SYSTEMY WYKRYWANIA I PROGNOZOWANIA SKAŻEC

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 emisją1 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).
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 zakaz
nej, 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 (z
ródła) 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 �g/kg
gronkowcowa enterotoksyna B
od 10 do 15 �g/kg
*
- toksyna botulinowa typu A jest 15,000 razy bardziej toksyczna od najbardziej
niebezpiecznego związku chemicznego VX i około 100,000 razy od sarinu.
2
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
3
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 �m do 30 �m)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
4
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
5
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
6
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.
7
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 z
ródła skażeń (np. aerozolu), zanim te środki osiągną detektory.
Systemy  standoff nie korzystają z układów typu  trigger/cue , kolektora, lub detektorów
lecz korzystają ze z
ródła 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: Light Detection and
Ranging), 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 �m).
Rys. 7. Schemat działania urządzenia LIDAR.
8
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.
9
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 �m do 3,5 �m) lub długich (od 8 �m do 12 �m) charakterystycznych dla środków
biologicznych. Specyficzne pasma absorpcyjne  amidu I i  amidu II odpowiadające
obszarowi 5,5 �m do 8 �m 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 �m; pomiar biofluorescencji.
10
 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 �m).
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.
11
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 z
ródło 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
12
stosowany do potwierdzenia wstępnej detekcji BSMR i uzyskania zgodności danych z innymi
systemami.
Łł
Łł
Łł
Detekcja bio-aerozoli WindTracerŁł 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 WindTracerŁł 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 z
ródła 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 z
ródła zagrożenia, wielkość dyspersji i rozprzestrzeniania
się substancji biologicznych w środowisku, szczególnie w atmosferze lub rzadziej w glebie,
13
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 z
ródło 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 z
ródło punktowe,
chwilowe z
ródło objętościowe,
ciągłe z
ródło punktowe,
ciągłe z
ródło liniowe,
ciągłe z
ródło 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 od 30 minut do kilku godzin
Mahrburg w powietrzu;
14
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 (rzez
by 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 powietrza3 i strefy
4
skażeń , oraz rozkład stężeń środków biologicznych w obłoku w funkcji czasu
i odległości od z
ródła 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.
15
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].
Powierzchnia
Miasto Ilość biosensorów
[km2]
Chicago 591 192,000
Dallas 979 318,000
Denver 400 130,000
Los Angeles 1,211 394,000
Manhattan Island 57 19,000
Palo Alto 67 22,000
San Francisco 119 39,000
Santa Barbara 55 39,000
Seattle 375 122,000
Washington 179 58,000
Warszawa 517 ?
Niestety, potrzeba zwiększenia realności prognozowania skażeń biologicznych, w tym
możliwości przewidywania skutków zakażeń, np. rozwoju epidemii chorób zakaz
nych
(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.
16
Tabela 4. Przewidywane skutki użycia BSMR [2].
Zasięg obłoku
Nazwa choroby Zgony Chorzy
w [km]
Gorączka doliny 1 400 35,000
Rift
Kleszczowe 1 9,500 35,000
zapalenie mózgu
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 z
ródła 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
17
Tabela 5. Porównanie funkcjonalności programów. (c.d.)
1 2 3 4
y
ródła 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 z
ródła 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
B. Górka-Winter, Stan przygotowań RP do obrony przed atakiem biologicznym, Biuletyn Polskiego
1.
Instytutu Spraw Międzynarodowych, 78/2002, s. 607-610.
F.R. Sidell, E.T. Takafuji, D.R. Franz, Medical aspects of chemical and biological warfare. TMM Borden
2.
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.
18
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 zakaz
nych 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. ą-Medica Press,
Bielsko-Biała 2001, 256 s.
19