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Approcci di campionamento ambientale in caso di esposizione a CoVid-19

Valutazione del COVID-19 in aria

SARS-CoV-2 che causa COVID-19 è un nuovo virus avente molte domande senza risposta. Tuttavia, i professionisti scientifici possono guardare a precedenti indagini su coronavirus come SARS-CoV e principi generali di valutazione biologica contaminanti. Le indagini SARS-CoV si sono concentrate sull’identificazione e contaminazione ambientale nelle aree infette ed il potenziale per la trasmissione ad aree adiacenti.

A seguire, sono elencate alcune opzioni di campionamento dell'aria per virus e importanti dettagli sulla selezione del campionatore. Va considerato che il monitoraggio dei virus non è un’applicazione di routine nelle indagini sulla qualità dell'aria perché si trovano in genere a livelli molto bassi che sono difficili da rilevare. I virus sono difficili da coltivare perché richiedono una cellula ospite per crescere. E’ consigliabile, sempre di consultarsi preventivamente con un laboratorio specializzato in microbiologia ambientale qualificato con esperienza nei virus prima di eseguire qualsiasi campionamento o studio sulla qualità dell’aria.

La maggior parte delle tecnologie di campionamento dell’aria, dipendono dal diametro aerodinamico delle particelle aerodisperse, dalle proprietà di adesione delle particelle aerodisperse, dal moto browniano, dai gradienti termici e dall'inerzia delle particelle stesse. Le particelle aerosolizzate si attaccano a qualsiasi superficie con cui vengono a contatto. Forze adesive come le forze di van der Waals, cariche elettrostatiche e tensione superficiale spiegano in parte questa adesione. La maggior parte delle metodologie di campionamento, si basano su questo principio.

Le particelle sospese nell'aria con diametri aerodinamici dell'ordine di 100 nm o meno sono soggette a un particolare modo di muoversi, principalmente a causa dei miliardi di collisioni che incontrano con le molecole di gas. Questo è chiamato moto browniano e più piccola è la particella, maggiore è il movimento e maggiore è la probabilità che la particella si diffonda, entri in contatto con una superficie e aderisca ad essa. Quando ciò accade, le altre particelle sospese occupano lo spazio lasciato vuoto dalla particella che ha aderito alla superficie. Questo fenomeno è la base per un'efficace rimozione di particelle molto piccole mediante filtrazione, in particolare quando la distanza tra due superfici del filtro è sufficiente per il passaggio delle particelle.
Le particelle più grandi con diametri aerodinamici dell'ordine di un micron o più sono meno influenzate dal moto browniano ma hanno una maggiore inerzia. L'attrazione gravitazionale ha un impatto significativo su queste particelle e le fa depositare sulle superfici. Queste particelle vengono inoltre deviate più facilmente da una linea di flusso del gas, portando all'impatto sulle superfici stesse, specialmente ad alta velocità e quando l'angolo del flusso d'aria viene drasticamente modificato. Le particelle molto piccole hanno meno inerzia e molto probabilmente seguiranno la linea di flusso.

Vari dispositivi di campionamento possono essere utilizzati per recuperare virus dispersi nell'aria e alcuni sono illustrati nello schema qui sotto riportato. I più comuni sono impattori liquidi e solidi nonché supporti di filtrazione. Le linee e le frecce rosse rappresentano il flusso d'aria nel campionatore. Le frecce blu rappresentano il flusso d'aria fuori dal campionatore. Questi disegni sono rappresentazioni semplificate.

