SYSTEMY WYKRYWANIA I PROGNOZOWANIA SKAŻEŃ

BIOLOGICZNYCH W ZAKRESIE OCHRONY I OBRONY

LUDNOŚCI

Dr inż. MARIUSZ MAZUREK

Prodziekan, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Cywilnego, Szkoła Główna Służby Pożarniczej,
01-629 Warszawa, ul. Słowackiego 52/54
email:

[e-mail]

Streszczenie: W ramach wykładu dokonano przeglądu metod wykrywania i rozpoznawania skażeń
biologicznych stosowanych w USA i państwach UE. Zaprezentowano najnowsze osiągnięcia techniczne
i naukowo-badawcze dla potrzeb ochrony i obrony ludności przed zagrożeniami biologicznymi. W części
końcowej omówiono sposoby prognozowania skażeń biologicznych.

Wprowadzenie

Współczesny postęp cywilizacyjny pociąga za sobą powstawanie różnego rodzaju

zagrożeń, w tym zagrożeń biologicznych [1]. W Polsce za zapobieganie i zwalczanie skutków

użycia niebezpiecznych substancji biologicznych, w tym broni biologicznej odpowiadają,

w różnym zakresie, następujące organy państwa: Minister Zdrowia, który koordynuje

działania mające na celu zapobieganie wystąpieniu zagrożeń biologicznych, zwłaszcza

spowodowanych działalnością o charakterze terrorystycznym, Minister Rolnictwa i Rozwoju

Wsi, Minister Spraw Wewnętrznych i Administracji i podległe mu służby (Policja,

Państwowa Straż Pożarna, Obrona Cywilna itp.) oraz Minister Obrony Narodowej.

Na wielkość zagrożeń biologicznych bezsprzecznie wpływa obecność ryzyka

związana z

emisją

1

niebezpiecznych substancji biologicznych do środowiska naturalnego, co

pokazano na rys. 1.

Rys. 1. Charakterystyka ryzyka (R) wystąpienia zagrożeń, t.j. iloczynu jego prawdopodobieństwa (P)

do negatywnych skutków (S), R = P

.

S, dla różnych substancji niebezpiecznych.

1

Emisja niebezpiecznych substancji biologicznych – wprowadzenie do środowiska naturalnego drobnoustrojów

chorobotwórczych (np.: bakterii, wirusów, riketsji, grzybów) lub bioaktywnych substancji pochodzenia
naturalnego lub syntetycznego (np.: toksyn, hormonów, neuropeptydów, cytokin), najczęściej w postaci par lub
aerozoli, w sposób niezorganizowany (np. podczas awarii) lub zorganizowany (np. ataków terrorystycznych).

2

Rozproszone substancje biologiczne ulegają w środowisku złożonym procesom

fizykochemicznym i mikrobiologicznym, wpływając znacząco na stan zdrowotności ludności,

zarówno w perspektywie krótko jak i długookresowej, z możliwością szerzenia się (wybuchu)

określonej choroby (epidemii), zwłaszcza zakaźnej, np.: dżumy lub cholery [2].

Stąd też, jedną z ważniejszych funkcji każdego państwa jest zapewnienie

bezpieczeństwa

wszystkim obywatelom przed potencjalnymi i realnymi zagrożeniami

biologicznymi. W tym celu tworzone są krajowe i międzynarodowe

systemy ochrony

i obrony ludności

, których zadaniem jest skoordynowanie działań przeciw skutkom

niebezpiecznych zdarzeń [3]. Obejmują one szereg następujących po sobie elementów, t.j.:

wczesne wykrywanie zagrożeń biologicznych, identyfikacja niebezpiecznych substancji

biologicznych,

przedsięwzięcia

zapobiegawczo-ochronne,

ostrzeganie,

alarmowanie,

prognozowanie skażeń biologicznych, izolowanie rejonów zagrożonych, organizowanie

ewakuacji, podejmowanie działań ratowniczych, udzielanie pomocy medycznej oraz

usuwanie i likwidacja skutków tych zdarzeń.

Systemy wykrywania skażeń biologicznych

Zasadniczym elementem systemu ochrony i obrony ludności jest

system detekcji

skażeń biologicznych

[4], którego celem działania jest wykrycie początku skażenia

biologicznego i jego pochodzenia (źródła) oraz określenie rodzaju i ilości toksycznych

patogenów w rejonie skażenia. Z uwagi na bardzo wysoką toksyczność niektórych substancji

biologicznych (Tabela 1), zwanych często

biologicznymi środkami masowego rażenia

(BSMR), wymagana jest wysoka wykrywalność, duża szybkość działania oraz zdolność do

identyfikacji BSMR.

Tabela 1. Porównanie toksyczności wybranych BSMR [2]

*

.

BSMR

Dawka letalna

wąglik

od 8000 do 50 000 zarodników

bruceloza

od 10 do 100 komórek

dżuma

od 100 do 500 komórek

tularemia

od 10 do 50 komórek

gorączka Q

od 1 do 10 cząsteczek wirusa

ospa

od 10 do 100 cząsteczek wirusa

wirusowe zapalenie mózgu

od 10 do 100 cząsteczek wirusa

wirusowa gorączka krwotoczna

od 1 do 10 cząsteczek wirusa

toksyna botulinowa typu A

0,01

µg/kg

gronkowcowa enterotoksyna B

od 10 do 15

µg/kg

*

- toksyna botulinowa typu A jest 15,000 razy bardziej toksyczna od najbardziej

niebezpiecznego związku chemicznego VX i około 100,000 razy od sarinu.

