Sviluppo e applicazione di procedure per la caratterizzazione del bioaerosol ambientale e valutazione di tecnologie di abbattimento microbico

This thesis focuses on both laboratory-controlled settings and field studies (e.g., healthcare facilities, wastewater treatment plants) on bioaerosol to advance understanding, enhance data comparability, and inform public health and environmental strategies. Five studies collectively include key aspects of bioaerosol research, from air disinfection to the characterization of critical environments. First, a novel procedure was introduced for assessing the Viral Filtration Efficiency (VFE) of NanoAg-coated endonasal filters against SARS-CoV-2. The apparatus (aerosol chamber, BLAM generator, Biosampler) evaluates residual infectivity through cytopathic effects and viral proliferation by qRT-PCR in Vero E6 cells, proving suitable for advanced aerosol-contamination studies and infection prevention. A second study presents an innovative air-disinfection device combining UV-C LEDs, a reflective optical material (Porex), and a specialized aerodynamic design. Laboratory testing with Escherichia coli (BL21-DE3), optimized via sequential D-optimal designs, demonstrated high bioaerosol inactivation efficiency, suggesting a cost-effective solution for indoor air quality. A clinical investigation at Trieste’s Maggiore Hospital examined bioaerosol dynamics during dental procedures, revealing proximity-dependent gradients and higher deposition during operational hours. Staphylococcus species prevailed, emphasizing improved ventilation and clinic design importance. Another field study at Trieste’s wastewater treatment plant applied three sampling systems (gelatin filtration, swirling collection, condensation growth tubes) and found significant variability in bacterial communities, with condensation tubes capturing the greatest diversity. Methodological standardization emerged as critical for reliable comparisons. Finally, a complementary investigation using metagenomics and chemical analyses revealed the plant’s effective removal of several antimicrobial molecules and antibiotic resistance genes (ARGs), although persistent compounds (e.g., fluconazole, ciprofloxacin) and residual resistance genes remained. Advanced treatment methods are therefore needed to address persistent antimicrobials and ARGs.

Questa tesi comprende studi condotti sia in ambienti di laboratorio controllati che in campo (ad esempio in strutture sanitarie o impianti di trattamento delle acque reflue) relativi al bioaerosol, con l’ obiettivo di ampliare le conoscenze in quest' ambito, migliorare la confrontabilità dei dati e fornire indicazioni utili per la salute pubblica e la gestione ambientale. I cinque studi illustrati trattano complessivamente aspetti fondamentali della ricerca sul bioaerosol, spaziando dalla disinfezione dell’ aria alla caratterizzazione di ambienti critici. In primo luogo, è stata presentata una procedura innovativa per valutare l’ efficienza di filtrazione virale (VFE) di filtri endonasali rivestiti con NanoAg su SARS-CoV-2. L’ apparato (camera di aerosolizzazione, generatore di aerosol BLAM e Biosampler) consente la stima dell’ infettività residua mediante effetti citopatici e proliferazione virale valutati con qRT-PCR su cellule Vero E6, rivelandosi idoneo per studi avanzati sugli aerosol contaminati e per applicazioni di prevenzione delle infezioni. Un secondo studio introduce un dispositivo innovativo per la disinfezione dell’ aria che combina LED UV-C, un materiale ottico riflettente (Porex) e un design aerodinamico specializzato. I test di laboratorio con Escherichia coli (BL21-DE3), ottimizzati tramite disegni D-ottimali sequenziali, hanno evidenziato un’ elevata efficienza di inattivazione del bioaerosol, indicando una soluzione efficace ed economicamente vantaggiosa per garantire una buona qualità dell’ aria negli ambienti indoor. Un’ indagine condotta presso l’ Ospedale Maggiore di Trieste ha esaminato le dinamiche del bioaerosol durante le procedure odontoiatriche, evidenziando gradienti dipendenti dalla prossimità e maggiori tassi di deposizione durante l’ orario operativo. Dalle analisi di identificazione sono emerse principalmente specie appartenenti al genere Staphylococcus, mettendo in rilievo l’ importanza di migliorare la ventilazione e la progettazione delle strutture cliniche. In un ulteriore studio in campo, questa volta presso l’ impianto di trattamento delle acque reflue di Trieste (Italia), sono stati impiegati tre sistemi di campionamento (filtrazione, raccolta in modalità swirling e tubi di condensazione) per campionare il bioaerosol presso la vasca di aerazione dell' impianto. Lo studio ha dimostrato una variabilità significativa nelle comunità batteriche in base al campionatore utilizzato; in particolare il campionamento con tecnologia a tubi di condensazione si è rivelato quello più efficiente, registrando una maggiore diversità batterica. Da questi risultati emerge la necessità di una standardizzazione metodologica sul campionamento e l'anaisi del bioaerosol. Infine, uno studio complementare basato su tecniche metagenomiche e analisi chimiche, ha dimostrato l’ efficacia dell’ impianto di depurazione nel rimuovere diverse molecole antimicrobiche e geni di resistenza agli antibiotici (ARG), sebbene composti persistenti (ad esempio, fluconazolo e ciprofloxacina) e geni di resistenza residui rimangano ancora presenti nelle acque effluenti. Da questi risultati si evince come sia quindi necessario sviluppare metodi di trattamento avanzati per affrontare il problema dell'antibiotico-resistenza.