La contaminazione aerodispersa nelle sale operatorie rappresenta un fattore critico nella prevenzione delle infezioni del sito chirurgico (SSI), tuttavia le sue dinamiche risultano ancora solo parzialmente comprese a causa della natura multifattoriale dell’ambiente intraoperatorio. Questa tesi di dottorato ha avuto l’obiettivo di investigare la contaminazione aerodispersa in condizioni chirurgiche reali attraverso un approccio integrato e basato su una visione sistemica, combinando dati microbiologici, particellari, ambientali, procedurali e molecolari raccolti in due contesti ospedalieri: l’Azienda Ospedaliero-Universitaria Sant’Anna (Ferrara, Italia) e il Joondalup Health Campus (Perth, Australia). È stato condotto uno studio osservazionale prospettico su diverse specialità chirurgiche (Chirurgia Generale, Ortopedia e Urologia) e sistemi di ventilazione (ISO 5 e ISO 7). La contaminazione microbica aerodispersa è stata quantificata in unità formanti colonia per metro cubo (CFU/m³) mediante campionamento attivo dell’aria, mentre le particelle aerodisperse (≥0,5 µm e ≥5 µm) sono state monitorate in continuo tramite contatore ottico di particelle. Ulteriori variabili, tra cui la presenza di personale, la frequenza di apertura delle porte, l’utilizzo di dispositivi elettrochirurgici, le caratteristiche del sistema di ventilazione e i parametri microclimatici (temperatura e umidità relativa), sono state registrate per ciascuna procedura. L’identificazione microbica è stata effettuata mediante spettrometria di massa MALDI-TOF e, ove disponibile, mediante sequenziamento di nuova generazione (NGS), consentendo sia un approccio colturale sia una caratterizzazione molecolare. L’analisi è stata condotta su due livelli: (i) dati ad alta risoluzione a livello di osservazione, per catturare le dinamiche intraoperatorie, e (ii) dati aggregati a livello di procedura, per valutare la robustezza delle associazioni osservate. I risultati hanno evidenziato che i profili microbici aerodispersi erano prevalentemente costituiti da taxa associati alla cute, con differenze rilevanti tra i contesti ospedalieri, riflettendo condizioni ecologiche e organizzative distinte. Le concentrazioni di particelle variavano significativamente in funzione della classe di ventilazione e delle caratteristiche procedurali, con livelli più elevati osservati negli ambienti ISO 7. È stata osservata una correlazione debole ma statisticamente significativa tra concentrazione di particelle aerodisperse e contaminazione microbiologica a livello di osservazione, in particolare per le particelle ≥5 µm. L’analisi comparativa tra MALDI-TOF e NGS ha evidenziato una concordanza parziale nei profili microbici, supportando il ruolo complementare delle tecniche molecolari nel monitoraggio ambientale. Nel complesso, i risultati mettono in discussione l’ipotesi di una relazione diretta e stabile tra contaminazione particellare e microbiologica, evidenziando i limiti degli approcci basati su un singolo indicatore. La sala operatoria dovrebbe invece essere interpretata come un ecosistema microbico dinamico e ingegnerizzato, in cui la contaminazione è influenzata dall’interazione di molteplici fattori. Questi risultati supportano lo sviluppo di strategie di monitoraggio integrate e forniscono una base per futuri modelli predittivi della contaminazione aerodispersa negli ambienti chirurgici.
Airborne contamination in operating rooms represents a critical factor in the prevention of surgical site infections (SSIs), yet its dynamics remain only partially understood due to the multifactorial nature of intraoperative environments. This PhD thesis aimed to investigate airborne contamination under real surgical conditions through an integrated and systems-based approach, combining microbiological, particulate, environmental, procedural, and molecular data collected in two hospital settings: Sant’Anna University Hospital (Ferrara, Italy) and Joondalup Health Campus (Perth, Australia). A prospective observational study was conducted across different surgical specialties (General Surgery, Orthopaedics, and Urology) and ventilation systems (ISO 5 and ISO 7). Airborne microbial contamination was quantified as colony-forming units per cubic metre (CFU/m³) using active air sampling, while airborne particles (≥0.5 µm and ≥5 µm) were continuously monitored using an optical particle counter. Additional variables, including staff presence, door-opening frequency, use of electrosurgical devices, ventilation characteristics, and microclimatic parameters (temperature and relative humidity), were recorded for each procedure. Microbial identification was performed using MALDI-TOF mass spectrometry and, where available, next-generation sequencing (NGS), allowing for both culture-based and molecular profiling. The analysis was performed at two levels: (i) high-resolution observation-level data to capture intraoperative dynamics, and (ii) procedure-level aggregated data to assess the robustness of observed associations. Results demonstrated that airborne microbial profiles were predominantly composed of skin-associated taxa, with notable differences between hospital settings, reflecting distinct ecological and organisational conditions. Particle concentrations varied significantly according to ventilation class and procedural characteristics, with higher levels observed in ISO 7 environments. A weak but statistically significant correlation between airborne particles and microbiological contamination was observed at the observation level, particularly for particles ≥5 µm. Comparative analysis between MALDI-TOF and NGS revealed partial concordance in microbial profiles, supporting the complementary role of molecular techniques in environmental monitoring. Overall, the findings challenge the assumption of a direct and stable relationship between particulate and microbiological contamination, highlighting the limitations of single-indicator monitoring approaches. Instead, the operating room should be interpreted as a dynamic and engineered microbial ecosystem, where contamination is influenced by the interaction of multiple factors. These results support the development of integrated monitoring strategies and provide a foundation for future predictive models of airborne contamination in surgical environments.