3

Dąży się przy tym do tego, aby techniczne środki rozpoznania skażeń biologicznych

charakteryzowały się niezawodnością działania, maksymalną automatyzacją procesów

pomiarów i alarmowania, prostotą obsługi oraz niskim kosztem eksploatacji [5].

Jednoczesne spełnienie wszystkich wymagań jest praktycznie niemożliwe. Aby temu

sprostać przyrządy do detekcji skażeń biologicznych tworzą dwa wzajemnie uzupełniające się

systemy rozpoznania skażeń:

systemy detekcji punktowej

- tzw. miejscowej, do bezpośredniego wykrywania

substancji biologicznych w miejscu skażenia;

systemy detekcji zdalnej

- do pośredniego wykrywania skażeń biologicznych

w odległości od kilku do kilkudziesięciu kilometrów od miejsca ich występowania.

Ostateczne potwierdzenie obecności BSMR dokonuje się klasycznymi technikami

diagnostycznymi: bakteriologicznymi, wirusologicznymi i biologicznymi w specjalistycznych

laboratoriach stacjonarnych, np. laboratoriach II i III klasy bezpieczeństwa biologicznego

.

W systemie detekcji punktowej zazwyczaj wykorzystuje się wojskowe przyrządy

przeznaczone do wykrywania BSMR. Wśród nich wyróżnia się kilka typów przyrządów,

których działanie opiera się na:

metodach fizycznych i fizykochemicznych,

metodach biochemicznych,

metodach biologicznych.

Natomiast w systemie detekcji zdalnej działanie urządzeń opiera się na efektach

oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z wykrywanymi BSMR. Dzieli się je

na dwie zasadnicze grupy, tworzące:

systemy aktywne -

LIDAR

(ang. Light Detection and Ranging) - analiza

parametrów sygnału wysyłanego przez urządzenie pomiarowe po jego

oddziaływaniu z badaną atmosferą;

systemy pasywne -

LOPAIR

(ang. Long Path Infrared) - analiza widma

promieniowania w podczerwieni emitowanego przez kontrolowane otoczenie.

Systemy detekcji punktowej

Do detekcji punktowej najczęściej stosuje się analizatory cząstek powietrza,

biosensory i spektrometry w podczerwieni. Przyrządy te mogą być również stosowane

w systemach zdalnego wykrywania skażeń biologicznych. Uzyskuje się to poprzez

rozmieszczanie ich w pewnej odległości od najbardziej zagrożonych miejsc (obiektów),

z możliwością przesyłania drogą radiową lub kablową sygnałów o wykryciu BSMR. Innym

4

sposobem jest umieszczanie przyrządów do pobierania próbek lub detektorów

w zdalnie sterowanych pojazdach bezzałogowych. Poniżej opisano niektóre z metod detekcji

punktowej i reprezentujące je przyrządy.

Metoda wyzwalacza/sygnału (ang. Trigger/Cue)

Metoda ta została wykorzystana w niespecyficznych detektorach środków

biologicznych. Pozwala ona wykryć wzrost liczby cząstek stałych lub ciekłych (o średnicy od

0,5

µm do 30 µm)

2

w powietrzu w bezpośrednim sąsiedztwie detektora, wskazując z dużym

prawdopodobieństwem na obecność w środowisku BSMR. Przyrządy pracują automatycznie

bez nadzoru człowieka i w trakcie pracy nie wymagają uzupełniania zużytych materiałów.

Aerodynamiczny Sortownik Cząstek (ang. Aerodynamic Particle Sizing - APS)

Działanie przyrządu oparte jest na zróżnicowanym przelocie cząstek przez poziomy

kanał, w którym następuje rozdzielenie cząstek w zależności od ich kształtu i rozmiarów.

Poszczególne cząstki migrują przez kanał z różną prędkością i czas ich przelotu jest

rejestrowany przez wiązkę lasera.

Wysoko-objętościowy Aerodynamiczny Sortownik Cząstek (ang. High Volume

Aerodynamic Particle Sizing - HVAPS)

Strumień powietrza przechodzi przez laserowy licznik cząstek, gdzie rejestruje się ich

rozkład (dystrybucję) i stężenie. Przyrząd nie może odróżniać aerozolu biologicznego od

niebiologicznego.

Miernik cząstek (ang. Met-One Analyser)

Przyrząd działa jak sortownik cząstek aerozoli i licznik cząstek. Dodatkowo,

wyposażony jest w podręczny kalkulator. Zasysana próbka powietrza jest oświetlana wiązką

lasera. Światło rozproszone przez indywidualne cząstki powietrza jest mierzone za pomocą

fotodiody. Rozdzielczość analizatora jest dużo gorsza niż HVAPS, natomiast jego zaletą jest

niewielki rozmiar i masa oraz zastosowanie lasera diodowego o niskiej mocy. Przyrząd jest

wykorzystywany głównie do kontroli czystości zamkniętych pomieszczeń.

