生物的移動者，這是有道理的——假設微觀生命形式可以在火災和大氣中的旋轉中倖存下來。
小小旅行者
氣溫上升和乾旱加劇導致西部地區野火季節更長、更猛烈(SN：2020年9月26日，第1頁12）。吸入野火煙霧會使人生病（SN 線上：9/18/20），甚至導致因心肺疾病過早死亡。在美國，野火煙霧每年導致約 17,000 人過早死亡 -預計到 2100 年這一數字將增加一倍，根據 2018 年的一項研究地球健康。
在世界其他地區，影響力要嚴重得多。 2015年，印尼非法土地清理火災和山火產生的煙霧估計有 10 萬人死亡根據 2016 年的一份報告，東南亞各地的人們環境研究快報。罪魁禍首通常歸因於顆粒物——懸浮在空氣中的有機和無機顆粒，包括花粉、灰燼和污染物。但科學家和衛生官員越來越意識到，對於煙霧中還有哪些因素影響人類健康，我們還有很多不了解的地方。
最猛烈的火災，燃燒最熱並釋放最多能量的火災，可以創造自己的天氣系統，將煙霧一路送入平流層，距地球表面約 50 公里（SN：2019 年 9 月 14 日，第 14 頁12）。一旦到達那裡，煙霧就會像火山爆發的火山灰一樣傳播到世界各地。 Kobziar 的團隊和其他人在二月提供了令人信服的證據ISME期刊那些活著的、有活力的微生物可以在煙霧中攜帶——如果不是在更高的地方，至少在地球表面附近。
2015 年，在佛羅裡達大學蓋恩斯維爾分校期間，Kobziar 和她的學生在學校實驗森林進行了一系列計劃或規定的燃燒活動，並收集了該系列研究的第一批空氣樣本。該小組手持 3 公尺長的桿子抵達森林，桿子頂部裝有培養皿，從空氣中採集樣本。
在任何火災發生之前，研究小組將培養皿在空中放置三分鐘，以收集空氣樣本作為火災前的基線。然後科布齊亞爾（Kobziar），一位經過認證的處方燒傷管理師（或者用她的話說，「打火機」）點燃了火。一旦火焰以穩定的速度蔓延並且煙霧滾滾，學生就會將新的培養皿升入煙霧中，幾乎就像將一根棉花糖瞄準篝火一樣。這使得他們能夠收集煙霧空氣樣本，並與「之前」的樣本進行比較。
回到實驗室，在一個恆定溫度為 23°C 的暗室中，基線培養皿和煙燻培養皿（都被覆蓋並密封以防止進一步污染）放置了三天。微生物開始生長。科布齊爾說，冒煙的培養皿中的細菌和真菌種類比基線培養皿中的細菌和真菌種類要多得多，這表明火災使一些在火災前不存在於空氣中的物種發生霧化。
她說：“我們驚訝地發現，有多少不同的微生物菌落在燃燒環境中倖存下來並在煙霧樣本中生長，而環境空氣中的微生物菌落數量很少。”根據 DNA 測試，Kobziar 的團隊鑑定出了 10 種細菌和真菌；有些對植物有致病性，一種是螞蟻寄生蟲，一種有助於植物吸收營養。 「從那時起，我們對煙霧的看法徹底改變了，」她說。
2017 年，Kobziar 搬到愛達荷州後，她的團隊從愛達荷大學的實驗森林收集了土壤樣本並將其焚燒——這次是在實驗室裡。當煙霧在燃燒的土壤上空蔓延時，研究人員收集了空氣樣本，並再次將它們密封並放在黑暗、溫暖的房間裡，看看會生長什麼。一週後，許多不同的微生物，包括真菌，在平板上繁殖成菌落，研究者在 2018 年報告生態圈。
活著並在移動
