Analiza składu i rozmieszczenia bioaerozoli w różnych warunkach środowiskowych
January 7th, 2019
Zrozumienie składu biologicznego pyłu zawieszonego w środowisku jest ważne dla badania jego znaczącego wpływu na zdrowie ludzi i rozprzestrzenianie się chorób. W tym przypadku zastosowaliśmy trzy rodzaje metod pobierania próbek bioaerozoli oraz analizę biologiczną drobnoustrojów unoszących się w powietrzu, aby lepiej zbadać społeczności drobnoustrojów unoszących się w powietrzu w różnych warunkach środowiskowych.
Zrozumienie składu biologicznego pyłu zawieszonego w środowisku jest ważne dla badania jego znaczącego wpływu na zdrowie ludzi i rozprzestrzenianie się chorób. W tej metodzie i analizie pobierania próbek bioaerozoli może mieć szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, takich jak monitorowanie środowiska i wykrywanie patogenów w powietrzu. Aby określić całkowitą liczbę cząstek stałych, najpierw wyposaż powietrzny laserowy licznik cząstek w czujnik do monitorowania temperatury i wilgotności względnej.
Następnie należy zebrać cząstki przez port pobierania próbek powietrza na górze laserowego licznika cząstek i użyć modułów testowych wewnątrz próbnika do jednoczesnego pomiaru wielkości każdej klasy cząstek co pięć minut. Aby pobrać próbki cząstek stałych za pomocą próbników aerozoli cyklonowych, należy ustawić próbnik aerozoli cyklonowych tak, aby pobierał próbkę o przepływie 323 litrów na minutę przez sześciogodzinny okres zbierania i użyć funkcji automatycznego czyszczenia, aby trzykrotnie umyć wnętrze próbnika sterylną wodą. Następnie umieść próbnik sam na półce lub podłodze i rozpocznij kolekcję.
Pod koniec okresu pobierania wszystkie próbki należy przechowywać w temperaturze 20 stopni Celsjusza, chroniąc je przed światłem, do czasu ich analizy. W celu wychwytywania cząstek stałych przez filtry należy wyposażyć próbnik powietrza o dużej objętości w filtry o wymiarach 20,32 x 25,4 centymetra kwadratowego i ustawić natężenie przepływu próbki na 1 000 litrów na minutę przez odpowiedni okres zbierania. Pod koniec okresu pobierania wszystkie próbki należy przechowywać w temperaturze 20 stopni Celsjusza, chroniąc je przed światłem, do czasu ich analizy.
W celu analizy składu biologicznego próbek pobranych przez filtr, umieść każdy filtr w stożkowej rurce o pojemności 50 mililitrów, tak aby próbka była skierowana do wewnątrz, a tył filtra skierowany w stronę ścianki rurki. Dodaj 10 kulek w środkową część każdej probówki w kierunku strony filtra zawierającego próbkę i wiruj probówkę przez 15 minut w temperaturze pokojowej. Przenieś ciecz z każdej probówki do nowych 50-mililitrowych probówek i amplifikuj region V1 do V3 rekombinowanego bakteryjnego DNA 16S i region ITS rekombinowanego operonu RNA grzyba za pomocą reakcji łańcuchowej polimerazy zgodnie ze standardowymi protokołami.
W celu pobierania próbek i hodowli bakterii i grzybów unoszących się w powietrzu, należy ustawić międzynarodowy standardowy sześciostopniowy próbnik Andersena na natężenie przepływu 28,3 litra na minutę przez 35-minutowy okres pobierania i umieścić płytkę do hodowli agaru z kazeiną sojową w każdym stopniu próbnika. Pobrać próbki z sześciu etapów za pomocą sześciostopniowego próbnika Andersena, zgodnie z wielkością aerodynamiczną cząstek unoszących się w powietrzu, osadzając cząstki bakteryjne na płytkach hodowlanych w miarę ich zbierania. Hodować płytki do zbierania bakterii unoszących się w powietrzu w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez 24 do 48 godzin przed zliczeniem jednostek bakterii tworzących kolonie na każdej płytce próbki dla każdego etapu.