Metody fluorescencyjne

W celu zmniejszenia fałszywych alarmów (pozytywnych - alarm przy braku BSMR

lub fałszywych - brak alarmu w obecności BSMR) detektory działające w oparciu o metodę

Trigger/Cue łączy się z detektorami fluorescencyjnymi. W detektorach fluorescencyjnych

2

Taki zakres odpowiada najbardziej niebezpiecznym cząstkom powietrza

5

wykorzystuje się dwa typy fluorescencji: pierwotny i wtórny. W pierwotnej biofluorescencji

mierzy się fluorescencję jednego, wspólnego składnika materiału biologicznego, najczęściej

tryptofanu - aminokwasu wchodzącego w skład każdego białka. We wtórnym typie

fluorescencji mierzy się widmo analizowanych cząstek aerozoli, po dodaniu do nich przed

naświetlaniem w UV specjalnego fluoroforu, np. barwnika fluorochromu (rys. 2). Ten sposób

detekcji jest bardziej złożony i czasochłonny.

Rys. 2. Przykład fluorescencji bakterii E. coli.

Poniżej, na rys. 3 pokazano schemat działania fluorescencyjnego analizatora cząstek.

Rys. 3. Idea działania fluorescencyjnego analizatora cząstek.

Większość z wdrożonych przyrządów fluorescencyjnych może dość szybko wykrywać

zanieczyszczenia atmosfery i odróżniać cząstki aerozoli środków biologicznych od innych

cząstek w powietrzu.

Fluorescencyjny Aerodynamiczny Sortownik Cząstek (ang. Fluorescent

Aerodynamic Particle Sizer - FLAPS)

Jest to zmodernizowana wersja APS, w której zastosowano dodatkowy laser (niebieski

lub UV). Dzięki temu, obok podstawowej informacji o rozmiarach cząstek, uzyskuje się

informację o fluorescencji cząstek badanego aerozolu. Przyrząd FLAPS II wchodzi w skład

Kanadyjskiego Zintegrowanemu Systemu Detekcji Środków Biologicznych (ang. Canadian

Integrated Biological Agent Detection System - CIBADS), jako część jednostki detektora

6

4WARN – rys. 4. Detektor 4WARN, oprócz modułu FLAPS, ma na wyposażeniu trzy

moduły: do pobierania próbek, meteorologiczny i łączności.

Rys. 4. Widok ogólny fluorescencyjnego aerodynamicznego sortownika cząstek: przyrząd z otwarta pokrywą

(po lewej stronie) i przyrząd zamknięty (po prawej stronie) [6].

Ultrafioletowy Aerodynamiczny Sortownik Cząstek (ang. Ultra Violet

Aerodynamic Particle Sizer - UVAPS)

Jest przyrządem do niespecyficznego wykrywania środków biologicznych

w powietrzu (wariant FLAPS), w którym rozmiar cząstek obliczany jest na podstawie czasu

ich przelotu, wielkości rozpraszania światła i intensywności fluorescencji w UV.

Obydwa przyrządy FLAPS i UVAPS są wytwarzane przez korporację TSI Inc.,

Particle Instruments.

System Ostrzegania o Aerozolach Biologicznych (ang. Biological Aerosol

Warning System - BAWS)

W przyrządzie BAWS nie ma licznika cząstek aerozoli. System oparty jest na

stosowaniu mikro-lasera, który analizuje dwie długości fali odpowiadające fluorescencji

środków biologicznych. Dzięki takiemu rozwiązaniu zwiększa się efektywność wykrycia

środków biologicznych w czasie rzeczywistym i istnieje możliwość odróżnienia aerozoli

środków biologicznych od niebiologicznych obecnych w powietrzu.

Przenośny Czujnik Biofluorescencyjny (ang. Portable Biofluorosensor - PBS)

W czujniku zastosowano błyskową lampę ksenonową emitującą światło UV do

naświetlania aerozoli w atmosferze i aerozoli rozpuszczonych w wodzie. Wybrana długość

światła wzbudzającego minimalizuje zakłócenia pochodzące od śladów gazów spalinowych

i innych zanieczyszczeń chemicznych obecnych w powietrzu, ale nie eliminuje alarmów

fałszywych. PBS był wykorzystany podczas operacji Pustynna Burza, gdzie lepsze rezultaty

7

otrzymano dla próbek ciekłych zawierających spory patogenów biologicznych niż dla próbek

powietrza.

Licznik

Fluorescencyjny

Pojedynczych

Cząstek

(ang.

Single-Particle

Fluorescence Counter - SPFC)

Idea działania przyrządu SPFC wykorzystuje ciągły przepływ strumienia powietrza

przez wiązkę 780 nm lasera diodowego. W detektorze mierzy się całkowite rozproszenie

światła przez pojedyncze cząstki aerozolu i na tej podstawie oblicza się wielkość cząstek.

Dodatkowo, strumień powietrza naświetla się światłem ultrafioletowym o długości fali 266

nm, w której zachodzi fluorescencja cząstek o innej długości fali.

