Bioaerosol, Campionamento ed Analisi

Il bioaerosol è una componente del materiale particolato (PM) presente in atmosfera, ed è costituito da particelle sospese in aria che hanno un’origine biologica. Il bioaerosol ha una composizione molto varia, comprende infatti:

– microorganismi (virus, batteri, funghi e loro spore, alghe, protozoi)

– pollini

– frammenti di animali, insetti, vegetali

– sostanze derivate (es. tossine ed allergeni) prodotte da qualsiasi specie vivente.

Lo studio del bioaerosol ha numerosi e diversi campi di applicazione (allergologia, aerobiologia industriale, beni culturali, bioclimatologia, chimica e fisica dell’atmosfera, ecologia, epidemiologia, inquinamento biologico, micologia, microbiologia, patologia vegetale, terrorismo biologico, qualità dell’aria indoor/outdoor).

 

Bioaerosol: batteri, funghi, pollini e virus

 

Il bioaerosol è ubiquitario e può essere isolato in aria ambiente (outdoor), in ambienti indoor (casa, scuola, ufficio, ospedali…) e in ambienti industriali di vario tipo (stabilimenti zootecnici, impianti trattamento rifiuti, depuratori, industrie agroalimentari, industrie farmaceutiche, laboratori di ricerca biologica..) usando diversi sistemi di campionamento ed analisi.

Il campionamento del bioaersol è basato sugli stessi principi che regolano il campionamento del particolato atmosferico non biologico, ma il substrato per il campionamento, la manipolazione, conservazione ed analisi del campione possono presentare alcune caratteristiche specifiche in relazione al tipo di bioaerosol (es. cellule non vitali/vitali; vitali coltivabili/non coltivabili) ed esigenze (es. assicurare sopravvivenza e attività biologica delle cellule vitali durante e dopo il campionamento).

Il bioaerosol riguarda un ampio range dimensionale di particelle aerodisperse, con un diametro aerodinamico (d_ae) che può comprendere pochi nanometri (es. virus, singole tossine/allergeni), pochi micrometri (es. batteri, pollini), 3 – >10-100 micrometri (es. funghi e spore). Per campionare il bioaerosol possono essere usati dei campionatori (es. impattori, cicloni) che permettono la separazione dimensionale delle particelle, al fine di campionare/analizzare il bioaerosol in funzione di uno specifico taglio dimensionale. Conoscere la distribuzione dimensionale del bioaerosol permette in particolare di valutarne sia il comportamento aerodinamico in atmosfera (tempo di residenza in aria, fenomeni di trasporto e deposizione) sia i potenziali effetti, come gli effetti sulla salute (deposizione nei diversi tratti del sistema respiratorio, differenziando tra frazione inalabile, toracica e respirabile).

I sistemi comunemente usati per il campionamento del bioaerosol comprendono:

• Campionamento su filtro
• Impattori
• Cicloni
• Impingers
• Wetted-surface bioaersol samplers

Il bioaerosol campionato viene analizzato ricorrendo a diverse tecniche:

• Tecniche di tipo colturale (C)
• Analisi al microscopio (M)
• Altre tecniche di analisi di laboratorio (L), che comprendono l’uso di metodi/test immunologici, biologici e chimici, o specifiche tecniche analitiche (HPLC-FD, GC-MS, HPLC-MS/MS…)

 

Campionamento su filtro

Il bioaerosol può essere campionato mediante campionatori gravimetrici e raccolta su apposito filtro. Il campionamento su filtro è spesso usato nei sistemi di campionamento per la valutazione dell’esposizione personale al bioaerosol in ambienti di vita e lavoro, perché tali campionatori possono essere piccoli e leggeri e (campionatori personali) e lavorano bene con le pompe di campionamento personale (1-10 l/min).

Il filtro può essere preceduto da un sistema selettivo per il taglio dimensionale delle particelle aerodisperse, come un impattore o ciclone, al fine di rimuovere le particelle più grossolane e caratterizzare il campionamento del bioaerosol in relazione ad un certo taglio dimensionale.

I filtri usati per la raccolta del bioaerosol possono essere di materiali diversi, e classificati in filtri a matrice fibrosa (es. fibra di vetro, fibra di quarzo), filtri a membrana (es. estere di cellulosa, polivincloruro PVC, politetrafluoroetilene PTFE) e a struttura porosa capillare (policarbonato PC). La scelta del tipo di filtro è importante e dipende dal tipo di bioaerosol di interesse e dalla tecnica analitica utilizzata per la caratterizzazione/analisi del bioaerosol campionato.