從那時起，Kobziar 的團隊與美國林務局火災和煙霧模型評估實驗（FASMEE）團隊合作，在佛羅裡達州、愛達荷州、蒙大拿州和猶他州不同強度的規定燃燒過程中收集了更多的空氣樣本。為了學生的安全，她用無人機取代了桿子和培養皿。她發送一架無人機該團隊在期刊中描述稱，攜帶帶有過濾器的真空泵進入不同高度的煙羽，最高可達 120 米火2019年。
在每次實驗中，研究人員都發現了活細菌和真菌，其中許多在火災前採集的空氣樣本中都沒有發現。 Kobziar 說，例如，在猶他州的煙霧樣本中，FASMEE 團隊發現了 100 多種不同的真菌，這些真菌在火災前空氣中並不存在。調查結果包括以下物種麴菌屬，這會導致發燒、咳嗽和胸痛，以及枝孢屬、黴菌，可引起過敏及氣喘。
科布齊爾警告說，這些微生物是否對人類構成危險尚不清楚。她的團隊尚未測試在高溫下存活下來的微生物物種是否會引起疾病，但該團隊計劃這樣做。
猶他州的研究揭示了另一個重要事實：這些微生物非常頑強。 Kobziar 說，即使在高強度、高溫火災產生的煙霧中，大約 60% 的細菌和真菌細胞仍然存活。大約 80% 的細胞似乎能在較低強度的火災中倖存下來，這“與我們預期在周圍空氣條件下看到的存活細胞的百分比大致相同”，她說。因此，這些初步研究表明，火災正在將活細菌和真菌傳播到空氣中。它們可以在離地面至少 120 公尺的高度飛行，距離火焰前鋒近一公里。
但科布齊爾說，許多基本問題仍然存在。微生物如何根據遠離火焰的距離在數量、類型或活力方面發生變化？他們實際上能走多遠？不同的燃料來源——例如松樹、草原、落葉樹或農作物——如何影響微生物的釋放？火災強度如何影響釋放的物質及其傳播距離？燃燒類型（陰燃（如營火上的濕木頭）與高強度火焰）是否會影響釋放的物質？溫度、濕度或天氣如何影響微生物的生存？
當然，Kobziar 對如何進行這一新領域的研究有很多疑問：在不可預測的野火的危險環境中，最安全、最好的空氣採樣方法是什麼？如何避免污染生物樣品？
她一直在不斷學習，磨練自己的方法論。如果Kobziar 的夢想合作之一得以實現，其中許多問題都可能得到答案：她希望與研究涉及NASA DC-8「飛行實驗室」的研究人員合作，該實驗室探索地球表面和大氣層，進行從考古學到研究的各種研究。
研究人員已經使用 DC-8 追蹤了從北極到南太平洋以及其間各處火災釋放到平流層的許多不同化學物質。NASA 的大氣斷層掃描任務科羅拉多州博爾德環境科學研究所的火災排放建模師 Christine Wiedinmyer 說。
「熱氧生物學太酷了，」維丁邁爾說，他追蹤並模擬了世界各地野火煙霧中化學物質的運動。她認為，一旦研究人員收集到足夠的測量結果，這種大氣化學模型就沒有理由不能用於追蹤和預測煙羽中微生物的運動。這些數據可能會回答有關煙霧中微生物對人類健康危害的基本問題。
博爾德的微生物學家 Fierer 和 Wiedinmyer 在化學採樣和建模方面進行了合作。兩人計劃利用 Fierer 收集的野火煙霧中微生物濃度的數據進行細菌和真菌建模。
同時，科布齊亞爾正在與大氣建模者合作，研究如何模擬煙霧中微生物的運動。長期目標是開發模型來補充目前的空氣品質預測，並對美國各地與野火釋放的煙霧中的微生物相關的空氣品質問題發出警告。
美國地圖