Airborne Contamination in Operating Theatres: A Multifactorial Study on Microbiological, Particulate, and Environmental Parameters in National and International Hospitals through Advanced Microbiological Techniques and an Innovative Approach
LANZONI, Luca
2026
Abstract
La contaminazione aerodispersa nelle sale operatorie rappresenta un fattore critico nella prevenzione delle infezioni del sito chirurgico (SSI), tuttavia le sue dinamiche risultano ancora solo parzialmente comprese a causa della natura multifattoriale dell’ambiente intraoperatorio. Questa tesi di dottorato ha avuto l’obiettivo di investigare la contaminazione aerodispersa in condizioni chirurgiche reali attraverso un approccio integrato e basato su una visione sistemica, combinando dati microbiologici, particellari, ambientali, procedurali e molecolari raccolti in due contesti ospedalieri: l’Azienda Ospedaliero-Universitaria Sant’Anna (Ferrara, Italia) e il Joondalup Health Campus (Perth, Australia). È stato condotto uno studio osservazionale prospettico su diverse specialità chirurgiche (Chirurgia Generale, Ortopedia e Urologia) e sistemi di ventilazione (ISO 5 e ISO 7). La contaminazione microbica aerodispersa è stata quantificata in unità formanti colonia per metro cubo (CFU/m³) mediante campionamento attivo dell’aria, mentre le particelle aerodisperse (≥0,5 µm e ≥5 µm) sono state monitorate in continuo tramite contatore ottico di particelle. Ulteriori variabili, tra cui la presenza di personale, la frequenza di apertura delle porte, l’utilizzo di dispositivi elettrochirurgici, le caratteristiche del sistema di ventilazione e i parametri microclimatici (temperatura e umidità relativa), sono state registrate per ciascuna procedura. L’identificazione microbica è stata effettuata mediante spettrometria di massa MALDI-TOF e, ove disponibile, mediante sequenziamento di nuova generazione (NGS), consentendo sia un approccio colturale sia una caratterizzazione molecolare. L’analisi è stata condotta su due livelli: (i) dati ad alta risoluzione a livello di osservazione, per catturare le dinamiche intraoperatorie, e (ii) dati aggregati a livello di procedura, per valutare la robustezza delle associazioni osservate. I risultati hanno evidenziato che i profili microbici aerodispersi erano prevalentemente costituiti da taxa associati alla cute, con differenze rilevanti tra i contesti ospedalieri, riflettendo condizioni ecologiche e organizzative distinte. Le concentrazioni di particelle variavano significativamente in funzione della classe di ventilazione e delle caratteristiche procedurali, con livelli più elevati osservati negli ambienti ISO 7. È stata osservata una correlazione debole ma statisticamente significativa tra concentrazione di particelle aerodisperse e contaminazione microbiologica a livello di osservazione, in particolare per le particelle ≥5 µm. L’analisi comparativa tra MALDI-TOF e NGS ha evidenziato una concordanza parziale nei profili microbici, supportando il ruolo complementare delle tecniche molecolari nel monitoraggio ambientale. Nel complesso, i risultati mettono in discussione l’ipotesi di una relazione diretta e stabile tra contaminazione particellare e microbiologica, evidenziando i limiti degli approcci basati su un singolo indicatore. La sala operatoria dovrebbe invece essere interpretata come un ecosistema microbico dinamico e ingegnerizzato, in cui la contaminazione è influenzata dall’interazione di molteplici fattori. Questi risultati supportano lo sviluppo di strategie di monitoraggio integrate e forniscono una base per futuri modelli predittivi della contaminazione aerodispersa negli ambienti chirurgici.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