Biosensory

Ostatnio, do detekcji punktowej coraz częściej stosuje się biosensory, zwane także

bioczujnikami, którego element biologiczny oddziałuje z substancją oznaczaną (BSMR),

a efekt jest przekształcany przez zespolony z nim element niebiologiczny (przetwornik, ang.

transductor) na sygnał elektryczny [7]. Biosensory mogą być oparte na receptorach

biochemicznych, immunologicznych lub biokatalitycznych. Dąży się przy tym do użycia jak

najmniejszej części biologicznej, w skali nanometrowych rozmiarów organelli, enzymu lub

pojedynczej biocząsteczki. Biosensory są na ogół

detektorami specyficznymi

i oddziałują

w określonych warunkach tylko z jedną substancją biologiczną, np. laseczkami wąglika.

Czasami wykorzystuje się je jako

detektory selektywne

, które oddziałują z pewną grupą

BSMR, np. bakteriami. Przykład działania biosensora pokazano na rys. 5, a jego rzeczywiste

rozmiary na rys. 6.

Rys. 5. Schemat działania biosensora.

8

Rys. 6. Rzeczywiste rozmiary biosensora.

Aktywne metody detekcji zdalnej typu „standoff”

Systemy „standoff” są przeznaczone do detekcji i identyfikacji środków biologicznych

w pewnej odległości od źródła skażeń (np. aerozolu), zanim te środki osiągną detektory.

Systemy „standoff” nie korzystają z układów typu „trigger/cue”, kolektora, lub detektorów

lecz korzystają ze źródła światła, głównie lasera, do wykrywania środków biologicznych.

Technologia „standoff” jest oparta na koncepcji wykrywania i mierzenia wybranych

parametrów atmosfery przez odległy laser pracujący w określonym zakresie światła.

W systemie

LIDAR

- urządzenia działającego na podobnej zasadzie jak radar (nazwa LIDAR

pochodzi od angielskiego akronimu, utworzonego od wyrażenia:

Li

ght

D

etection

a

nd

R

anging), krótki impuls lasera przechodzi przez atmosferę, a następnie mierzy się porcję

promieniowania rozproszonego od badanego celu lub od cząstek atmosferycznych, takich jak:

cząsteczki związków chemicznych, aerozoli, chmur lub pyłów (rys. 7). Ponieważ systemy

LIDAR używają światła, które jest złożone z fotonów o krótkich długościach fal, to są one

zdolne do zobrazowania małych cząstek atmosfery charakterystycznych dla środków

biologicznych (na ogół o średnicy mniejszej niż 20

µm).

Rys. 7. Schemat działania urządzenia LIDAR.

9

Promieniowanie podczerwone jest mniej rozpraszane przez kurz i mgły znajdujące się

w powietrzu i z tych względów układy IR oparte na systemach LIDAR są zdolne do

transmisji fal o zasięgu od 30 do 50 km. Czynnikiem ograniczającym stosowanie systemów

„standoff” jest brak dostępnych na rynku małych i niedrogich laserów o dużej mocy.

Do najbardziej znanych systemów, stosujących aktywne metody detekcji zdalnej typu

„standoff”, zaliczamy:

LIDAR podczerwnieni (LIDAR-IR)

System wykorzystuje laser podczerwieni, którego wadą jest brak możliwości

rozróżniania aerozoli biologicznych od niebiologicznych, np. pochodzenia naturalnego.

Dlatego też, do zdalnej detekcji środków biologicznych najlepiej nadają się lasery UV i lasery

wzbudzające fluorescencję (ang. laser induced fluorescence - LIF). Działanie tego typu

LIDAR-ów uzyskuje się dzięki oświetlaniu aerozolu biologicznego za pomocą silnego lasera

pulsacyjnego UV, który powoduje fluorescencję środka biologicznego. Widmo

fluorescencyjne jest przesunięte w kierunku większej długości fal UV od częstości

wzbudzenia UV. System LIF jest najbardziej efektywny podczas niewielkiego oświetlenia lub

w nocy. Niższą efektywność uzyskuje podczas dnia ze względu na słabą przenikliwość

światła UV w powietrzu oraz wysokie tło ultrafioletu.

MIRELA

MIRELA jest Lidarem IR opracowanym wspólnie przez USA i Francję. Pierwotnie

system był przeznaczony do detekcji typu „standoff” aerozoli chemicznych w powietrzu ale

obecnie jest dostosowany do detekcji aerozoli biologicznych. Wadą tego systemu jest brak

możliwości rozróżniania aerozoli biologicznych od niebiologicznych.

MPL 1000 I MPL 2000

Są to handlowo dostępne systemy Lidarów-IR (produkowanych przez Science and

Engineering Services, Inc.-SESI) pierwotnie rozwijanych we współpracy z NASA-Goddard

Space Flight Center, do kontroli obłoków atmosferycznych i struktur aerozoli. Obecnie

NASA i DOE ma ponad tuzin instrumentów MPL mających zastosowanie w badaniach

rutynowych. Podobnie jak w MIRELI wadą tych systemów jest brak możliwości rozróżniania

aerozoli biologicznych od niebiologicznych.

