南京市校園室內(nèi)空氣微生物特征

孫 帆,錢 華,葉 瑾,諸葛陽,鄭曉紅,廖文豪,王 翀,武星彤

南京市校園室內(nèi)空氣微生物特征

孫 帆,錢 華*,葉 瑾,諸葛陽,鄭曉紅,廖文豪,王 翀,武星彤

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210096)

為調(diào)查南京市學(xué)校教室內(nèi)空氣微生物污染狀況,本研究各選一所幼兒園、小學(xué)、初中和大學(xué),每所學(xué)校分別隨機選取10間教室,采用六級安德森采樣器進行空氣微生物采樣.研究發(fā)現(xiàn),在南京地區(qū)所調(diào)研的這4所不同類型的學(xué)校中,幼兒園室內(nèi)空氣微生物濃度最高,細(xì)菌和真菌濃度均值分別為605CFU/m3和648CFU/m3,均顯著高于其余3所學(xué)校.室內(nèi)細(xì)菌和真菌粒徑分布趨同,峰值均出現(xiàn)在Ⅴ級(1.1~2.1μm).僅在大學(xué)教室內(nèi),發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)與空氣微生物濃度存在顯著相關(guān)性.幼兒園教室內(nèi)學(xué)生每天吸入的細(xì)菌和真菌劑量分別為150.2CFU/kg和160.9CFU/kg,均顯著高于其他學(xué)校學(xué)生.

學(xué)校；空氣微生物；粒徑分布；暴露劑量

空氣微生物包括存在于空氣中的細(xì)菌、真菌和病毒等.空氣微生物污染日益引起人們的關(guān)注,目前世界衛(wèi)生組織(WHO)已經(jīng)將生物氣溶膠納入到室內(nèi)空氣污染物的范疇[1].暴露于室內(nèi)微生物環(huán)境可能會使人們患過敏和各種呼吸道疾病[2-5].空氣微生物粒徑范圍較廣,細(xì)菌為0.25~20μm,真菌為1~ 30μm[6].微生物的粒徑?jīng)Q定了這些粒子在人體呼吸系統(tǒng)中沉降的位置[7-8],例如粒徑小于10μm的粒子能夠進入鼻咽部位,而1~2μm的粒子能夠直接進入肺泡組織[9].空氣微生物的種類不同,對人體產(chǎn)生的危害也不同.例如葡萄球菌對人具有免疫毒性作用,而曲霉菌和青霉等真菌則會加劇哮喘的癥狀[10].室內(nèi)空氣微生物受到室外環(huán)境、室內(nèi)人員及其活動和通風(fēng)方式等多個因素的影響[11-12].其中,人員及其活動是影響室內(nèi)微生物污染的重要因素.研究表明,室內(nèi)人員產(chǎn)生的呼出氣在1h內(nèi)會釋放3.1mg微生物顆粒到周圍環(huán)境中[13],而人員走動會導(dǎo)致沉降在地面上的微生物再次懸浮擴散.此外,溫度和相對濕度等環(huán)境因素對室內(nèi)空氣微生物的影響也不可忽略[14-15].學(xué)校是學(xué)生主要的生活環(huán)境之一,且學(xué)校人口密集,易爆發(fā)流感等疾病.對兒童而言,由于其免疫系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)尚不成熟,其健康更容易受到微生物污染的影響[16].目前已經(jīng)開展了許多關(guān)于校園室內(nèi)空氣微生物污染的研究[17-20],但是國內(nèi)少有研究對比不同階段的學(xué)校微生物污染狀況和量化學(xué)生吸入的空氣微生物劑量,使得人們很難評價相應(yīng)的暴露風(fēng)險.本研究在南京市隨機選取了幼兒園、小學(xué)、初中和大學(xué)4種不同類型的學(xué)校,研究每所學(xué)校教室內(nèi)空氣微生物濃度水平和粒徑分布特性,分析室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與空氣微生物濃度相關(guān)性,并計算學(xué)生吸入的空氣微生物劑量,為未來建立校園室內(nèi)空氣微生物污染評價體系提供數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣基本信息

采樣時間為2018年12月.南京位于長江下游,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季溫和少雨.本研究選取了4所不同類型的學(xué)校各一所:幼兒園、小學(xué)、初中和大學(xué).幼兒園滿足省級示范幼兒園的設(shè)計與建設(shè)要求,小學(xué)和初中是南京地區(qū)的示范學(xué)校,大學(xué)在影響力和學(xué)科建設(shè)整體水平上是南京地區(qū)眾多高校中的代表.在每所學(xué)校分別隨機選取10間教室進行室內(nèi)外采樣,所有采樣均在課間進行.除了采集空氣微生物外,同時測量室內(nèi)溫度、相對濕度和CO2濃度,并記錄采樣現(xiàn)場特征.采樣點現(xiàn)場基本特征如表1.

