Uno studio condotto da diverse università svizzere, tra cui l’EPFL, mostra che gli aerosol respiratori emessi nell’aria di una stanza possono avere diversi livelli di acidità. Il pH degli aerosol determina il tempo in cui i virus in essi contenuti rimangono infettivi nell’aria. Ciò ha importanti implicazioni per la trasmissione dei virus, tra cui l’influenza e il Covid, e per le strategie di controllo.
Virus come la SARS-CoV-2 o il virus dell’influenza circolano da persona a persona attraverso l’aerosol. Queste sospensioni di particelle liquide altamente disperdibili vengono emesse nell’aria da qualsiasi persona infetta quando tossisce, starnutisce o semplicemente espira - e vengono poi inalate da altri.
È quindi importante arieggiare con cura gli ambienti e filtrare l’aria per ridurre la concentrazione di aerosol negli appartamenti, negli uffici o nei mezzi di trasporto pubblico, riducendo così il rischio di infezione.
Particelle sospese
Tuttavia, non è noto quanto a lungo i virus possano rimanere infettivi negli aerosol. Alcuni studi suggeriscono che l’umidità dell’aria e la temperatura possono svolgere un ruolo importante. Ma un altro fattore, ancora sottovalutato, è la composizione chimica, e in particolare l’acidità, degli aerosol espirati in interazione con l’aria ambiente. Molti virus, come l’influenza A, sono sensibili al pH dell’ambiente e gli aerosol possono assorbire acidi volatili e altri componenti dell’aria ambiente, come l’acido acetico, l’acido nitrico o l’ammoniaca, influenzando così il pH di questi aerosol.
L’impatto dell’acidificazione degli aerosol sulla carica virale degli aerosol non è stato studiato finora.
Un team di ricercatori dell’EPFL, del Politecnico di Zurigo e dell’Università di Zurigo si è occupato proprio di questo. In uno studio, il team ha presentato per la prima volta il comportamento del pH degli aerosol in diverse condizioni ambientali durante il periodo di tempo successivo all’espirazione, che va da pochi secondi a diverse ore. Ha anche mostrato gli effetti di questo fenomeno sui virus che queste particelle trasportano. Lo studio è stato appena pubblicato sulla rivista Environmental Science & Technology.
Rapida acidificazione di piccole particelle
Secondo il team di ricerca, le particelle espirate si acidificano più velocemente del previsto. Questa velocità dipende dalle dimensioni delle particelle stesse e dalla concentrazione di molecole acide nell’aria ambiente. Nell’aria interna tipica, le particelle di pochi micrometri di muco nasale e di fluido polmonare sintetizzato appositamente per lo studio avevano un pH di 4 dopo circa 100 secondi, che corrisponde all’incirca all’acidità del succo d’arancia.
L’acidità di una soluzione si misura con il pH: una soluzione neutra ha un pH pari a 7, una soluzione acida ha un pH inferiore a 7 e una soluzione basica ha un pH superiore a 7.
Secondo il team di ricerca, il principale responsabile dell’acidificazione degli aerosol è l’acido nitrico, che entra negli ambienti interni durante la ventilazione o attraverso l’aspirazione di aria esterna da parte dei sistemi di ventilazione. L’acido nitrico deriva dalla degradazione degli ossidi di azoto (NOx), che vengono emessi principalmente attraverso i gas di scarico dei motori diesel e degli impianti di riscaldamento domestico come risultato dei processi di combustione. Le città e i paesi producono quindi costantemente ossidi di azoto e quindi anche acido nitrico.
L’acido nitrico aderisce rapidamente alla superficie di mobili, vestiti, pelle, ma anche alle minuscole particelle che respiriamo. Quando queste particelle assorbono le molecole acide, diventano a loro volta più acide, abbassando il pH.
Ruolo importante del pH dell’aerosol
Il team di ricerca ha inoltre dimostrato che un ambiente acido ha un’influenza decisiva sulla velocità di inattivazione dei virus contenuti nelle particelle di muco. Tuttavia, i due tipi di virus studiati hanno mostrato differenze nella loro sensibilità al pH: il SARS-CoV-2 è così resistente all’acidità che gli scienziati hanno inizialmente pensato che si trattasse di un errore di misurazione: i coronavirus sono stati inattivati solo a un pH inferiore a 2, cioè in un mezzo paragonabile al succo di limone non diluito (almeno il 15,6% di acido acetico) - condizioni che non vengono raggiunte nella tipica aria degli ambienti interni. Al contrario, i virus dell’influenza A sono inattivati dopo solo un minuto in un mezzo con un pH di 4, un valore raggiunto in meno di due minuti dalle particelle di muco espirato in un tipico ambiente interno.
Sommando il tempo necessario per acidificare gli aerosol e il tempo necessario per inattivare i virus influenzali a un pH pari o inferiore a 4, il 99% dei virus dell’influenza A negli aerosol viene inattivato in circa tre minuti, una velocità che ha sorpreso il team di ricerca. Tuttavia, la situazione è molto diversa per il virus della SARS-CoV-2: poiché il pH degli aerosol raramente scende al di sotto di 3,5 nei normali ambienti interni, sono necessari diversi giorni per ottenere l’inattivazione del 99% dei coronavirus.