10

Pasywne metody detekcji zdalnej typu „standoff”

Efektywność systemów detekcji pasywnej typu „standoff” do wykrywania środków

biologicznych zależy od wielkości energii elektromagnetycznej tła środowiska. Zazwyczaj te

systemy korzystają z obszarów widma podczerwieni obejmujących zakres fal średnich

(od 1,5

µm do 3,5 µm) lub długich (od 8 µm do 12 µm) charakterystycznych dla środków

biologicznych. Specyficzne pasma absorpcyjne „amidu I” i „amidu II” odpowiadające

obszarowi 5,5

µm do 8 µm są niewidoczne w atmosferze dzięki silnej absorpcji wody.

Aktualnie są prowadzone prace nad wykorzystaniem spektroskopii IR do detekcji

i identyfikacji środków biologicznych. Wadą tych technologii jest to, że bioaerozole są

wykrywane przez systemy podczerwieni jedynie bezpośrednio po rozpyleniu, natomiast po

stosunkowo krótkim czasie bioaerozole tracą swoje cechy i stają się niewidzialne dla

systemów pasywnych.

Biologiczny System Ostrzegania Aerozolowego (ang. Biological Aerosol

Warning System - BAWS)

Rys. 8. Widok ogólny urządzenia BAWS [6].

BAWS tworzy zintegrowaną sieć do detekcji biologicznej na dużych powierzchniach -

w granicach 10 km. W systemie może jednocześnie pracować do 150 Sensorów Zdalnego

Wykrywania, wyposażonych w GPS, dwa czujniki prędkości i kierunku wiatru (anemometr,

kompas elektroniczny), antenę UHF, gniazdo do podłączenia kabla telefonicznego i kolektor

próbek powietrza. Zasilanie zewnętrzne lub baterie. Działanie: licznik cząstek aerozoli

o średnicy 2-10

µm; pomiar biofluorescencji.

11

System Połączonej Detekcji Biologicznej Punktowej (ang. Joint Biological

Point Detection System - JPBDS)

Rys. 9. Widok ogólny urządzenia JPBDS [6].

Zapewnia szybkie ostrzeżenie i identyfikację BSMR zarówno na lądzie, w powietrzu

(na linii śladu) jak i na morzu. Zastosowanie do ostrzegania miejscowego i zdalnego. Pracuje

w każdych warunkach (dzień i noc). Montowany w kontenerach S788, pojazdach terenowych,

masztach polowych, pojazdach rozpoznania NBC i statkach. Nowsze modele

(o mniejszych gabarytach) są montowane w bezzałogowych samolotach rozpoznawczych

Light Armoured Vehicles (LAV). Działanie: samoczynne włączanie się; zbieranie próbek

powietrza; detekcja; identyfikacja; gotowość do działania - 30 minut (w tym przeprowadzenie

testów próbnych); identyfikacja - do 15 minut; błąd detekcji - od 0,1 do 2%; możliwość

zbierania dodatkowych próbek powietrza (25 i 50 ml) do dalszych analiz laboratoryjnych.

System Detekcji Biologicznej Dalekiego Zasięgu typu „Standoff” (ang. Long-

Range Biological Standoff Detection System - LR-BSDS)

Najwcześniej wdrożony system wczesnego ostrzegania przed bronią biologiczną.

System montowany jest na helikopterze UH-60 do wykrywania obłoków aerozoli

zawierającej środki biologiczne i chemiczne. Do wykrywania obłoków BSMR stosuje się

pulsacyjne wiązki lasera w obszarze bliskiej podczerwieni o widmie optycznym (1

µm).

Ponieważ za pomocą tego systemu wykrywane są tylko obłoki aerozoli to nie ma możliwości

odróżniania obłoków biologicznych od innych obłoków, np. obłoków kurzu czy dymu.

12

Rys. 10. Widok ogólny urządzenia LR-BSDS montowanego na helikopterach [6].

LR-BSDS składa się z lasera podczerwieni, odbiornika i detektora z procesorem

pamięci. System wykrywa aerozole BSMR w dużych odległościach i na dużych obszarach -

max. do. 50 km.. Wczesne ostrzeżenie pozwala ludności założyć odpowiednie środki ochrony

przed narażeniem się na działanie BSMR.

System Detekcji Biologicznej Krótkiego Zasięgu typu „Standoff” (ang. Short-

Range Biological Standoff Detection System - SR-BSDS) - XI 1998 (w rozwoju)

Rys. 11. Widok ogólny urządzenia SR-BSDS montowanego na nadwoziach samochodów [6].

Jest w stanie wykryć obłoki aerozoli w zakresie do 3 km i określić czy zawierają one

środki BSMR. Składa się z systemu LIDAR o wielu długościach fal w zakresie UV i IR.

Montowany na zawieszeniu kardanowym, łatwy do wycelowania i operowania w pionie

i poziomie. System monitoruje obłoki aerozoli przy użyciu czułych detektorów

fotopowielacza konwertującego powracające sygnały na rzeczywiste dane i ich zobrazowanie.

Jako źródło do systemu LIDAR stosuje się skuteczny stały laser diodowy o zmiennej

częstości. Zdolność detekcyjna jest oparta na fluorescencji wzbudzonej laserem w zakresie

310-415 nm, wykrywającej wzbudzenie UV tryptofanu - aminokwasu obecnego

w materiałach biologicznych. Dwa kanały UV lasera są stosowane do rozróżnienia pomiędzy

interesującymi aerozolami BSMR a tłem atmosfery, np. pyłkami kwiatów. Laser IR jest

13

stosowany do potwierdzenia wstępnej detekcji BSMR i uzyskania zgodności danych z innymi

systemami.

