Opracowanie prognostycznego modelu mikrobiologicznego do oceny bezpieczeństwa stosowania sprzętu ochrony układu oddechowego w środowisku szkodliwych bioaerozoli

Kierownik projektu: dr hab. inż. Katarzyna Majchrzycka

Streszczenie projektu:

W ostatnich latach obserwowany jest wzrost zainteresowania stosowaniem sprzętu ochrony układu oddechowego przed szkodliwym bioaerozolem. Wynika to z coraz powszechniej pojawiających się informacji, że kontakt z mikroorganizmami może powodować różne skutki zdrowotne, od podrażnienia skóry i alergii po infekcje (np. gruźlica, SARS, grypa A1H1). Źródła zagrożeń biologicznych mogą obejmować bakterie, wirusy, owady, rośliny, zwierzęta oraz ludzi. Istotnym problemem związanym z zapewnieniem bezpieczeństwa pracownikom narażonym na bioaerozol jest dobór sprzętu ochrony układu oddechowego oraz określenie zasad jego prawidłowego stosowania.

Celem projektu było zapewnienie wsparcia pracodawców w ocenie czasu bezpiecznego stosowania sprzętu ochrony układu oddechowego poprzez opracowanie prognostycznego modelu mikrobiologicznego do oceny stopnia przeżywalności mikroorganizmów w materiałach filtracyjnych z uwzględnieniem różnych warunków środowiskowych.

Dokonano identyfikacji zagrożeń dla pracowników narażonych na wdychanie szkodliwych bioaerozoli i wytypowano 9 środowisk pracy, z których pobrano pył do badań. Następnie zasymulowano środowisko do rozwoju mikroorganizmów oraz ustalono laboratoryjne warunki odwzorowujące stosowanie filtrującego sprzętu ochrony układu oddechowego z uwzględnieniem rodzaju materiału filtracyjnego i pyłu oraz czasu napylania.

Badania stopnia przeżywania mikroorganizmów w czystych i zapylonych materiałach filtracyjnych prowadzono z wykorzystaniem mikroorganizmów kolekcyjnych: A. niger, C. albicans, B. subtilis, S. aureus, E. coli na 5 rodzajach włóknin filtracyjnych w czasie 0 i 4, 8, 24, 48, 72, 96 godzin, zależnie od wariantu badań. Stopień przeżywalności badanych mikroorganizmów w obecności pyłu z kompostowni i cementowni zależał od ich rodzaju i ilości pyłu. Obserwowano zwiększenie przeżywalności bakterii E. coli i pleśni A. niger wraz z podwyższeniem stężenia pyłu. Obecność pyłu nie zwiększyła przeżywalności drożdży C. albicans, co więcej, pył z cementowni zmniejszył istotnie przeżywalność drożdży na badanych włókninach.

Przeprowadzono badania modelowe zmierzające do opracowania matematycznego modelu do prognozowania przeżywalności mikroorganizmów w materiałach filtracyjnych stosowanych w sprzęcie ochrony układu oddechowego. Badania modelowe prowadzono na dwóch materiałach filtracyjnych: elektretowej PP włókninie wytworzonej metodą pneumotermiczną (ang. melt-blown) oraz tej samej włókninie poddanej modyfikacji w celu nadania jej właściwości biobójczych i zwiększenia podatności na adsorpcję wody. Podczas badań uwzględniono parametry charakteryzujące stosowanie filtrującego sprzętu ochrony układu oddechowego, takie jak: zmienna wilgotność i temperatura powietrza, rodzaj i stężenie osiadłego na włókninie pyłu, obecność potu kwaśnego i zasadowego oraz obecność środka biobójczego we włóknach.

Włókniny napylano pyłami z cementowni i kompostowni o różnym składzie chemicznym (stosunek C: N), w dwóch stężeniach, odpowiadających 4- i 8-godzinnemu stosowaniu półmasek filtrujących na stanowisku pracy.

Do modelowania wzrostu drobnoustrojów na włókninach filtracyjnych zastosowano model Gompertza opisany wzorem: , w którym, N(t) – log liczby bakterii w czasie t; A – asymptotyczny log z liczby bakterii przy nieoznaczonym spadku czasu (w przybliżeniu = log początkowej ilości bakterii); C – asymptotyczna wielkość wzrostu, która następuje przy nieoznaczonym wzroście czasu (ilość log cykli wzrostu); M – czas, w którym szybkość wzrostu jest maksymalna; B – relatywna szybkość wzrostu w czasie M.

Przeprowadzone eksperymenty wykazały, iż równanie Gompertza jest dobrym narzędziem do prognozowania wzrostu drobnoustrojów na włókninie filtracyjnej stosowanej do konstrukcji półmasek, o czym świadczą wyliczone dla każdego rozpatrywanego przypadku współczynniki determinancji (R² > 0,9).

Dokonano walidacji modelu Gompertza w warunkach rzeczywistych: podczas prac rolnych oraz w cementowni i kompostowni, a także w warunkach laboratoryjnej symulacji na odpowiednio przygotowanym stanowisku. Przyrost liczby komórek na półmaskach filtrujących użytkowanych na stanowiskach pracy wynosił od 2,74 log do 6,79 log, co wskazuje na istotne zagrożenie w czasie ich stosowania w środowisku wysokiego zapylenia i zanieczyszczenia mikrobiologicznego. W wyniku badań potwierdzono, że model Gompertza jest dobrym narzędziem do prognozowania przeżywalności mikroorganizmów na półmaskach filtrujących do ochrony układu oddechowego pracowników.

W ramach projektu opracowano procedurę do symulacji zjawisk zachodzących w materiałach filtracyjnych podczas ich stosowania w środowisku szkodliwych bioaerozoli. Procedura jest przeznaczona do prowadzenia badań przez producentów sprzętu ochrony układu oddechowego i ma na celu uszczegółowienie zapisów w instrukcji użytkowania.

Wyniki projektu przedstawiono w 4 publikacjach w czasopismach o zasięgu międzynarodowym, 2 publikacjach w czasopismach o zasięgu krajowym i w 1 monografii naukowej o zasięgu krajowym, zaprezentowano w referatach na 2 konferencjach międzynarodowych, 8 konferencjach krajowych i 1 seminarium oraz przedstawiono w 2 materiałach informacyjnych online.

Projekt  III.N.11. Stanowisko do symulacji zjawisk zachodzących w materiałach filtracyjnych podczas ich stosowania w środowisku szkodliwych bioaerozoli

Jednostka: Pracownia Sprzętu Ochrony Układu Oddechowego

Okres realizacji: 01.01.2017 – 31.12.2019