Po 48 do 72 godzinach hodowli zbierz bakterie z każdej płytki do dwóch mililitrowych probówek wirówkowych i wyekstrahuj DNA za pomocą zestawu do ekstrakcji DNA z wielu źródeł zgodnie ze standardowymi protokołami. W tej reprezentatywnej próbce z gospodarstwa mlecznego stężenie cząstek aerozolu było najwyższe w grudniu, a najniższe w październiku, prawdopodobnie z powodu zmian temperatury i wilgotności. Stężenie wdychanych cząstek aerozolu, które mogły dotrzeć do głębokich dróg oddechowych, stanowiło ponad 99% całkowitego stężenia cząstek, powodując poważne potencjalne zagrożenia dla ludzi i zwierząt.
Analiza próbek bioaerozoli pobranych podczas mglistych dni na terenie kampusu Pekińskiego Instytutu Technologicznego 20 grudnia 2016 r. wskazuje, że próbnik aerozoli cyklonowych zebrał znacznie więcej rodzajów bakterii niż próbnik powietrza o dużej objętości z filtrami. Oba próbniki wykazały jednak równą skuteczność zbierania i prawie taką samą liczbę liczebności rodzajów do zbierania grzybów. Jak pokazano na tym rysunku, sześciostopniowy próbnik Andersena może być używany do zbierania różnych typów bakterii hodowlanych w powietrzu obecnych w różnych środowiskach, takich jak cztery różne typy chlewni oceniane w tym badaniu.
Późniejsza hodowla próbek unoszących się w powietrzu ujawniła, że zawartość różnych dominujących rodzajów bakterii różniła się w różnych obiektach. Istnieje wiele czynników, takich jak temperatura, wilgotność, stężenie bioaerozolu i warunki środowiskowe, które należy wziąć pod uwagę przy określaniu rodzaju metody pobierania próbek aerozolu. Metagenomika może być również wykorzystywana do pozyskiwania informacji genetycznej jako całości bez konieczności wyodrębniania poszczególnych organizmów.
Nasze protokoły i wyniki mogą pomóc innym badaczom na całym świecie w dalszym badaniu wpływu bioaerozoli grzybowych i bakteryjnych na zdrowie w różnych warunkach środowiskowych.
Przegląd
Niniejsze badanie dotyczy biologicznego składu cząstek zawieszonych w środowisku i jego wpływu na zdrowie ludzi oraz rozprzestrzenianie się chorób. Korzystając z różnych metod pobierania próbek bioaerozoli, badania skupiają się na drobnoustrojach powietrznych w różnych warunkach środowiskowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauki środowiskowe
- Mikrobiologia
- Zdrowie publiczne
Tło
- Cząstki zawieszone w środowisku mogą znacząco wpływać na zdrowie.
- Bioaerozole obejmują mikrobialne zanieczyszczenia powietrza, które mogą wpływać na rozprzestrzenianie się chorób.
- Zrozumienie ich składu jest kluczowe dla monitorowania środowiska.
- Metody pobierania próbek mogą się różnić w zależności od warunków środowiskowych.
Cel badania
- Analiza drobnoustrojów powietrznych.
- Ocena skuteczności różnych metod pobierania próbek bioaerozoli.
- Zbadanie wpływu bioaerozoli na zdrowie w różnych warunkach.
Stosowane metody
- Liczniki cząstek laserowych do liczenia całkowitej liczby cząstek powietrznych.
- Cykloniczne zbieracze aerozoli do pobierania cząstek zawieszonych.
- Wysokowolumenowe zbieracze powietrza z filtrami do analizy składu biologicznego.
- Zbieracz Andersena sześciostopniowy do hodowli bakterii i grzybów zawieszonych w powietrzu.
Główne wyniki
- Koncentracja cząstek aerozolu zmieniała się w zależności od miesiąca.
- Cykloniczne zbieracze pobrały więcej rodzajów bakterii niż zbieracze wysokowolumenowe.
- Obie metody wykazały podobną skuteczność w zbiorze grzybów.
- Czynniki środowiskowe wpływały na wyniki pobierania próbek aerozoli.
Wnioski
- Różne metody pobierania próbek dają różne wyniki dla społeczności mikrobiologicznych.
- Warunki środowiskowe znacząco wpływają na stężenie aerozoli.
- Wyniki mogą pomóc w zrozumieniu wpływu bioaerozoli na zdrowie.
Często zadawane pytania
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.