Tra i vantaggi del sistema di campionamento del bioaerosol su filtro:

• sistema semplice e costi ridotti

Tecniche analitiche che possono essere usate per la caratterizzazione del bioaerosol campionato su filtro:

• Tecniche di tipo colturale (C). ESTRAZIONE DA FILTRO E TRASFERIMENTO IN TERRENO DI COLTURA (MENO INDICATO)
• Analisi al microscopio (M)
• Altre tecniche di analisi di laboratorio (L)

Campionamento del bioaerosol su filtro: incubazione ed analisi al SEM
(Scanning Electron Microscope) di diverse spore fungine (ref. Scientific Reports 2017; 7, 11171)

Strumentazione | Campionamento PM

 

Impattori

Il principio di funzionamento di un impattore è basato sulla classificazione inerziale delle particelle, in funzione del loro diametro aerodinamico (d_ae), ed è caratterizzato da una specifica curva di efficienza.

Un impattore consiste di una serie di ugelli (circolari o a fessura) e una o più superfici di impatto, a seconda che vengano usati impattori ad uno stadio o a più stadi (impattori a cascata o multistadio). Il campione di aria passa attraverso gli ugelli verso una camera (camera di calma), con la superficie di impatto (piastra di raccolta), dove il flusso subisce una brusca deviazione e le particelle sono separate dal flusso d’aria per effetto della forza di gravità in funzione della loro inerzia. Le particelle più grandi del cut-off impattano e si raccolgono sulla piastra di raccolta, mentre le particelle più piccole del cut-off proseguono verso successivi stadi di impatto in cui sono ulteriormente classificati e raccolti, fino al filtro finale di back-up.

Gli impattori vengono spesso usati nel campionamento del bioaerosol e la superficie di impatto per la raccolta consiste tipicamente di un piattino ingrassato o nastro (es. film di poliestere Melinex®), un filtro o un terreno di coltura (es. terreni di coltura batterici per la crescita delle colonie) contenuto in una piastra di Petri. Dopo l’ultimo stadio di impatto, viene usato un filtro per raccogliere tutte le particelle/bioaerosol con d_ae  inferiore al cut-off finale.

Schema di un  impattore a 6 stadi per il campionamento del bioaersol
su terreno di coltura (marrone)  contenuto in piastre Petri (verde).
(ref. NIOSH Manual of Analytcal Methods – 5th Edition – Sampling and Characterization of bioaersol. 2017).

 

 

Tra i vantaggi del campionamento del bioaerosol con impattore:

• Se il bioaerosol è raccolto su terreno di coltura, può essere direttamente incubato ed esaminato per la crescita microbiologica

Tecniche analitiche che possono essere utilizzate per la caratterizzazione del bioaerosol campionato con impattore:

• Tecniche di tipo colturale (C) – SENZA TRATTAMENTO/ESTRAZIONE DEL CAMPIONE (CAMPIONAMENTO SU TERRENO DI COLTURA)
• Analisi al microscopio (M)
• Altre tecniche di analisi di laboratorio (L)

Strumentazione | Stagex

 

 

Cicloni

Come gli impattori, il principio di funzionamento di un ciclone è basato sulla classificazione inerziale delle particelle, in funzione del loro diametro aerodinamico (d_ae), ed è caratterizzato da una specifica curva di efficienza.

Un ciclone consiste in una camera (cilindro) dove il flusso del campione d’ aria entra tangenzialmente attraverso uno o più ugelli, e segue all’interno della camera un moto rotatorio con un certo raggio di curvatura della traiettoria. Sfruttando il principio della forza centrifuga, che agisce radialmente sulle particelle, le particelle sono separate dal flusso d’aria in funzione della loro inerzia. Le particelle più grandi del cut-off si raccolgono sulle pareti interne della camera, mentre le particelle più piccole del cut-off seguono il flusso d’aria verso successivi stadi di classificazione e raccolta (nel caso di cicloni a più stadi), fino al filtro finale di back-up.

Il ciclone (come l’impattore) viene spesso usato nel campionamento del bioaerosol come sistema selettivo per rimuovere le particelle più grossolane, associato al campionamento su filtro. Inoltre le particelle selezionate nella camera del ciclone possono essere raccolte in un apposito contenitore (es. fiala a secco, terreno di coltura o fase liquida) per il campionamento ed analisi del bioaerosol.

Schema di un  ciclone (tangential inlet reversed-flow cyclone) per il campionamento del particolato/bioaersol
(ref. NIOSH Manual of Analytcal Methods – 5th Edition – Sampling and Characterization of bioaersol. 2017).