Detekcja bio-aerozoli WindTracer









typu stand-off

Rys. 12. Wyznaczanie zasięgu obłoków biologicznych za pomocą radaru Dopplera [6].

System pośredniej detekcji aerozoli BSMR jest oparty na sprzężeniu radaru Dopplera,

obróbki w czasie rzeczywistym dochodzących sygnałów i jednostki komunikacyjnej

montowanej na lekkiej jednoosiowej przyczepie. Radar Dopplera WindTracer



pracujący

w podczerwieni wykrywa i śledzi poziom aerozoli ponad normalne warunki. Dla wysokich

stężeń, zakres detekcji przekracza 15 km (max. 80 km) i czułość detekcji wynosi od kilkuset

do kilku tysięcy cząstek na litr powietrza. Dane dotyczące parametrów wiatru są jednocześnie

i bezpośrednio monitorowane za pomocą techniki Dopplera a wczesna detekcja zmiany

kierunków wiatru wpływa na polepszenie komunikatów o zagrożeniu biologicznym.

Integracja z modelami dyspersji smogów przemysłowych zapewnia dokładne prognozowanie

stref skażeń i linii śladu obłoku biologicznego.

Typowe aplikacje systemu obejmują: monitoring powietrza, ziemi i morza;

prognozowanie skażeń biologicznych na mapach; detekcja obłoków aerozoli BSMR

i oszacowanie oczekiwanej i rzeczywistej liczby ofiar. System radaru Dopplera, wraz z jego

oprogramowaniem, daje możliwość bezpośredniego wykrycia źródła zagrożeń biologicznych

i śledzenia przemieszczania się obłoków aerozoli biologicznych oraz przewidywać ich dalsze

losy, podobnie jak czujniki do detekcji zdalnej.

Systemy prognozowania skażeń biologicznych

Do prognozowania skażeń biologicznych wykorzystuje się modele matematyczne,

poddające analizie charakterystykę źródła zagrożenia, wielkość dyspersji i rozprzestrzeniania

się substancji biologicznych w środowisku, szczególnie w atmosferze lub rzadziej w glebie,

14

strefy możliwych skażeń oraz wielkość potencjalnych skutków. Każdy z tych etapów jest

obliczany i analizowany oddzielnie a wyniki końcowe stanowią podstawę do rzeczywistej

oceny sytuacji skażeń.

W pierwszym etapie charakteryzuje się źródło zagrożenia i jego rodzaj, szczególnie

czy zagrożenie zostało wywołane wskutek nieumyślnego czy umyślnego użycia

niebezpiecznych substancji biologicznych, np. ataków terrorystycznych. W czasie emisji

BSMR do środowiska może powstać [8]:

chwilowe źródło punktowe,

chwilowe źródło objętościowe,

ciągłe źródło punktowe,

ciągłe źródło liniowe,

ciągłe źródło powierzchniowe.

Rozproszone BSMR muszą spełnić dwa sprzeczne ze sobą zadania. Muszą przetrwać

w niekorzystnych warunkach, a jednocześnie rozprzestrzenić się w środowisku.

Trwałość

BSMR

, czyli zdolność do zachowania swoich właściwości toksycznych w określonym

przedziale czasu, zależy przede wszystkim od rodzaju substancji biologicznych i czynników,

które wpływają na ich szybkość dyspergowania, parowania, sorpcji, hydrolizy, podatności na

oddziaływanie UV i inne. Warunki meteorologiczne i stopień pokrycia terenu mogą

powodować zmianę trwałości BSMR w bardzo szerokim przedziale. Duża ilość czynników

decydujących o trwałości BSMR sprawia, że współczesne metody jej oceny pozwalają

uzyskiwać wyniki obarczone stosunkowo dużym błędem. Poniżej w Tabeli 2 podano

przybliżone wartości trwałości dla niektórych bakterii i wirusów.

Tabela 2. Trwałość wybranych BSMR

w warunkach środowiskowych [2].

BSMR

Trwałość

laseczka wąglika (spory)

dni i tygodnie w powietrzu, lata
w środowisku;

pałeczka dżumy

od 1 do 2 godzin w powietrzu;

pałeczka tularemii

od kilku godzin do jednej doby
w powietrzu;

wirus ospy

do 24 godzin w powietrzu, do kilku
tygodni w środowisku;

wirus gorączki krwotocznej Ebola

od 30 minut do kilku godzin
w powietrzu;

wirus

gorączki

krwotocznej

Mahrburg

od 30 minut do kilku godzin
w powietrzu;

15

W drugim etapie określa się dyspersję BSMR, czyli proces rozdrabniania substancji

biologicznych do danego stanu fazowego, np. par i aerozoli w powietrzu. W procesie

dyspersji powstają cząstki o bardzo zróżnicowanych średnicach, które mogą wnikać do płuc

i powodować poważne problemy zdrowotne. Potencjalnie za najbardziej niebezpieczne uważa

się cząstki o średnicy mniejszej niż 10 mikrometrów.

