Zusammensetzung und Verteilungsanalyse Bioaerosole unter verschiedenen Umweltbedingungen
7. Januar 2019
Verständnis der biologischen Zusammensetzung der Umwelt Feinstaub ist wichtig für das Studium der seine erheblichen Auswirkungen auf die Gesundheit und Krankheit zu verbreiten. Hier haben wir drei Arten von Bioaerosol Probenahmeverfahren und eine biologische Analyse der Luft Mikroben um in der Luft mikrobielle Gemeinschaften unter verschiedenen Umweltbedingungen besser zu erkunden.
Das Verständnis der biologischen Zusammensetzung des Umweltpartikels ist wichtig für die Untersuchung seiner erheblichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Ausbreitung von Krankheiten. In dieser Bioaerosol-Probenahmemethode und -analyse kann in vielen Studienbereichen wie Umweltüberwachung und Nachweis von Luftkeimen eine breite Anwendung finden. Um die Gesamtpartikelzahl zu bestimmen, statten Sie zunächst einen laserpartikelzähler in der Luft mit einem Sensor aus, um die Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit zu überwachen.
Sammeln Sie dann die Partikel materie durch den Luftentnahmeanschluss auf der Oberseite des luftgetragenen Laserpartikelzählers und verwenden Sie die Testmodule im Probennehmer, um die Größe jeder Partikelklasse gleichzeitig alle fünf Minuten zu messen. Um Partikelproben von zyklonischen Aerosolprobennehmern zu sammeln, stellen Sie einen zyklonischen Aerosol-Sampler ein, um einen Probenfluss von 323 Litern pro Minute für einen zeitraum von sechs Stunden zu sammeln, und verwenden Sie die automatische Reinigungsfunktion, um das Innere des Probenehmers dreimal mit sterilem Wasser zu waschen. Legen Sie dann den Sampler allein auf ein Regal oder einen Boden und starten Sie die Sammlung.
Am Ende des Sammelzeitraums alle Proben bei 20 Grad Celsius, vor Licht geschützt, bis zu ihrer Analyse lagern. Für die Partikelsammlung durch Filter einen Großvolumen-Luftprobennehmer mit 20,32 x 25,4 Quadratzentimeterfiltern ausstatten und die Probe für den entsprechenden Sammelzeitraum auf einen Durchfluss von 1.000 Litern pro Minute einstellen. Am Ende des Sammelzeitraums alle Proben bei 20 Grad Celsius, vor Licht geschützt, bis zu ihrer Analyse lagern.
Für die biologische Zusammensetzungsanalyse von filtergesammelten Proben legen Sie jeden Filter in ein 50 Milliliter konisches Rohr mit der nach innen gerichteten Probe und der Rückseite des Filters nach innen zur Rohrwand gerichtet. Fügen Sie 10 Perlen in den zentralen Bereich jedes Rohres zur Seite des Filters, der die Probe enthält, und wirbeln Sie das Rohr für 15 Minuten bei Raumtemperatur. Übertragen Sie die Flüssigkeit aus jedem Rohr in neue 50-Milliliter-Röhren und verstärken Sie den V1-zu-V3-Bereich der bakteriellen 16S-rekombinanten DNA und die ITS-Region des pilzrekombinanten RNA-Operons durch Polymerase-Kettenreaktion nach Standardprotokollen.
Für die Probenahme und den Anbau von kultivierbaren Luftbakterien und Pilzen, setzen Sie einen internationalen Standard Andersen sechsstufigen Sampler auf eine Durchflussrate von 28,3 Liter pro Minute für einen 35-minütigen Sammelzeitraum und legen Sie eine Sojabohnen-Kassin-Digest-Agar-Kulturplatte in jede Stufe des Samplers. Probieren Sie die sechs Stufen mit dem Sechs-Stufen-Probenehmer Andersen, wie sie durch die aerodynamischen Durchmesser der Luftteilchen definiert sind, und legen Sie die Bakterienpartikel bei ihrer Erfassung auf die Kulturplatten ab. Kultur die luftgetragenen Bakterien sammelplatten bei 37 Grad Celsius für 24 bis 48 Stunden, bevor die Kolonie bildenden Einheiten von Bakterien auf jeder Probenplatte für jede Stufe zählen.
