Kuinka opettaa koneet tunnistamaan eloperäisiä hiukkasia ilmassa?
Nelivuotinen EU-rahoitteinen SYLVA-hanke pyrkii pystyttämään infrastruktuuria, jolla ilmakehän bioaerosoleista saadaan nykyistä tarkempaa tietoa. Keskeistä pystytystyössä on kehittää reaaliaikaisia automaattisia seurantalaitteita siten, että niiden tuottamaan tietoon voi luottaa. Turun yliopiston siitepölytiedotus on yksi hankekonsortion jäsenistä.
Kaikkialla ympärillämme leijuu monenlaisia hiukkasia – niin ilmassa, jota hengitämme, kuin useiden kilometrien korkeudella ilmakehässä. Osa hiukkaista on eloperäisiä, ja niitä kutsutaan bioaerosoleiksi. Bioaerosoleja ovat esimerkiksi siitepöly, sieni-itiöt, hyönteisten osat, bakteerit ja muut yksisoluiset organismit. Jotkin bioaerosolit voivat aiheuttaa ihmisille allergiaoireita, ja niitä kutsutaan aeroallergeeneiksi. Allergiaoireita aiheuttavat pääasiassa jotkin siitepölyt ja sieni-itiöt. Terveysvaikutusten lisäksi monet bioaerosolit liittyvät myös esimerkiksi maanviljelykseen ja metsätalouteen, sillä monet kasvitaudit ovat sienten aiheuttamia. Bioaerosolit voivat myös toimia esimerkiksi ilmastonmuutoksen indikaattoreina, ja ovat tärkeä osa ekosysteemien toimintaa.
Turun yliopiston siitepölytiedotus on mukana monitieteisessä Horizon Europe -rahoitteisessa SYLVA-hankkeessa (A SYstem for ReaL-Time ObserVation of Aeroallergens). Hanketta vetää Ilmatieteen laitos, ja yhteistyökumppaneina on Turun yliopiston lisäksi muita yliopistoja, tutkimuslaitoksia ja yrityksiä eri puolilta Eurooppaa. Projekti jakautuu kolmeen pilottialueeseen, jotka kattavat suuren osan Eurooppaa: pohjoiseen (Northern), vuoristoiseen (High-Altitude) ja eteläiseen (Southern).
Projektia on tätä kirjoitettaessa takana puolitoista vuotta, ja paljon on jo saatu aikaiseksi. Ollaan käyty Lapissa Sammaltunturilla, Saksan Alpeilla Eibseessa, pidetty lukemattomia etäpalavereita, vietetty aikaa maastossa sakset, paperipussit ja kumihanskat kädessä, taulukoitu, siivilöity ja ihmetelty laitteita. Kehittyneet etäyhteydet mahdollistavat tutkijoiden kohtaamiset ja tehokkaan yhteistyön maantieteellisestä etäisyydestä riippumatta. Tapaaminen kasvokkain on kuitenkin aina virkistävää, vie tutkimusta tehokkaasti eteenpäin, tuo mahdollisuuksia verkostoitua, ja tarjoaa innostuneita ja innostavia keskusteluja.

SYLVA-hanke polkaistiin käyntiin talvisella matkalla Sammaltunturille, missä tutustuttiin Ilmatieteen laitoksen säähavaintoasemaan ja sinne sijoitettuihin tutkimuslaitteisiin. Eibseessa kokoustettiin kuluvan vuoden keväällä. Siellä tutustuttiin tutkimusasemaan Zugspitze-vuorella yli 2,5 kilometrin korkeudessa. Niin Sammaltunturilla kuin Eibseessakin maisemat olivat huikaisevia. Hankkeen aikana on vielä tarkoitus vierailla eteläisessä Euroopassa kolmannella pilottialueella.
Hankkeen tavoitteena on parantaa aeroallergeeneja ja muita bioaerosoleja koskevan tiedon saatavuutta, kattavuutta ja ajallista tarkkuutta. Keskeistä on pyrkimys kohti mittausten ja mittaustulosten reaaliaikaisuutta – mitä nykyaikana moneltakin asialta odotetaan. Hanke keskittyy teknologisiin innovaatioihin sekä uuden IT-infrastruktuurin ja tiedonjakelun kehittämiseen. Yhteistyö eri sidosryhmien kanssa on tiivistä, jotta varmistetaan uusien teknologioiden ja palveluiden tarkoituksenmukaisuus ja hyödynnettävyys myös hankkeen elinajan jälkeen.
Laitekehityksessä on mukana viisi uudenlaista bioaerosolien seurantaan tarkoitettua laitetta, ja niille vertailukohtana vanhempi ns. Hirst-tyypin keräin. Hirst -keräimen periaate on kehitetty jo viime vuosisadan puolivälissä, mutta menetelmä toimii erinomaisesti, ja on edelleen standardi bioaerosolien seurannassa eri puolilla maapalloa. Sen avulla kerättyjen aineistojen vertailukelpoisuus on korvaamatonta esimerkiksi ilmastonmuutostutkimuksessa. Menetelmän käyttöön liittyy toki hieman haittapuoliakin: tarvitaan koulutettua ja asiantuntevaa työvoimaa analysoimaan näytteet, ja näytteen ottamisen ja tulosten saamisen välillä on parhaassakin tapauksessa muutaman tunnin viive. Muun muassa näitä haasteita uudempien laitteiden olisi tarkoitus vähitellen korjata: automatisoida näytteenottoa, vähentää työvoiman tarvetta ja lyhentää aikaviivettä, sekä vähitellen mahdollistaa yhä useampien erityyppisten hiukkasten tunnistaminen. Toistaiseksi ihmissilmä on kuitenkin kaikkein paras väline mikroskooppisten hiukkasten tunnistamiseen, joten kehitystyötä tarvitaan.