W ocenie procesów propagacji substancji biologicznych w środowisku na ogół

rozważa się wielkość ich rozprzestrzeniania się w powietrzu, natomiast mniej uwagi poświęca

się procesom migracji BSMR w glebie i wodzie. Transport zanieczyszczeń biologicznych

w powietrzu zależy zatem od wartości tych czynników, które decydują o intensywności

wymiany masy powietrza, t.j.: od warunków meteorologicznych (stopnia turbulencji

powietrza – jako podstawowej formy wymiany mas powietrza, pionowego gradientu

temperatury oraz prędkości, kierunku i gradientu prędkości), a także warunków

topograficznych (rzeźby i pokrycia terenu). Ze względu na złożoność problemu, zależności

ilościowe uzyskać można jedynie na podstawie mniej lub bardziej uproszczonych modeli

matematycznych.

W kolejnym etapie wyznacza się zasięgi obłoków

skażonego powietrza

3

i

strefy

skażeń

4

, oraz rozkład stężeń środków biologicznych w obłoku w funkcji czasu

i odległości od źródła skażeń. Wykorzystuje się tutaj różnorodne metody matematyczne, np.

wektorowe, simplex, czy równania regresji. Są to na ogół tzw. metody samoposzukujące,

którego rozwiązanie stanowi podstawę prognozowania i oceny skażeń atmosfery. Jednak

podstawą do rzeczywistego prognozowania stref skażeń są informacje dostarczane przez

detektory rozpoznania skażeń biologicznych i dane z komunikatów meteorologicznych

dotyczące warunków meteorologicznych w przyziemnej warstwie atmosfery, co pokazano na

rys. 13.

3

Skażenie powietrza – wytworzenie zmiennego w czasie i przestrzeni stanu zanieczyszczenia przyziemnej

warstwy atmosfery określanego mianem obłoku pierwotnego lub wtórnego.

4

Powierzchnia terenu, na której znajdują się niebezpieczne substancje biologiczne.

16

Rys. 13. Prognozowanie stref skażeń biologicznych na drodze teoretycznej (A) i doświadczalnej (B)

przy użyciu sieci detektorów rozpoznania skażeń biologicznych.

Oblicza się, że do prognozowania stref skażeń w aglomeracjach miejskich potrzeba

użyć dużej liczby tanich biosensorów, która pozwoli na wczesne wykrycie zagrożenia

biologicznego i określenie jego rzeczywistych rozmiarów. Szacunkowe ilości biosensorów

podano w Tabeli 3.

Tabela 3. Szacunkowe ilości biosensorów planowane do

rozmieszczenia w dużych aglomeracjach miejskich [9].

Miasto

Powierzchnia

[km

2

]

Ilość biosensorów

Chicago

Dallas

Denver

Los Angeles

Manhattan Island

Palo Alto

San Francisco
Santa Barbara
Seattle
Washington
Warszawa

591

979

400

1,211

57

67

119

55

375
179
517

192,000

318,000

130,000

394,000

19,000

22,000

39,000
39,000

122,000

58,000

?

Niestety, potrzeba zwiększenia realności prognozowania skażeń biologicznych, w tym

możliwości przewidywania skutków zakażeń, np. rozwoju epidemii chorób zakaźnych

(Tabela 4) sprawia, że do modeli matematycznych wprowadza się zbyt dużo zmiennych

parametrów. Opracowywane na tej podstawie programy komputerowe stają się bardziej

złożone i mniej wiarygodne [10]. Na rynku wciąż obserwuje się pojawianie się nowych

programów komputerowych - szczególnie do symulacji 3-D, które w większym stopniu

uwzględniają stronę wizualną poszczególnych zagrożeń niż ich rzeczywiste skutki.

17

Tabela 4. Przewidywane skutki użycia BSMR [2].

Nazwa choroby

Zasięg obłoku

w [km]

Zgony

Chorzy

Gorączka

doliny

Rift

1

400

35,000

Kleszczowe
zapalenie mózgu

1

9,500

35,000

Dur plamisty

5

9,000

85,000

Bruceloza

10

500

100,000

Gorączka Q

20

150

125,000

Tularemia

> 20

30,000

125,000

Wąglik

> 20

95,000

125,000

Obecnie, poza polską wersją programu ATP-45 M, najciekawszymi programami do

prognozowania skażeń biologicznych wydają się być programy VLSTRACK, HPAC oraz

D2-PUFF. Warto dodać, że wszystkie te programy są komercyjnie dostępne. Trudno jest

natomiast ocenić ich zalety i wady, gdyż nie wszystkie znajdują wystarczające potwierdzenie

w rzeczywistości. W Tabeli 5 wyszczególniono podstawowe charakterystyki programów

stosowanych poza naszym krajem i ich możliwości.

Tabela 5. Porównanie funkcjonalności programów do prognozowania skażeń biologicznych.