Sammeln Sie die Bakterien aus jeder Platte nach 48 bis 72 Stunden Kultur in zwei Milliliter-Zentrifugenröhren und extrahieren Sie die DNA mit einem Mehrquellen-DNA-Extraktionskit nach Standardprotokollen. Bei dieser repräsentativen Probenahme aus einem Milchviehbetrieb war die Konzentration von Aerosolpartikeln im Dezember am höchsten und im Oktober am niedrigsten, möglicherweise aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen. Die Konzentration der inhalierbaren Aerosolpartikel, die die tiefen Atemwege erreichen können, machte mehr als 99 % der gesamten Partikelkonzentration aus, was zu ernsthaften potenziellen Gefahren für Mensch und Tier führte.
Hier zeigt die Analyse der Bioaerosolproben, die während der trüben Tage auf dem Campus des Beijing Institute of Technology am 20. Dezember 2016 gesammelt wurden, dass der zyklonische Aerosol-Sampler viel mehr Gattungen von Bakterien sammelte als der hochvolumige Luftprobenehmer mit Filtern. Beide Probenehmer zeigten jedoch eine gleiche Sammeleffizienz und fast die gleiche Anzahl von Gattungshäufigkeiten für die Pilzsammlung. Wie in dieser Abbildung dargestellt, kann ein Andersen sechsstufiger Sampler verwendet werden, um die verschiedenen Arten von in der Luft kultivierbaren Bakterien zu sammeln, die in verschiedenen Umgebungen vorhanden sind, wie z. B. in den vier verschiedenen Arten von Schweinereien, die in dieser Studie bewertet wurden.
Die anschließende Kultur der Luftproben zeigte, dass der Gehalt der verschiedenen vorherrschenden Bakteriengattungen zwischen den verschiedenen Einrichtungen variierte. Es gibt viele Faktoren, wie Temperatur, Feuchtigkeit, Bioaerosolkonzentration und die Umweltbedingungen, die bei der Art der Aerosolprobenahme berücksichtigt werden sollten. Metagenomik kann auch verwendet werden, um die genetische Information als Ganzes zu erwerben, ohne einzelne Organismen zu trennen.
Unsere Protokolle und unsere Ergebnisse können anderen Forschern auf der ganzen Welt helfen, die gesundheitlichen Auswirkungen von Pilz- und bakteriellen Bioaerosolen unter verschiedenen Umweltbedingungen weiter zu erforschen.
Übersicht
Diese Studie untersucht die biologische Zusammensetzung von Umgebungspartikeln und deren Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit sowie die Verbreitung von Krankheiten. Unter Verwendung verschiedener Methoden zur Probennahme von Bioaerosolen erforscht die Arbeit luftgetragene mikrobielle Gemeinschaften unter unterschiedlichen Umweltbedingungen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Umweltwissenschaften
- Mikrobiologie
- Öffentliche Gesundheit
Hintergrund
- Feinstaub in der Umwelt kann die Gesundheit erheblich beeinträchtigen.
- Bioaerosole umfassen luftgetragene Mikroben, die die Ausbreitung von Krankheiten beeinflussen können.
- Das Verständnis ihrer Zusammensetzung ist entscheidend für die Umweltüberwachung.
- Probennahmemethoden können je nach Umweltbedingungen variieren.
Zweck der Studie
- Um luftgetragene mikrobielle Gemeinschaften zu analysieren.
- Um die Wirksamkeit verschiedener Methoden zur Probennahme von Bioaerosolen zu bewerten.
- Um die gesundheitlichen Auswirkungen von Bioaerosolen unter wechselnden Bedingungen zu untersuchen.
Verwendete Methoden
- Luftgetragener Laser-Partikelzähler zur Bestimmung der Gesamtanzahl von Partikeln.
- zyklonische Aerosol-Sampler zum Sammeln von Partikeln.
- Luftprobensampler mit hohem Volumenstrom und Filtern zur Analyse der biologischen Zusammensetzung.
- Andersen-Sechs-Stufen-Sampler für kultivierbare luftgetragene Bakterien und Pilze.
Hauptergebnisse
- Die Konzentration von Aerosolpartikeln variierte je nach Monat.
- Kyclonische Sampler sammelten mehr bakterielle Gattungen als Hochvolumen-Sampler.
- Beide Sampler zeigten eine ähnliche Effizienz bei der Sammlung von Pilzen.