Automaattisten bioaerosolien seurantalaitteiden toiminnan keskeinen perusta on niiden kyky tunnistaa ja erottaa ilman hiukkasia. Tunnistaminen ei kuitenkaan onnistu niiltä suoriltaan, vaan ne täytyy ”opettaa”. Laitteiden opettamista varten niihin syötetään yhden tyyppisiä hiukkasia kerrallaan – esimerkiksi koivun siitepölyä. Prosessia varten tarvitaan näytteitä mahdollisimman monista erilaisista bioaerosoleista. Tällä hetkellä laitteita on opetettu tunnistamaan pääasiassa siitepölyjä ja itiöitä, mutta jonain päivänä niiden toivotaan pystyvän erottamaan ja tunnistamaan ilmasta myös bakteereita ja viruksia. Siihen on kuitenkin vielä matkaa.
Tärkeä osa SYLVA-hanketta oli kerätä kattava ”kirjasto” erilaisia bioaerosolinäytteitä, joiden avulla laitteita voitaisiin opettaa. Tässä Turun yliopiston tutkijat olivat keskeisessä osassa. Hankkeen partnerit keräsivät näytteitä kaikilta hankkeen pilottialueilta eri puolilta Eurooppaa – pohjoisesta, etelästä ja vuoristoisilta alueilta. Kaiken kaikkiaan kerätty kirjasto käsittää noin 400 siitepöly- ja itiönäytteitä noin 170 eri lajista, suvusta tai heimosta. Näin kattavaa kirjastoa bioaerosolinäytteistä ei aiemmin ole koottu.
Turun yliopiston siitepölytiedotuksen tutkijat olivat päävastuussa pohjoisten alueiden näytteiden keruusta, sekä kaikkien hankkeen näytteiden luetteloinnista ja raportoinnista. Aerobiologit tekevät paljon laboratoriotyötä, mutta näytteiden keräämistä varten hekin pääsivät vaihteeksi työskentelemään ulos luontoon. Eri lajit kukkivat tai itiöivät eri aikoihin, joten kutakin lajia piti päästä keräämään juuri oikeaan aikaan. Keräämisessä oli huomioitava säätila (märällä säällä näytteitä ei voi kerätä), vuodenaika, vuorokaudenaika sekä tietysti muiden työtehtävien asettamat rajoitteet. Maastotöiden ajoittaminen on haaste, jonka kanssa useimmat biologit joutuvat jossain vaiheessa painiskelemaan.

Siitepölynäytteet kerätään niin, että kasveista leikataan kukintoja paperipussiin. Kukinnot kuivataan, minkä jälkeen ne siivilöidään, jotta siitepöly saadaan irtoamaan ja otetaan talteen. Kuiva ja siivilöity siitepöly laitetaan näyteputkiin odottamaan myöhempää käyttöä. Yhdessä näyteputkessa on keskimäärin 0,5 g siitepölyä – siis vähän! – mutta sitä varten on kerätty monen monta paperipussillista kukkia.
Kasvien lisäksi hanketta varten kerättiin myös sieni-itiöitä, joten aerobiologit pääsivät kasviretkien lisäksi myös sieniretkelle. Etsinnässä eivät olleet ruokasienet (vaikka joku sellainenkin saattoi kenties tarttua mukaan omiin koreihin), vaan tarkoitus oli kerätä mahdollisimman paljon erilaisia sieniä – kutakin sorttia riittävän paljon, jotta itiöitä saataisiin tarpeeksi. Samoin kuin kasvien kukintoja, myös sieniä täytyy kerätä paljon, jotta niistä saadaan talteen riittävästi itiöitä.
Hankkeen tavoitteet ja siinä maalaillut tulevaisuudenkuvat ovat innostavia, ja kiinnostus niin tutkijoiden, yritysten kuin tavallisten ihmistenkin joukossa suurta. Laitteita täytyy kuitenkin kehittää vielä paljon, ennen kuin laaja, automaattinen ja reaaliaikaista tietoa tarjoava bioaerosolien seurantaverkosto on mahdollista ottaa yleisesti käyttöön sekä osaksi aeroallergeenien ennusteiden tekemistä ja jakamista suurelle yleisölle. Vielä toistaiseksi kattavin, käytännöllisin, edullisin ja luotettavin menetelmä bioaerosolien seurantaan ja allergeenisten siitepölyjen ja homeitiöiden pitoisuuksien ennustamiseen on sama, mitä Turun yliopiston siitepölytiedotuksessakin on käytetty jo 50 vuoden ajan.
Hankkeen nettisivut: https://sylva.bioaerosol.eu/
Turun yliopiston siitepölytiedotuksen nettisivut: https://sites.utu.fi/siitepoly/
Artikkelin pääkuvassa on siitepölynäytteitä Eppendorf-putkissa.
Kirjoittaja on projektitutkija, joka työskentelee Turun yliopiston siitepölytiedotuksessa.