表1 采樣點現(xiàn)場特征

注:a平均值;b為了不打擾學(xué)生上課,所有采樣均在課間進行;c學(xué)生每日室內(nèi)停留時間包含上課和課間,大學(xué)上課作息不固定,且學(xué)生課后通常去圖書館自習(xí),室內(nèi)停留時間小于7h,但是具體時間本次研究暫未詳細(xì)記錄,后續(xù)研究會考慮;d氣象數(shù)據(jù)源自中國環(huán)境監(jiān)測總站.

1.2 采樣方法

采用六級安德森生物粒子取樣器(FA-1,遼陽市康潔儀器研究所,中國)采集教室內(nèi)細(xì)菌和真菌的空氣樣品.該采樣器分為6級,每級400個孔,Ⅰ級~Ⅵ級所對應(yīng)的粒子捕獲范圍分別為>7.1,4.7~7.1,3.3~4.7, 2.1~3.3,1.1~2.1,0.65~1.1μm.該采樣器流量為28.3L/ min,采樣時間為5min.采樣器高度為1.0~1.5m,大致對應(yīng)不同年齡段學(xué)生的呼吸高度.采樣時采樣器距離墻壁、門和窗戶等障礙物保持1m以上的距離.每個采樣點取樣完成后,用酒精對采樣器消毒再進行下一組實驗.利用普通營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(NA)采集空氣細(xì)菌,利用馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(PDA)采集空氣真菌.采樣前培養(yǎng)皿密封保存,采樣現(xiàn)場設(shè)置空白對照,表明培養(yǎng)皿在實驗開始前未被污染.采樣后,細(xì)菌培養(yǎng)皿在37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48h后計數(shù).真菌培養(yǎng)皿在28℃、相對濕度60%培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)5d,并在第3d開始計數(shù).采樣結(jié)果按照菌落形成單位表示(CFU/m3).安德森各個篩孔的微生物粒子超過一定數(shù)量之后會導(dǎo)致通過同一篩孔撞擊在同一點上的微生物粒子發(fā)生重疊,所以采集的各級菌落需經(jīng)過校正,校正公式如下[21]:

各級微生物粒子所占百分比計算如下:

式中:為各級粒子百分比;T為校正后6級菌落總數(shù);P為各級校正后的菌落數(shù).

各級空氣微生物濃度計算如下:

式中:C為各級空氣微生物濃度,CFU/m3;P為各級校正后的菌落數(shù),CFU;為采樣時長,min;為六級安德森采樣器流量,L/min.空氣微生物總濃度等于各級濃度之和.

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)錄入SPSS 23.0中進行分析. Kolmogorov-Smirnov test和Shapiro-Wilk test用于分析采樣數(shù)據(jù)的正態(tài)性.利用單因素方差分析(ANOVA)比較4所學(xué)校教室內(nèi)空氣微生物濃度是否存在顯著性差異.計算Spearman相關(guān)系數(shù)表征室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與空氣微生物濃度之間的相關(guān)性.

1.4 人員吸入空氣微生物劑量的計算方法

空氣微生物可以通過呼吸、飲食和皮膚吸收等多種途徑進入人體,但是通過呼吸系統(tǒng)進入人體的比重最大[22].因而本次研究主要量化教室內(nèi)學(xué)生吸入的空氣微生物劑量,其計算方式如下[23]:

表2 學(xué)生暴露參數(shù)

2 研究結(jié)果

2.1 空氣微生物濃度特征

圖1反映了不同校園教室內(nèi)空氣微生物濃度.幼兒園教室內(nèi)空氣細(xì)菌濃度最高,均值為605CFU/m3,而小學(xué)、初中和大學(xué)分別為104,71,111CFU/m3.幼兒園、小學(xué)、初中和大學(xué)教室內(nèi)空氣真菌濃度分別為648,231,104,227CFU/m3.幼兒園室內(nèi)空氣細(xì)菌和真菌濃度均顯著高于其他3所學(xué)校(<0.05).此外,每所學(xué)校教室內(nèi)空氣真菌濃度均高于細(xì)菌濃度.

