Experimental snapshot of cultivable airborne bacteria at a Czech subway station

Abstract

Monitoring systems for rapid airborne biothreat detection experience performance degradation in environments with a complex, dynamic bioaerosol background. Knowledge about bioaerosol backgrounds may therefore help improve the performance of such systems. Subway stations are enclosed public environments regarded as potential bioterrorism targets. This study describes for the first time a snapshot of cultivable airborne bacteria (CAB) at a Czech subway station. The airborne bacterial concentration level and diversity was investigated and directly compared with previous observations made at a Norwegian subway station using a similar experimental approach. The CAB level ranged from 101 to 102 colony forming units (CFU) m-3, which was within the observed range in Norway. However, the average level was approximately three times lower than in Norway. The diurnal concentration profile showed increased levels during rush hours compared to non-rush hours and decaying evening levels, consistent with the Norwegian profile. The bacterial genera Micrococcus, Bacillus, and Staphylococcus, previously shown to be abundant in Norway, corresponded to ~80 percent of the CAB at the station. Interestingly, nearly all the observed genera had also been encountered in Norway. The bacterial diversity was investigated using the MALDI Biotyper (MALDI-TOF MS), and its applicability as a rapid, cost-effective classification method for bacterial isolates was confirmed. This study demonstrated that very similar CAB backgrounds can be encountered at different European stations (Czech Republic and Norway), and that anthropogenic activities (mainly passengers) appear to be a major CAB source. The outcome of this work has relevance for public and occupational health as well as microbial ecology. In addition, it may potentially be used to improve the performance of biothreat detection systems and contribute to the development of more realistic test methodologies for such systems.

Overvåkningssystemer for rask påvisning av biologiske trusselstoffer i luft får ofte redusert ytelse ved bruk i miljøer med en naturlig, kompleks og dynamisk bakgrunn av biologiske aerosoler (bioaerosoler). En kjent kilde til slik kompleksitet og dynamikk er naturlige svingninger i konsentrasjonsnivået til forskjellige typer luftbårne mikroorganismer, for eksempel bakterier, sopp, og virus, samt pollen, som oppstår som følge av meteorologiske forhold eller menneskelig aktivitet. Økt kunnskap om bioaerosolbakgrunnen i relevante operasjonsmiljøer kan derfor potensielt bidra til å utvikle påvisningssystemer med forbedret ytelse. T-banestasjoner er ofte innelukkede underjordiske steder og anses som potensielle mål for bioterrorisme. Denne studien beskriver for første gang et øyeblikksbilde av dyrkbare luftbårne bakterier på en T-banestasjon i Tsjekkia. Konsentrasjonsnivået og diversiteten av luftbårne bakterier ble undersøkt og direkte sammenlignet med lignende resultater fra en tidligere studie. Den sistnevnte studien hadde tilsvarende eksperimentell tilnærming og ble utført på en Tbanestasjon i Norge. Konsentrasjonsnivået av dyrkbare luftbårne bakterier på stasjonen i Tsjekkia var i størrelsesorden 101 til 102 CFU (colony forming units, kolonidannende enheter) per kubikkmeter luft, noe som var innenfor konsentrasjonsområdet observert i Norge. Den gjennomsnittlige konsentrasjonen var likevel omtrent tre ganger lavere enn det som ble observert i Norge. Døgnprofilen viste økte konsentrasjoner i rushtiden og en gradvis konsentrasjonsreduksjon mot kvelden, noe som var konsistent med døgnprofilen i Norge. De bakterielle slektene Micrococcus, Bacillus og Staphylococcus, som tidligere er vist å være rikelig tilstede i Norge, utgjorde ~80 prosent av alle dyrkbare luftbårne bakterier på den tsjekkiske stasjonen. En interessant observasjon var at nesten alle slektene som ble observert i Tsjekkia, også hadde blitt observert i Norge. Den bakterielle diversiteten ble undersøkt med MALDI Biotyper (MALDI-TOF MS, massespektrometri). Denne teknikken regnes som en rask og kostnadseffektiv klassifikasjons- og identifikasjonsmetode for bakterielle isolater. Studien bekrefter at denne teknikken er egnet til slike undersøkelser. Denne studien har demonstrert at svært like konsentrasjonsnivåer og diversitet av dyrkbare luftbårne bakterier kan påtreffes på T-banestasjoner ulike steder i Europa (Tsjekkia og Norge). Det ser også ut til at menneskelig aktivitet (hovedsakelig passasjerer) er en betydelig kilde til dyrkbare luftbårne bakterier. Utbytte fra dette arbeidet har relevans for folkehelse og arbeidsmiljøhelse samt mikrobiell økologi. Det kan også bli brukt til å forbedre ytelsen til overvåkningssystemer for rask påvisning av biologiske trusselstoffer i luft og bidra til utvikling av mer realistiske testmetoder for slike systemer.