Alcune opzioni di dispositivi di campionamento disponibili da AMS Analitica

Tipi di impattori su strato solido
Gli impattatori su strato solido, come i campionatori multi stadio, i campionatori a fessura e i campionatori a ciclone, sono generalmente più efficienti nel catturare particelle di grandi dimensioni. I campionatori ad impatto inerziale, accelerano le particelle attraverso fori o fessure stretti. La linea di flusso si sposta verso una superficie solida e cambia bruscamente direzione. L'inerzia delle particelle le devia dal flusso d'aria e le impatta sulla superficie, che di solito contiene una capsula di Petri con un terreno di coltura, o delle membrane in gelatina. I campionatori multi stadio contengono una serie di supporti, ognuno dei quali intrappola particelle di una specifica gamma di dimensioni aerodinamiche e viene spesso utilizzato per determinare le dimensioni delle particelle cariche di virus. La configurazione multi stadio è progettata per accelerare le particelle in arrivo. Il primo stadio induce una moderata accelerazione in modo che solo le particelle più grandi si discostino dalla loro traiettoria. Il secondo stadio accelera un po 'di più le particelle più piccole, e così via. Un campionatore multiplo a sei stadi recupera particelle con diametro compreso tra 0,65 μm sullo stadio più basso e 7,5 μm e oltre sullo stadio superiore. I campionatori a singolo stadio possono anche essere usati per catturare particelle. Il limite di recupero inferiore di questi campionatori è una funzione del diametro dei fori attraverso i quali le particelle vengono accelerate.

Nota a margine. Campionamento ad impatto statico
Si tratta di una tecnica di campionamento ambientale tramite posizionamento di piastre contenenti terreni di coltura selettivi, in punti prestabiliti dell’ambiente prescelto (prevalentemente indoor). Particelle e micro organismi impattano per gravità sulla superficie del terreno selettivo. Sebbene tale applicazione consenta un largo numero di test con un minimo investimento pratico ed economico, il principale svantaggio è legato che la prova dipende troppo dalla dimensione e dalla struttura della particella o micro organismo e dai movimenti dell’aria nell’ambiente sottoposto a test. Questo test comunque, non è considerato accurato tanto sotto l’aspetto qualitativo quanto sotto quello quantitativo.

Le cassette pre caricate con una membrana filtrante in PTFE aventi porosità 0,3µm, sono stati largamente utilizzati durante il periodo del contagio Sars Cov-2. Principalmente utilizzate per la valutazione dell’esposizione personale in caso di contatto con situazioni dove il rischio presenza del virus è particolarmente elevato. Il test si effettua su un periodo di campionamento di tre ore ad un flusso di circa 5 litri al minuto, la membrana al termine della prova sarà messa a contatto con terreni di coltura specifici per l’identificazione del virus. Sempre per la frazione inalabile, anche il preselettore Button Sampler offre eccellenti garanzie. Grazie allo schermo di protezione, dedicato ad eventuali particelle proiettili non derivanti dal flusso di campionamento, garantisce una uniforme disposizione del campione sulla membrana. Per questa applicazione, è consigliato l’utilizzo di membrane in gelatina. Tale supporto garantisce un livello di disidratazione inferiore per i micro organismi, soggetti a stress quando la medesima prova si effettua con membrane tradizionali, per il continuo e prolungato passaggio dell’aria campione. Il materiale di costruzione,  in acciaio inossidabile, riduce gli effetti elettrostatici ed offre una bassa sensibilità alla direzione e alla velocità del vento. Il button sampler, tra i dispositivi per particolato inalabile, è sterilizzabile in autoclave. Il flusso di campionamento del preselettore Button Sampler è di 4 litri per minuto.  Tuttavia, i filtri non sono comunemente usati per campionare virus dispersi nell'aria in quanto, come detto poco sopra, con il continuo passaggio dell’aria, si possono causare danni strutturali ai micro organismi. Inoltre, l'essiccazione dei campioni che si verifica durante il campionamento può interferire con l'analisi della coltura dei campioni stessi dando origine a potenziali falsi negativi.