Funkcjonalność

VLSTRACK

HPAC

D2-PUFF

1

2

3

4

Transport i dyfuzja w atmosferze

Modelowanie transportu i dyfuzji

tak

Specyfikacja turbulencji atmosfery

wrażliwość na zmiany ciepła

tak

wpływ tarcia

tak

stabilność atmosfery

tak

profil wiatru

tak

zmiany turbulencji

tak

Efekty terenu

tak

Depozyt suchy

tak

Depozyt mokry

tak

Parowanie pierwotne

tak

Parowanie wtórne

tak

Efekty naświetlania obłoku

tak

Procesy biodegradacji

tak

Transport i depozyt w pobliżu źródła emisji

Efekty przeżywalności

tak

Transport i depozyt wewnątrz pomieszczeń

tak

Obliczanie dawki ekspozycyjnej

tak

inhalacyjnej

tak

skórnej

tak

Ocena poziomu śmiertelności

tak

Efekty minimalizacji ryzyka

tak

Ocena uciążliwości

tak

18

Tabela 5. Porównanie funkcjonalności programów. (c.d.)

1

2

3

4

Źródła zagrożeń

Mały wyciek ze zbiorników

tak

Duży wypływ

tak

Rozpraszanie z użyciem materiałów wybuchowych

tak

Rozpraszanie aerozolowe

tak

Podczas składowania

tak

Zakończenie

Obecnie w świecie trwają intensywne prace mające na celu opracowanie

odpowiednich systemów detekcji [11]. Aby system taki był efektywny w jego skład wchodzą

detektory o różnych parametrach technicznych, odpowiadających ich zróżnicowanemu

przeznaczeniu, np. biosensory do detekcji punktowej. Systemy wczesnego wykrywania

zagrożeń biologicznych powinny być instalowane wokół dużych aglomeracji miejskich,

lotnisk, portów, dworców oraz obiektów najbardziej zagrożonych, w których znajduje się

duża liczba ludzi, t.j.: centra handlowe, obiekty sportowe i kulturalne, budynki rządowe

i administracji publicznej, świątynie, szkoły, uczelnie itp.

Wczesne wykrycie źródła zagrożenia biologicznego daje największe szanse ochrony

ludności cywilnej. Systemy zdalnego wykrywania mogą współpracować m.in. z zespołami

wczesnego ostrzegania typu AWACS oraz z satelitami. Sygnalizowana informacja

o nadchodzącym obłoku bioaerozolu stwarza możliwość zastosowania tzw. pasywnych

środków ochronnych, jak kombinezony i maski przeciwbiologiczne z filtrem HEPA (maski

typu M-40), ukrycia się w specjalnych schronach itd. Po przejściu obłoku aerozolu można

przystąpić do dalszych decyzji profilaktyczno-likwidacyjnych, np. dekontaminacji

indywidualnej, dezynfekcji terenu, obiektów i sprzętu. Podjęte czynności zmniejszają tym

samym liczbę ofiar bezpośredniego zagrożenia biologicznego [12].

Literatura

1.

B. Górka-Winter, Stan przygotowań RP do obrony przed atakiem biologicznym, Biuletyn Polskiego
Instytutu Spraw Międzynarodowych, 78/2002, s. 607-610.

2.

F.R. Sidell, E.T. Takafuji, D.R. Franz, Medical aspects of chemical and biological warfare. TMM Borden
Institute, Washington 1997, 691 s.

3. System szkolenia dla potrzeb ochrony ludności i obrony cywilnej, Centralna Szkoła Państwowej Straży

Pożarnej w Częstochowie, Częstochowa 2006, 159 s.

4. L. A. Retffalvi, C. Walker, The benefits of real time biological agent detection in homeland security

applications. VIth International NBC Defence Symposium, Defence Academy of the United Kingdom,
2003, s.1-13.

5. M. Mazurek, Systemy wykrywania broni biologicznej. Zeszyty Naukowe AON, 1(50)A/2003, s. 157-163.
6. C.M. Gittins, L.G. Piper, W.T. Rawlins, W.J. Marinelli, J.O. Jensen, A.N. Akinyemi, Passive and active

standoff infrared detection of bio-aerosols. Field Analytical Chemistry and Technology, 3/1999, s 1-29.

19

7. S. Rodriguez-Mozaz, Biosensors for environmental applications. IUPAC Pure and Applied Chemistry,

76/2004 s.723-752.

8. Z. Witkiewicz (ed.), 1000 słów o chemii i bronii chemicznej, MON, Warszawa1987, 308 s.
9. P. J. Wyatt, Early Warning and Remediation: Minimizing the Threat of Bioterrorism. 2002, s. 25.

(http://www.homelandsecurity.org/journal/Articles/wyattearlywarning.htm)

10. T. Stelmaszuk, J. Kocik, Modelowanie epidemii chorób zakaźnych a medyczne zarządzanie kryzysowe.

Lekarz Wojskowy, 1(83)/2007 s. 74-78.

11. M. Mazurek, Systemy detekcji wspierające proces prognozowania skażeń biologicznych. Seminarium

naukowe zorganizowane przez SGSP–KGPSP–AON, Zastosowanie informatycznych programów
wspierających proces prognozowania i oceny sytuacji skażeń, 23-24 kwietnia 2008, referat.

12. K. Chomiczewski, W. Gall, J. Grzybowski, Epidemiologia działań wojennych i katastrof. α-Medica Press,

Bielsko-Biała 2001, 256 s.