Kobziar 的團隊專注於測量煙霧中的微生物，而 Fierer 的團隊正在努力獲取正常情況下不同地點空氣中微生物的基線，然後將基線與煙霧進行比較。費雷爾說，該小組一直在對數百個美國家庭的室內和室外空氣進行採樣，以「找出我們在日常工作中呼吸的微生物」。他們還對科羅拉多州各地的空氣進行了採樣2020年經歷了創紀錄的火災(SN：2020年12月19日及21年1月2日，第1頁32）。
Fierer 的團隊在 2 公尺高的桿子頂部使用帶有小型高功率吸塵器的採樣站，「在一段時間內對沒有煙霧的空氣進行採樣」。然後，煙霧襲來（現場），我們會在空氣中出現煙霧時採樣幾天，然後我們也會採樣，」Fierer 說。他說，分析火災前、火災期間和火災後的樣本是理想的選擇，因為空氣中的微生物和真菌族群存在巨大差異。例如，在冬天的中西部城市附近，微生物可能包括與當地樹木有關的微生物，或者奇怪的是，與狗糞便有關的微生物；夏季，在科羅拉多州的一個牛飼養場附近，微生物可能包括與牛糞便有關的微生物。
當團隊得到結果時——數據收集和分析因大流行而被推遲——菲勒說，「我們將知道與配對的無菸空氣樣本相比，野火煙霧中發現的微生物的數量和類型，以及這些微生物是否存活。至少在科羅拉多州是這樣。一旦科學家測量出煙霧中可以攜帶多少微生物以及到達什麼高度，Fierer 的團隊就可以將該資訊與全球煙霧產生量結合起來，得出煙霧體積的「一些粗略計算」。他說，最終，科學家可以弄清楚有多少人還活著，以及這對人類健康是否重要——仍然是「一個懸而未決的問題」。
費雷爾和科布齊爾都表示，如果有更多的科學家參與這項研究，可能會取得巨大的進展。費雷爾說，這項研究需要真正的多學科方法，需要微生物學家、森林生態學家和大氣科學家的合作。他說，單獨行動「相當於微生物學家研究海洋中的微生物，但對海洋學一無所知」。幸運的是，在科布齊亞爾和加州大學戴維斯分校的傳染病醫生喬治·湯普森之後發表了一篇號召武裝的論文科學去年12月，來自不同領域的幾位研究人員總結了他們的熱氧生物學研究並指出了關鍵問題，並表達了對該主題進行研究的興趣。 「這正是我們希望發生的事情，」科布齊爾說。
有危險嗎？
近年來，湯普森發現附近野火後患有山谷熱和其他真菌感染的患者大幅增加。他很清楚，當煙霧中的顆粒物進入肺部時，會導致呼吸困難、肺炎甚至心臟病。事實上，科學家在報告中指出美國心臟協會雜誌2020 年 4 月，加州 2015 年至 2017 年野火期間暴露於濃煙中心臟病發作的風險增加高達 70%。
他開始懷疑加州破紀錄的大火是否會在引起谷熱的真菌的同時，也引發其他微生物。於是他與科布齊爾聯手。
山谷熱的聯繫似乎是真實的，但到目前為止，只是局部的。例如，2003 年西米大火燒毀文圖拉縣後，70 多人患上了穀熱病。但無論是球孢子菌沒有人知道，真菌可以傳播到遠離火源的地方使人們生病。
有許多方法可以確定野火後是否有更多的人（無論是本地人還是更遠的地方）因細菌或真菌感染而生病。湯普森說，一種方法是查看社區在火災前一個月和火災後一個月的抗生素處方和住院情況：火災後因細菌或真菌感染而開出更多處方或住院可能表明存在關聯。
例如，在 2019 年美國移植大會上，研究人員 l加州野火導致住院人數增加相關於麴菌屬模具和球孢子菌真菌感染。
但在我們更多地了解火災釋放的微生物及其去向之前，我們不會知道這種關聯對人類健康有多重要，費雷爾說。
湯普森同意，我們還有很多事情不知道。 「我們還有很多工作要做。這就是故事的開始。