Sistemi di campionamento ad umido
Il sistema di campionamento di bio aerosol tramite gorgogliamento, funziona accelerando le particelle sospese nell'aria attraverso uno stretto orifizio posto a una distanza fissa dal fondo di un contenitore/gorgogliatore contenente del liquido. Così facendo, si crea una caduta di pressione nel gorgogliatore che forza l'aria ad entrare attraverso l'ingresso. L'aria entra in orizzontale attraverso un tubo di vetro, che curva in una posizione verticale, costringendo l'aria a cambiare direzione e scorrere verso il basso. Il diametro del tubo si restringe bruscamente e funge da orifizio di flusso critico, accelerando l'aria che lo attraversa ad alta velocità. Il flusso rimane costante fintanto che vi è almeno mezza atmosfera di aspirazione all’interno del dispositivo. La curva nel tubo ha lo scopo di intrappolare le particelle più grandi per imposizione inerziale e imita le vie aeree del naso umano. Le particelle più grandi che entrano nel gorgogliatore attraverso l'orifizio di flusso critico impattano sul liquido. La formazione di piccole bolle nel liquido delflusso d’aria, può anche aiutare a campionare particelle molto piccole per diffusione. Tuttavia, la reaerosolizzazione delle particelle dovuta alle proprietà di eliminazione delle bolle d'aria può essere un problema, specialmente per le particelle idrofobiche, causando una perdita di campione. L’aspetto positivo del gorgogliamento è che il liquido impedisce l'essiccamento e facilita l'estrazione dei micro organismi per successive analisi. Alla fine degli anni novanta, fu introdotto un nuovo dispositivo di gorgogliamento dal principio rivoluzionario, dove si eliminarono i problemi di stress dei micro organismi e la successiva reareosolizzazione. Questo nuovo gorgogliatore, funziona in modo molto simile all'AGI, con un tubo di ingresso curvo e un vuoto nel contenitore in vetro, per forzare la diffusione dell'aria attraverso il campionatore. La differenza principale è il numero e le posizioni degli ugelli. Invece di forzare l'aria a attraverso un singolo ugello diretto verso la base del contenitore, come con il modello AGI, il BioSampler ha tre ugelli in vetro sinterizzato posti in modo tangenziale. Il liquido di raccolta nel gorgogliatore si muove con un movimento a vortice tangenziale rispetto alle pareti interne durante il campionamento. La procedura di campionamento è meno violenta e meno distruttiva di quella con il campionatore AGI-30 e non ci sono perdite di campione per motivi di eccesso di formazione di bolle. Il campionatore Biosampler, può in oltre operare a secco, senza  liquido alcuno di assorbimento, con gel di paraffina cosparso  sulle pareti di campionamento o direttamente con un brodo di  coltura. Il campionatore  Biosampler è stato studiato per poter lavorare con un flusso di 12,5 litri per minuto.

Nelle applicazioni di campionamento per micro organismi o virus, non c’è un unico metodo, ogni tipo di micro organismo può necessitare di diversi tipologie di supporti. Un campionamento diretto su piastra arricchita con del terreno di coltura, ha si il vantaggio di una rilevazione del micro organismo selettiva ma ha una durata abbastanza limitata nel tempo, ideale per campionamenti spot. Il dispositivo BioSampler ha principalmente due vantaggi, quello legato alla possibilità di un campionamento più lungo nel tempo e quello di poter lavorare con soluzioni di gorgogliamento selettive o generiche, consentendo con queste ultime il passaggio simultaneo su diverse matrici di coltura in laboratorio. Rispetto al gorgogliatore con getto verticale, ha una maggiore stabilità della conservazione del campione durante le fasi di campionamento.
Per le applicazioni di campionamento personale, Il Button sampler consente, se utilizzato con membrane di gelatina, un periodo di esposizione maggiore ad un flusso di 4 litri al minuto. Altre tipologie di membrane filtranti, possono essere utilizzate, anche con cassette tradizionali in polistirene, l’unica limitazione è il tempo di campionamento. Un tempo eccessivamente prolungato, può portare alla progressiva disidratazione del micro organismo target, non favorendo una completa crescita, una volta trasferito nel brodo di coltura selettivo.
Infine, per quello che riguarda l’impattore a cascata multi stadio, prevalentemente si tratta di prove di breve durata dedicate a studi di ricerca e non di campionamento standard. Un’applicazione dedicata all’impattore a cascata è quella prevista dalla normativa EN-14683, per la valutazione dei materiali di produzione per le mascherine protettive e della loro relativa capacità di ritenzione di particolato, micro organismi e virus.

Se volete approfondire l’argomento sul campionamento di micro organismi dispersi nell’aria, scrivete ad info@amsanalitica.com