不同环境条件下生物气溶胶的组成及分布分析
January 7th, 2019
了解环境颗粒物的生物组成对于研究其对人类健康和疾病传播的重大影响具有重要意义。在这里, 我们使用了三种类型的生物气溶胶采样方法和空气微生物的生物分析, 以更好地探索不同环境条件下的空气微生物群落。
了解环境颗粒物的生物组成对于研究其对人类健康和疾病传播的重大影响非常重要。在这种生物阿罗索尔取样方法和分析中，可广泛应用在环境监测、空气病原体检测等许多研究领域。要确定总颗粒数，首先为机载激光粒子计数器配备传感器，以监控温度和相对湿度。
然后，通过机载激光粒子计数器顶部的空气采样端口收集粒子物质，并使用采样器内的测试模块每五分钟同时测量每类颗粒的大小。要通过气旋气溶胶取样器收集颗粒物样品，请设置一个气旋气溶胶采样器，以收集每分钟323升的采样流量，采集时间为6小时，并使用自动清洁功能用无菌水清洗取样器内部三次。然后，将取样器单独放在架子或地板上，然后开始收集。
在收集期结束时，将所有样品存放在 20 摄氏度，不受光线影响，直到分析。对于按过滤器收集的颗粒物，请为大容量空气采样器配备 20.32 x 25.4 平方厘米过滤器，并在适当的采集期内将样品设置为每分钟 1，000 升的流速。在收集期结束时，将所有样品存放在 20 摄氏度，不受光线影响，直到分析。
对于收集过滤器样本的生物成分分析，将每个过滤器放入一个 50 毫升的圆锥管中，样品朝内，过滤器背面朝向管壁。将10个珠子加入每个管子的中心区域，朝向含有样品的过滤器的一侧，并在室温下旋转管子15分钟。将液体从每个管转移到新的50毫升管中，根据标准协议，通过聚合酶链反应，将细菌16S重组DNA的V1到V3区域以及真菌重组RNA蛋白酶的 ITS区域。
为对可培养的空气中细菌和真菌进行取样和栽培，将国际标准安徒生六级取样器设定为每分钟28.3升的流速，采集周期为35分钟，并在取样器的每个阶段放置大豆表消化农业菌培养板。使用安徒生六级采样器对六个阶段进行采样，该采样器由空气动力学颗粒的空气动力学直径定义，在收集细菌颗粒时将细菌颗粒沉积到培养板上。在37摄氏度的空气中培养细菌收集板24至48小时，然后计算每个阶段每个样品板上形成细菌的菌群。
经过48至72小时的培养，将每个板中的细菌收集到两毫升离心管中，然后按照标准协议使用多源DNA提取试剂盒提取DNA。在一个奶牛场的这种代表性抽样中，气溶胶颗粒的浓度在12月最高，10月份最低，可能是由于温度和湿度的变化。能够到达深呼吸道的可吸入气溶胶颗粒浓度占颗粒总浓度的99%以上，对人类和动物造成严重的潜在危害。
2016年12月20日，北京理工大学校园内在朦胧的日子里采集的生物aerosol样品分析表明，气旋气溶胶取样器收集的细菌基因比带过滤器的高容量空气采样器多。然而，两个取样器都显示出相等的采集效率，以及几乎相同数量的真菌采集属丰度。如图所示，安徒生六级取样器可用于收集不同环境中存在的不同类型的空气中的可培养细菌，例如在本研究中评估的四种不同类型的猪舍中。
随后的机载样本培养表明，不同主要细菌基因的含量在不同的设施之间不同。在确定气溶胶取样方法类型时，需要考虑许多因素，如温度、湿度、生物气胶浓度和环境条件。Metagenomics 也可用于获取整个遗传信息，而无需分离单个生物体。
我们的协议和研究结果可能有助于全世界其他研究人员进一步探索真菌和细菌生物阿罗索尔在不同环境条件下对健康的影响。
概述
本研究探讨了环境颗粒物的生物组成及其对人类健康和疾病传播的影响。利用各种生物气溶胶采样方法，研究在不同环境条件下的空气微生物群落。
研究的主要组成部分
科学领域
- 环境科学
- 微生物学
- 公共卫生
背景
- 环境颗粒物可能会对健康产生重大影响。
- 生物气溶胶包括可能影响疾病传播的空气微生物。
- 了解其组成对环境监测至关重要。
- 采样方法可能因环境条件而异。
研究目的
- 分析空气微生物群落。
- 评估不同生物气溶胶采样方法的有效性。
- 探索在不同条件下生物气溶胶对健康的影响。
所用方法
- 空气激光颗粒计数器用于测定总颗粒物数量。
- 旋风气溶胶采样器用于收集颗粒物。
- 高容量空气采样器配有过滤器用于生物组成分析。
- 安德森六级采样器用于可培养的空气细菌和真菌。
主要结果
- 气溶胶颗粒的浓度因月份而异。
- 旋风采样器收集的细菌属数量多于高容量采样器。
- 两种采样器在真菌收集效率上相似。
- 环境因素影响了气溶胶采样结果。
结论
- 不同的采样方法对微生物群落的结果有所不同。
- 环境条件显著影响气溶胶浓度。
- 研究结果可以帮助理解生物气溶胶对健康的影响。
常见问题
Executive Industry Relevance
Understanding bioaerosol composition supports environmental health risk assessment and pathogen surveillance in occupational and public health settings. The protocol enables comparative evaluation of sampling methods under varying environmental conditions, informing method selection for reproducible airborne microbiological analysis. This contributes to mechanistic de-risking in early discovery by clarifying bioaerosol variability that may influence toxicological or infectious disease models.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of microbial diversity in environmental samples to support hypothesis generation around airborne pathogen exposure.
- Operational Value: Provides standardized collection procedures for culturable and unculturable microorganisms across different samplers.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of samples for downstream molecular analysis such as 16S rDNA and ITS sequencing.
- Operational Value: Supports assay standardization through defined flow rates, collection times, and storage conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Offers disease-relevant systems for studying inhalation exposure models and mucosal immune responses.
- Operational Value: Enables longitudinal monitoring of bioaerosol dynamics in controlled or field environments.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within discovery biology workflows by providing characterized biological inputs for downstream screening or model validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding airborne microbial contributions to cellular stress or inflammatory pathways.
- Screening: Delivers standardized particulate matter extracts suitable for cytotoxicity or immune activation assays.
- Analytics: Generates quantitative microbial abundance data via sequencing and CFU counting for comparative condition analysis.
- Translational Research: Connects environmental sampling to preclinical models of respiratory or systemic exposure.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable sampling and analytical framework applicable across sites and seasons.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by capturing both culturable and molecular signatures of airborne microbes.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized sampler calibration, flow control, and blinded sample handling.
- Strategic Value: Reduces biological uncertainty in environmental risk models, supporting go/no-go decisions in target validation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds or models based on bioaerosol exposure potential.
Implementation Considerations
- Requires expertise in aerobiology, molecular microbiology, and environmental sampling.
- Depends on access to particle counters, aerosol samplers, cold storage, and PCR/sequencing infrastructure.
- Necessitates cross-team alignment on sampling timing, environmental metadata, and contamination controls.
- Involves adaptation considerations for sampler performance across temperature, humidity, and particulate load conditions.
- Limited by culture-dependent methods capturing <1% of total microbial diversity, necessitating molecular complement.
