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生物气溶胶是指悬浮于气态介质中生物来源的颗粒物,包括细菌、真菌、病毒和它们的副产物等。生物气溶胶无处不在,通过呼吸暴露会造成诸多负面健康效应,如肺功能障碍、哮喘、传染性和过敏性疾病等。生物气溶胶的采集是研究其暴露风险的关键一步。然而,生物气溶胶采样器种类繁多且具有不同的采集原理和采集参数,它们之间的生物采集效率存在着的偏差和规律尚不清楚。其中,作为国际金标方法的Andersen撞击式采样器,虽然已有50余年的应用历史,但其撞击损伤、干燥效应和生物嵌入等缺陷一直没有得到改进。此外,作为生物气溶胶的一个重要来源,呼出气的采集目前主要局限在疾病标识物上,如eNO、白细胞介素-6和硝基酪氨酸等,而对细菌、病毒的采检研究较少。本论文针对以上科学问题开展了如下研究: 1、不同环境生物气溶胶暴露风险的研究: 本研究选取了六种不同环境,包括学生宿舍、医院、实验室、旅馆、学生食堂和室外,用Anderson六级采样器分粒径段采集环境生物气溶胶,通过PCR-DGGE和显微镜形貌观察等方法分别研究了不同环境中细菌气溶胶和真菌气溶胶的粒径分布及多态性。研究表明,在所研究的六种研究环境中,可培养细菌气溶胶浓度高于可培养真菌气溶胶的浓度。在旅馆、实验室和学生宿舍环境中可培养细菌气溶胶的浓度明显偏高(553-900CFU/m3),而旅馆环境的可培养真菌浓度在所研究的环境中最高,并且含有的机会致病菌种类最多。可培养细菌与真菌生物气溶胶的粒径分布集中在(3.3-4.7μm、7.1-20μm)和2.1-4.7μm。研究发现,不同环境生物气溶胶的种类存在着明显差别,其中Alternaria、Aspergillus、Chaetomium和Cladosporium等真菌的检出几率较高。该研究揭示了不同环境生物气溶胶的暴露风险不同,即使总的生物气溶胶浓度水平相当,但由于物种结构的不同,暴露风险也存在显著差异。 2、不同采集原理和参数对生物气溶胶采样器采集效率影响的研究 本研究通过分子生物学和显微镜形貌观察等方法研究了在室内外环境中,基于不同采集原理,如撞击式、离心式、过滤式(包括碳纳米管过滤膜)、静电吸附式和重力沉降等的采样器、不同培养温度和培养方式对生物气溶胶的采集效率对生物气溶胶活性损伤的机理。研究表明,生物气溶胶采样器采集效率主要由干燥效应、撞击损伤和嵌入程度等因素决定。BioStage、MCE过滤膜、BioSampler和静电场采样器具有较好的采集效率。在本研究条件下,静电场采样器获得的真菌种类最多。该研究解析了不同采样器采集效率存在差异的根本原因,指出在生物气溶胶暴露分析时应该考虑采样器的采集原理、环境特征和培养方法等协同作用对采集效率的影响。 3、生物气溶胶金标方法(Andersen采样器)的改进研究 本研究使用涂有矿物油膜培养基的BioStage采样器(Anderson的第六级)在两种环境和三种采样时间(5、10和20分钟)下,采集环境和实验室空气化的生物气溶胶,并与金标方法作对比。研究结果发现在所研究的条件下涂有矿物油膜培养基的改进方法与国际金标方法相比,采集效率显著高于后者(p-value＜0.0001)。在采样时间为20分钟时,对于室内环境生物气溶胶,矿物油膜的方法与BioStage方法采集效率的比值高达1.5;而在采集室外环境生物气溶胶时,比值升至1.9。该研究通过使用矿物油膜的方法降低了Andersen采样器对生物气溶胶的撞击损伤和干燥效应,从而大幅度(40.3％)提高了金标方法BioStage的生物采集效率。 4、呼出气中生物气溶胶采检方法的建立与应用 本研究利用超低温液滴冷凝、超疏水液滴成型和物理碰并的撞击式采集方法,研发了一种简单、快速的呼出气中生物颗粒的采集装置和采集方法。该方法能够在1-2分钟内采集约100μl的呼出气冷凝液,通过培养和qPCR的方法在采集的EBC样品中均检测到大量的细菌,浓度高达7,000 CFU/m3(呼出气),扫描电镜结果显示大部分细菌在1微米以下。在所采集的呼出气中也检测到了流感A型H3N2病毒及少动鞘氨醇单胞菌和玫瑰色库克菌等机会致病菌。该项研究进一步证明了呼出气是生物气溶胶一个重要的源,所研发的呼出气采集方法简单、廉价,有望推动呼出气冷凝液在疾病检测中的应用。 本论文通过分子生物学方法,解析了不同采样器生物采集效率存在偏差的根本原因,研究结果为改进或设计新型采样器和采样方法提供了科学依据;通过使用矿物油膜的方法降低了金标方法对生物气溶胶的干燥效应和撞击损伤,从而大幅度(＞40.3％)提高了采集效率;针对呼出气生物气溶胶,本论文研发了基于超疏水膜的撞击式采集方法,结果发现呼出气中含有大量粒径小于1微米的细菌,该研究有望进一步推动呼出气冷凝液在疾病检测中的应用。