Lo studio ha dimostrato che in uno spazio ben ventilato i virus dell’influenza A presenti negli aerosol sono stati efficacemente inattivati e che anche i rischi posti dal SARS-CoV-2 possono essere ridotti. Al contrario, in ambienti scarsamente ventilati, il rischio di aerosol contenenti virus attivi è 100 volte superiore a quello di spazi con un notevole apporto di aria fresca.
Gli scienziati consigliano quindi una regolare ventilazione degli ambienti interni, in modo che l’aria della stanza carica di virus e le sostanze basiche come l’ammoniaca provenienti dalle emissioni umane e dalle attività interne vengano trasportate all’esterno, mentre i componenti acidi dell’aria esterna possono entrare nelle stanze in quantità sufficiente.
Il filtraggio dell’aria rimuove le molecole acide
I semplici condizionatori d’aria con filtri d’aria riducono già la quantità di acidi volatili nell’aria. "Nei musei, nelle biblioteche o negli ospedali, la degradazione delle molecole acide trasportate dall’aria con i filtri a carbone attivo è probabilmente ancora maggiore. Pertanto, il rischio relativo di trasmissione dei virus influenzali in questi edifici pubblici è significativamente più elevato rispetto agli edifici ventilati con aria esterna non filtrata", afferma il team di ricerca nel suo documento.
I ricercatori hanno quindi immaginato la possibilità di aggiungere piccole quantità di acidi volatili, come l’acido nitrico, all’aria filtrata e di rimuovere sostanze basiche come l’ammoniaca per accelerare l’acidificazione degli aerosol. Secondo lo studio, una concentrazione di 50 ppb di acido nitrico (50 parti per miliardo di aria, ovvero 1/40 della quantità consentita per 8 ore sul posto di lavoro) comporterebbe una riduzione di mille volte del rischio di infezione da coronavirus.
Verso un clima interno più sano
Tuttavia, i membri del team di ricerca sono consapevoli che una misura del genere sarebbe molto controversa, poiché le conseguenze di livelli così elevati di acido non sono chiare. I musei e le biblioteche filtrano l’aria con grande attenzione per proteggere le opere d’arte e i libri che contengono. Gli ingegneri civili non sarebbero più entusiasti, poiché l’aggiunta di sostanze acide potrebbe danneggiare materiali e tubature.
I ricercatori sono quindi consapevoli della necessità di studi a lungo termine per valutare i rischi che tali misure potrebbero comportare per le persone e gli edifici. L’idea che gli acidi volatili siano efficaci nella rimozione dei virus dagli aerosol potrebbe quindi avere difficoltà ad essere accettata. Tuttavia, la rimozione dell’ammoniaca, un composto emesso dagli esseri viventi che stabilizza i virus aumentando il pH, non dovrebbe essere controversa.
Collaborazione di successo
Questo studio è il risultato di una collaborazione interdisciplinare tra ricercatori dell’EPFL, del Politecnico di Zurigo e dell’Università di Zurigo. Dopo anni di preparazione, lo studio è iniziato nel 2019, concentrandosi inizialmente solo sui virus influenzali. Tuttavia, la pandemia Covid-19 ha indotto il team di ricerca ad ampliare il progetto per includere questo nuovo coronavirus.
Lo studio del comportamento di questi due virus in ambiente acido è stato condotto dai ricercatori dell’Istituto di virologia medica dell’Università di Zurigo, sotto la direzione di Silke Stertz, insieme a un gruppo di colleghi del Laboratorio di chimica ambientale dell’EPFL, guidati da Tamar Kohn, che è anche responsabile della gestione complessiva del progetto Sinergia. Hanno studiato la sensibilità dei virus dell’influenza A e dei coronavirus a diverse condizioni di pH nel fluido polmonare artificiale, nonché nel muco nasale e polmonare che gli scienziati avevano precedentemente raccolto da colture di cellule di muco appositamente propagate per questo progetto.
Guidato da Thomas Peter e Ulrich Krieger, il personale dell’Istituto di Chimica dell’Atmosfera ha studiato il comportamento delle particelle di muco utilizzando una trappola elettrodinamica per particelle. Con questo dispositivo, sono stati in grado di "catturare" e analizzare le particelle sospese senza contatto per un periodo di giorni o settimane, ad esempio per vedere come cambiavano in risposta alle variazioni di umidità dell’aria.
Anche il gruppo Peter ha effettuato simulazioni del modello. La modellazione può essere un punto debole dello studio complessivo, in quanto saranno necessarie ulteriori analisi sperimentali per dimostrare come i virus si comportino effettivamente negli aerosol acidi. A tal fine, un gruppo di ricerca guidato da Athanasios Nenes, che inizialmente aveva ipotizzato che l’acidità potesse essere un importante fattore di modulazione della trasmissione del virus da parte degli aerosol, sta attualmente sviluppando presso l’EPFL tecniche sperimentali che consentiranno in futuro di effettuare esperimenti non solo in condizioni di stretta biosicurezza, ma anche in diverse composizioni dell’aria ambiente.
Riferimenti
Luo BP, Schaub A, Glas I, Klein LK, David SC, Bluvshtein N, Violaki K, Motos G, Pohl MO, Hugentobler W, Nenes A, Krieger UK, Stertz S, Peter T, Kohn T: "Expiratory aerosol pH: the overlooked driver of airborne virus inactivation", Environmental Science & Technology, Dicembre 2022 DOI: 10.1021/acs.est.2c05777
