Airborne Microorganisms. A methodology to examine viability of bioaerosols

Abstract

Transmission through air is a major pathway for spreading of diseases, but much about the process and survival of airborne microorganisms is still unknown. Epidemiological studies investigating the spread of diseases can only yield information on a population level. In order to find out which parameters affect the survival of microorganisms, controlled laboratory studies are required. The aim of this thesis was to construct and validate a setup for generation of airborne Pseudomonas syringae and Norovirus. The setup consists of a sparging liquid aerosol generator (SLAG), an exposure chamber with a controlled environment and a liquid impinger (BioSampler) which samples into a liquid fluid. Bacterial samples were analyzed with flow cytometry and virus samples with polymerase chain reaction (PCR) to determine quantity and viability. P. syringae was aerosolized and exposed to a relative humidity of 25 % and 60 %, with a measured survivability of 58 % and 40 %, respectively. Norovirus was aerosolized and collected in a concentration sufficiently high to allow for quantification with PCR. Throughput of the system, i.e. final concentration versus initial concentration in the sample, was measured to be 0.2 % for both P. syringae and Norovirus. In conclusion, experimental confirmation that controlled laboratory studies on bioaerosol can be performed has been obtained. Optimization to increase the throughput of the setup has been suggested and include: parameter optimization of the generator and possible changes to instrumentation. Future research prospects with the presented method are studies on spreading of diseases and toxicological studies.

Abstract (Swedish)

Smittspridning via luften är ett av de mest förekommande sätten för sjukdomsutbredning, men mycket kring processen och överlevnaden av luftburna mikroorganismer är fortfarande okänt. Epidemiologiska studier för att undersöka sjukdomars utbredning räcker inte till och kontrollerade laboratoriestudier behövs för att kunna dra slutsatser kring vilka parametrar som påverkar överlevnaden av mikroorganismer. I den här avhandlingen konstrueras och valideras en uppställning för generering av Pseudomonas syringae och Norovirus med en SLAG generator, med efterföljande exponering för en kontrollerad miljö och insamling med hjälp av en BioSampler i en vätska. För att bestämma kvantitet och viabilitet, analyseras de insamlade proverna med de mikrobiologiska tekniker flödescytometri och PCR. Analysen påvisade förekomst av mikroorganismer i de insamlade proverna och bevisade en genomströmnings-effektivitet på 0.2 % för både bakterier och virus. Uppställningen klarade dessutom av att bevara viabiliteten hos upp till 58 % av den aerosoliserade bakteriepopulationen. Sammanfattningsvis klarade uppställningen med framgång av att generera bioaerosol och, på ett analys-förberedande sätt, samla in den från luften. Ytterligare arbete med, och optimering av, uppställningen för att öka genomströmningen föreslås, såväl som förslag på passande framtida forskning.

Popular Abstract (Swedish)

Spridning av sjukdomar påverkar oss alla, men förvånansvärt lite är känt om faktorer kring spridning via luften. Därför behövs metoder för att undersöka spridning av luftburna virus, och här presenteras ny metod som har utvecklats för att undersöka spridningen av Norovirus, orsaken till vinterkräksjuka.
Smittspridning via luften är kanske den smittväg som är allvarligast för oss människor, eftersom det är den som är svårast att förebygga. Detta gäller särskilt för luft inomhus, där naturliga mekanismer såsom solstrålning som minskar förekomsten av mikroorganismer i luften saknas. Ett resultat av detta är att koncentrationen av smittförande ämnen ofta blir högre inomhus än utomhus, och mer långlivade. Vi människor vistas större delen av våra liv inomhus, men i de flesta fall kan vi inte kontrollera luften vi andas. I alla offentliga utrymmen saknar du som privatperson möjlighet att påverka till exempel ventilationen som direkt styr hur bra luften du andas är. Dessutom är det svårt att undvika kontakt eller närvaro av andra människor.
Vinterkräksjuka är en sjukdom som drabbar många människor, antingen direkt eller indirekt. Sjukdomen orsakas av ett virus som kallas Norovirus och sprids bland annat genom luften. Det har visats att viruset kan spridas effektivt, även av personer som inte visat några symptom eller redan blivit friska. Exempel på hur otäckt effektiv spridningen av kräksjuka kan vara är när en serie utbrott rapporterades på finlandsfärjan mellan Stockholm och Helsingfors i början av juni 2016. Trots upprepade ansträngningar att sanera båten insjuknade personer på nytt och det hela kulminerade med att alla leksaker på båten brändes. Fler än 200 passagerare uppskattades ha blivit smittade av sjukdomen. Kunde detta ha undvikits?
Genom att undersöka hur luftens egenskaper påverkar spridningen av till exempel Norovirus kan sjukdomsutbrott förebyggas. I detta syfte har jag, i samarbete med forskare vid avdelningen för aerosolteknologi vid Lunds universitet, utvecklat och testat en metod för att kunna undersöka hur luften påverkar överlevnaden av Norovirus, virusens så kallade viabilitet. Metoden består av att, i en kontrollerad miljö, göra Norovirus luftburna och utsätta dessa för olika temperaturer och luftfuktighet. Luftfuktighet och temperatur ändras för att simulera olika miljöer, till exempel vinter- eller sommarväder. Virusen samlas sedan in för att deras genetiska material, RNA, ska kunna undersökas. Analysen berättar hur mycket virus som samlats in och hur många av dessa som fortfarande är viabla. Än så länge har det enbart visats att det går att upptäcka och räkna virus i det insamlade provet, men undersökningen av viabilitet återstår att göra. Informationen om viabilitet kommer öka förståelsen för hur luftens
13
temperatur och luftfuktighet påverkar virusets förmåga att infektera människor. Jämförelsen kan leda till att vi får svar på frågan varför vinterkräksjuka just förekommer på vintern, genom att fylla i luckan om det är så att vädret ökar spridningen.
Studien har visat att det går att, på ett kontrollerat sätt, skapa luftburna virus och sedan samla in dem i tillräcklig koncentration för analys. Det var just att få en tillräckligt hög insamlingseffektivitet som var den största utmaningen – vilket klarades av med framgång! Den finns flera sätt att förbättra metoden på, till exempel kan uppställningens komponenter anpassas efter vilken organism som ska användas. Det betyder att uppställningen inte behöver vara stationär utan kan varieras efter behov. Metoden som har utvecklats är inte begränsad till vinterkräksjuka, utan andra luftburna smittor såsom influensa eller förkylning kan också undersökas. När mer kunskap om spridningen finns kan inomhusmiljöer anpassas för att förebygga utbrott, till exempel kan ventilationen styra temperaturen och luftfuktigheten för att göra miljön sämre för virusens överlevnad. På så vis kan kanske utbrott som det på finlandsfärjan förebyggas och både mycket lidande och kostnader för samhället undvikas.

• author: Svensson, Tobias
• supervisor: Jakob Löndahl
• organization: Ergonomics and Aerosol Technology
• course: MAM720 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Airborne, Microorganisms, Bioaerosol, Norovirus, Pseudomonas syringae, Viability
• language: English
• id: 8884293
• date added to LUP: 2016-06-22 13:32:45
• date last changed: 2016-06-22 13:32:45