 

Tra i vantaggi del campionamento del bioaerosol con ciclone:

• Minori artefatti per problemi di “effetto di rimbalzo” delle particelle dovuti ad un’elevata quantità di particolato raccolto (es. rispetto agli impattori): possono campionare per tempi più lunghi e campionare maggiori concentrazioni di particelle
• Il campionamento delle particelle avviene in modo più “delicato” (es. rispetto agli impattori): indicato per il campionamento del bioaerosol vitale

 

Tecniche analitiche che possono essere utilizzate per la caratterizzazione del bioaerosol campionato con impattore:

• Tecniche di tipo colturale (C) – SENZA TRATTAMENTO/ESTRAZIONE DEL CAMPIONE (CAMPIONAMENTO SU TERRENO DI COLTURA)
• Analisi al microscopio (M)
• Altre tecniche di analisi di laboratorio (L)

 

Strumentazione | Cicloni

Impingers

Come gli impattori e i cicloni, anche l’ impinger è essenzialmente un altro tipo di sistema di campionamento inerziale, ed è caratterizzato da una specifica curva di efficienza.

In un impinger (o liquid impinger) il flusso del campione d’aria passa attraverso uno o più ugelli ed è direzionato con una certa velocità verso una trappola (bottiglia o fiala) contenente un liquido (soluzione acquosa o un liquido che non evapora, es. olio minerale), attraverso il quale il flusso d’aria gorgoglia. Le particelle di bioaerosol che collidono con il fondo della trappola, o si disperdono nel fluido, vengono raccolte nella soluzione. L’alta velocità del flusso d’aria diretto verso il liquido può creare agitazione, e produrre schiume se il liquido contiene surfattanti: per limitare tali artefatti, e per migliorare la vitalità del bioaersol durante il campionamento, vengono di solito aggiunti al liquido di campionamento degli specifici additivi (es. proteine ed agenti antischiuma). Un impinger, come il campionamento su filtro, può essere preceduto da un sistema selettivo per il taglio dimensionale del bioaerosol, usando un impattore o ciclone.

Schema di un impinger  per il campionamento del particolato/bioaersol
(ref. NIOSH Manual of Analytcal Methods – 5th Edition – Sampling and Characterization of bioaersol. 2017).

 

Tra i vantaggi del campionamento del bioaerosol con impinger:

• Campionamento del bioaersol in fase liquida. Particolarmente adatto per l’analisi diretta mediante tecniche immunologiche/biologiche/chimiche

 

Tecniche analitiche che possono essere utilizzate per la caratterizzazione del bioaerosol campionato con impattore:

• Tecniche di tipo colturale (C) – TRASFERIMENTO DELLA SOLUZIONE IN TERRENO DI CULTURA
• Analisi al microscopio (M)
• Altre tecniche di analisi di laboratorio (L)- ANALISI DIRETTA IN FASE LIQUIDA

Wetted-surface bioaerosol samplers

Tali  campionatori, chiamati wetted-surface aerosol samplers, permettono di campionare il bioaerosol direttamente in soluzione, come gli impinger, e permettono di risolvere alcuni artefatti che si possono avere nel campionamento (es. impinger: formazione di bolle e agitazione della soluzione di campionamento, che limitano l’efficienza di campionamento e vitalità del bioaersol).

Il sistema consiste in un ciclone, o impattore, in cui il bioaerosol impatta sulla parete interne del ciclone, o sulla superficie di impatto, che è bagnata con un liquido (soluzione acquosa o un liquido che non evapora, es. olio minerale) dove le particelle vengono raccolte.

 

Tra i vantaggi del campionamento del bioaerosol con wetted-surface aerosol samplers:

• Campionamento del bioaerosol in fase liquida. Particolarmente adatto per l’analisi diretta del bioaerosol mediante tecniche immunologiche/biologiche/chimiche
• Ridotti artefatti di campionamento
• Il campionamento delle particelle avviene in modo più “delicato” (es. rispetto agli impinger): indicato per il campionamento del bioaerosol vitale

 

Tecniche analitiche che possono essere utilizzate per la caratterizzazione del bioaerosol campionato con impattore:

• Tecniche di tipo colturale (C) – TRASFERIMENTO DELLA SOLUZIONE IN TERRENO DI CULTURA
• Analisi al microscopio (M)
• Altre tecniche di analisi di laboratorio (L)- ANALISI DIRETTA IN FASE LIQUIDA

 

Per ulteriori informazioni sulla norma UNI EN 14683 e il sistema di campionamento, clicca qui! 

 

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