W niniejszym badaniu przeprowadzono ocenę ogólnego rozkładu PM oraz kompleksową analizę bioaerozoli w gospodarstwie mleczarskim od września do grudnia. Wiele czynników środowiskowych wpływa na rozkład cząsteczek aerozolu. Za pomocą laserowego licznika cząstek TSI zbadano stężenie i rozkłady wielkości PM w oborze. Jak pokazano na Ryc. 1A, stężenie cząstek aerozolu było najwyższe w grudniu i najniższe w październiku, co może wynikać ze zmian temperatury i wilgotności (Tabela 1). Stężenie wdychalnych cząstek aerozolu (0.3-3.0 µm) stanowiło ponad 99% całkowitego stężenia cząstek (Ryc. 1B), a cząstki w tym zakresie mogą docierać do głębokich dróg oddechowych, stwarzając poważne zagrożenie dla ludzi i zwierząt.
Analizę składu biologicznego próbek można przeprowadzić poprzez ekstrakcję DNA oraz sekwencjonowanie bakteryjnego regionu 16SrDNA i grzybowego regionu ITS zamiast hodowli mikroorganizmów. Na podstawie analizy biologicznej próbek bioaerozoli pobranych za pomocą cyklonowego próbnika aerozoli lub wysokowydajnego próbnika powietrza z filtrami, można wstępnie porównać efektywność tych dwóch metod w pobieraniu bakterii i grzybów. Rycina 2 przedstawia wyniki analizy próbek bioaerozoli pobranych podczas dni smogowych w Pekinie na terenie kampusu Instytutu Technologii w Pekinie w dniu 20 grudnia 2016 r. W przypadku pobierania bakterii wyniki wskazały, że cyklonowy próbnik aerozoli pobrał znacznie więcej rodzajów niż wysokowydajny próbnik powietrza z filtrami (Rycina 2A). W przypadku pobierania grzybów oba próbniki wykazały równą efektywność pobierania i niemal identyczną obfitość rodzajów (Rycina 2B). Na podstawie wyników przedstawionych na Rycynie 2 możliwe było zmierzenie różnych efektywności pobierania bakterii i grzybów dla tych dwóch metod. W odniesieniu do pobierania bakterii cyklonowy próbnik aerozoli sprawdził się znacznie lepiej niż wysokowydajny próbnik powietrza z filtrami, ponieważ próbki z tego pierwszego wykazały wyższą obfitość rodzajów (Rycina 2A). Jednak analiza sekwencjonowania grzybów w dwóch próbkach pobranych różnymi metodami wykazała niemal identyczną strukturę zbiorowisk (Rycina 2B).
Zbadaliśmy bakterie hodowlane obecne w powietrzu, wykorzystując sześciostopniowy próbnik Andersena. Jak pokazano na Rysunku 3, liczba kolonii bakterii hodowlanych malała dla cząstek z etapów I-VI. Największą liczbę kolonii bakterii hodowlanych odnotowano dla cząstek z etapu I (rozmiar cząstek > 8,2 µm). Procentowy udział kolonii z etapu I w czterech różnych typach chlewni, obejmujących porodówkę, chlewnię loch w ciąży, tucznik oraz odsadzarkę, wynosił odpowiednio 33%, 30%, 26% i 34%. Procentowy udział kolonii z etapu II w czterech różnych typach chlewni wynosił odpowiednio 20%, 22%, 19% i 20%. Procentowy udział kolonii z etapu III w czterech różnych typach chlewni wynosił odpowiednio 18%, 18%, 18% i 19%. Procentowy udział kolonii z etapu IV w czterech różnych typach chlewni wynosił odpowiednio 17%, 16%, 16% i 16%. Procentowy udział kolonii z etapu V w czterech różnych typach chlewni wynosił odpowiednio 10%, 10%, 14% i 6%. Najmniejszą liczbę kolonii bakterii hodowlanych odnotowano dla cząstek z etapu VI (rozmiar cząstek < 1,0 µm). Procentowy udział kolonii z etapu VI w czterech różnych typach chlewni wynosił odpowiednio 3%, 5%, 6% i 5%.
Próbki powietrza pobrano z czterech różnych typów chlewni przy użyciu sześciostopniowego próbnika Andersena, a następnie poddano je hodowli w odpowiednich warunkach. DNA całego genomu bakterii hodowlanych pobranych z każdego stopnia cząsteczek wyekstrahowano i zidentyfikowano poprzez sekwencjonowanie bakteryjnego regionu 16S rDNA oraz grzybowego regionu ITS. Wśród bakterii hodowlanych w chlewniach zidentyfikowano łącznie 91 rodzajów i 158 gatunków bakterii. Struktury zbiorowisk bakterii hodowlanych w czterech różnych typach chlewni, w tym w porodowni, chlewni loch ciężarnych, chlewni tucznika oraz odsadzalni, przedstawiono na Rysunku 4 wraz z danymi od stopnia I do stopnia VI. Zawartość różnych dominujących rodzajów bakterii różni się w zależności od typu chlewni.

Rycina 1: Stężenie i rozkład wielkości PM w czterech różnych miesiącach. (A) Wykres pudełkowy liczby PM w okresie badania. Każdy wykres pudełkowy zawiera wartości maksymalną, minimalną, medianę, dwa kwartyle oraz wartości odstające z bazy danych. (B) Średnie mapy rozkładu wielkości PM. W oborze od września do grudnia przebywało osiemdziesiąt krów. Procentowy udział PM (≥ 3 µm) w czterech miesiącach (wrześniu, październiku, listopadzie i grudniu) wynosił odpowiednio 0,005, 0,005, 0,002 i 0,002. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Analiza biologiczna próbek bioaerozoli pobranych za pomocą dwóch próbników. (A) i (B) przedstawiają liczebność rodzajów bakterii lub grzybów w próbkach bioaerozoli uzyskanych za pomocą różnych metod pobierania. Wetted-Wall Air Sampler oznacza cyklonowy próbnik aerozoli. Quartz Filters oznacza wysokowydajny próbnik powietrza z filtrami. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3: Średnie mapy rozkładu hierarchicznego bakterii zdolnych do hodowli w czterech typach chlewni. Cztery typy chlewni to: porodownia, chlewnia loch w ciąży, tucznia oraz odsadzarnia. Oznaczenia od S1 do S6 reprezentują sześć stopni frakcjonowania cząstek (I do VI) zebranych za pomocą sześciostopniowego próbnika Andersona. Stopnie zostały zdefiniowane na podstawie średnic aerodynamicznych cząstek w powietrzu, w tym stopień VI (0,65-1,1 µm), stopień V (1,1-2,1 µm), stopień IV (2,1-3,3 µm), stopień III (3,3-4,7 µm), stopień II (4,7-7,0 µm) oraz stopień I (7,0 µm). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Struktury społeczności bakteryjnych o różnej liczebności w próbkach powietrza. Próbki powietrza pobrano z czterech różnych typów chlewni przy użyciu sześciostopniowego próbnikana Andersena, a następnie inkubowano w odpowiednich warunkach. DNA całego genomu bakterii zdolnych do hodowli z każdego stopnia cząstek zebranego przez sześciostopniowy próbnik Andersena zostało wyekstrahowane i zidentyfikowane poprzez sekwencjonowanie bakteryjnego 16S rDNA. Liczby od 1 do 6 w każdym typie chlewni reprezentują stopnie cząstek I do VI mierzone przez sześciostopniowy próbnik Andersena. Tekst po prawej stronie zawiera nazwy rodzajów dla każdej bakterii. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.