- Umweltfaktoren beeinflussten die Ergebnisse der Aerosolprobenahme.
Schlussfolgerungen
- Unterschiedliche Probennahmemethoden führen zu variierenden Ergebnissen für mikrobielle Gemeinschaften.
- Umweltbedingungen beeinflussen die Aerosolkonzentrationen erheblich.
- Die Ergebnisse können zur Aufklärung der gesundheitlichen Auswirkungen von Bioaerosolen beitragen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Das Verständnis der Zusammensetzung von Bioaerosolen unterstützt die Bewertung von Umweltgesundheitsrisiken und die Überwachung von Krankheitserregern in berufsbedingten und öffentlichen Gesundheitsbereichen. Das Protokoll ermöglicht die vergleichende Bewertung von Probennahmemethoden unter wechselnden Umweltbedingungen und unterstützt so die Methodenauswahl für reproduzierbare mikrobiologische Luftanalysen. Dies trägt durch Klärung der Variabilität von Bioaerosolen, die toxische oder infektiöse Krankheitsmodelle beeinflussen könnte, zur mechanistischen Risikominimierung in der frühen Forschung bei.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der mikrobiellen Vielfalt in Umweltproben, um Hypothesen zur Exposition gegenüber luftübertragenen Krankheitserregern zu generieren.
- Operationaler Wert: Bietet standardisierte Sammelverfahren für kultivierbare und nicht kultivierbare Mikroorganismen über verschiedene Sampler hinweg.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Probenvorbereitung für nachgeschaltete molekularbiologische Analysen wie die 16S-rDNA- und ITS-Sequenzierung.
- Operativer Wert: Unterstützt die Assay-Standardisierung durch definierte Durchflussraten, Sammelzeiten und Lagerbedingungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Bietet krankheitsrelevante Systeme zur Untersuchung von Inhalationsexpositionsmodellen und Schleimhaut-Immunantworten.
- Operativer Wert: Ermöglicht die longitudinale Überwachung der Bioaerosol-Dynamik in kontrollierten oder feldbasierten Umgebungen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode passt in Workflows der Entdeckungsbiologie, da sie charakterisierte biologische Eingabedaten für nachgeschaltete Screenings oder die Validierung von Modellen bereitstellt.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung hinsichtlich der Beiträge luftgetragener Mikroben zu zellulärem Stress oder entzündlichen Signalwegen.
- Screening: Liefert standardisierte Exzerpte von Partikeln, die für Zytotoxizitäts- oder Immunaktivierungsassays geeignet sind.
- Analytik: Erzeugt quantitative Daten zur mikrobiellen Häufigkeit mittels Sequenzierung und CFU-Zählung zur vergleichenden Bedingungsanalyse.
- Translationale Forschung: Verbindet Umweltprobenahmen mit präklinischen Modellen der respiratorischen oder systemischen Exposition.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft einen wiederverwendbaren Rahmen für Probenahme und Analyse, der auf verschiedene Standorte und Jahreszeiten anwendbar ist.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit, indem sowohl kultivierbare als auch molekulare Signaturen luftgetragener Mikroben erfasst werden.
- Operativer Wert: Stellt Reproduzierbarkeit sicher durch standardisierte Kalibrierung des Samplers, Durchflusskontrolle und verblindete Probennahme.
- Strategischer Wert: Verringert die biologische Unsicherheit in Umweltrisikomodellen und unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen bei der Zielvalidierung.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht die risikoadjustierte Priorisierung von Verbindungen oder Modellen basierend auf dem Expositionspotenzial gegenüber Bioaerosolen.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in Aerobiologie, molekularer Mikrobiologie und Umweltprobenahme.
- Hängt ab von der Verfügbarkeit von Partikelzählern, Aerosolprobenahmegeräten, Kühlung und Infrastruktur für PCR und Sequenzierung.
- Erfordert Abstimmung zwischen Teams hinsichtlich des Zeitpunkts der Probenahme, der Umweltdaten und der Kontaminationskontrollen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen zur Leistungsfähigkeit der Probenahmegeräte unter verschiedenen Temperaturen, Luftfeuchtigkeiten und Partikellastbedingungen.
- Eingeschränkt durch kulturbasierte Methoden, die weniger als 1 % der gesamten mikrobiellen Diversität erfassen, was eine molekulare Ergänzung notwendig macht.