圖1 不同校園室內(nèi)空氣微生物濃度

2.2 室內(nèi)外微生物濃度比值I/O

室內(nèi)外空氣微生物濃度比值I/O見圖2.在幼兒園、小學(xué)、初中和大學(xué),細(xì)菌的I/O值分別為1.47、1.83、1.25和0.60.除大學(xué)外,其余3所校園室內(nèi)外細(xì)菌濃度比值都大于1.四所學(xué)校真菌的I/O值分別為0.77、0.71、0.50和0.34,室內(nèi)外真菌濃度比值均小于1.

圖2 室內(nèi)外空氣微生物濃度比值

2.3 空氣微生物粒徑分布特征

圖3 不同學(xué)校室內(nèi)空氣細(xì)菌粒徑分布

圖4 不同學(xué)校室內(nèi)空氣真菌粒徑分布

如圖3、圖4所示.各所學(xué)校教室內(nèi)空氣細(xì)菌粒徑分布均呈單峰模式,峰值主要出現(xiàn)在Ⅴ級(1.1~ 2.1μm).此外,幼兒園教室內(nèi)空氣細(xì)菌主要分布在Ⅳ級、Ⅴ級和Ⅵ級.而在小學(xué)、初中和大學(xué),室內(nèi)各級細(xì)菌濃度較為接近,分布比較平均.進一步對比4所學(xué)校,發(fā)現(xiàn)在Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級和Ⅵ級,幼兒園室內(nèi)空氣細(xì)菌濃度顯著高于其余3所學(xué)校(<0.05),而在Ⅰ級和Ⅱ級,4所學(xué)校室內(nèi)空氣細(xì)菌濃度沒有顯著的差異(>0.05).

4所學(xué)校教室內(nèi)空氣真菌粒徑分布同樣呈單峰模式.幼兒園、小學(xué)、初中和大學(xué)4所學(xué)校教室內(nèi)空氣真菌峰值也均出現(xiàn)在Ⅴ級(1.1~2.1μm).進一步對比4所學(xué)校,發(fā)現(xiàn)在Ⅱ級和Ⅳ級,4所學(xué)校室內(nèi)空氣真菌濃度沒有明顯的差異(>0.05),但在Ⅰ級、Ⅲ級、Ⅴ級和Ⅵ級,幼兒園室內(nèi)空氣真菌濃度顯著高于其余3所學(xué)校(<0.05).

2.4 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與微生物濃度的相關(guān)性

各所學(xué)校教室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與空氣微生物濃度的相關(guān)性見表3.在大學(xué),教室內(nèi)溫度與細(xì)菌和真菌濃度均存在顯著負(fù)相關(guān)性,而相對濕度與空氣真菌濃度存在顯著正相關(guān)性(<0.05).但在幼兒園、小學(xué)和初中,教室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對空氣微生物濃度影響不顯著(>0.05).

注: -為未檢驗;*0.05.

2.5 學(xué)生吸入的空氣微生物劑量

表4 學(xué)生每日吸入的空氣微生物劑量(CFU/kg)

表4是幼兒園、小學(xué)和初中3所學(xué)校學(xué)生每日吸入的空氣微生物劑量的計算結(jié)果.幼兒園教室內(nèi)學(xué)生吸入的空氣細(xì)菌和真菌劑量最高,其次為小學(xué),初中最低.幼兒園教室內(nèi)學(xué)生吸入的細(xì)菌劑量分別是小學(xué)和初中的16.9倍、38.5倍,而幼兒園教室內(nèi)學(xué)生吸入的真菌劑量分別是小學(xué)和初中的8.2倍、28.2倍.結(jié)果表現(xiàn)為低年級學(xué)生每天吸入的空氣微生物劑量偏高.

3 討論

3.1 空氣微生物濃度特征

研究發(fā)現(xiàn),盡管小學(xué)、初中和大學(xué)教室內(nèi)人員密度均大于幼兒園,但3所學(xué)校教室內(nèi)空氣微生物濃度水平卻顯著低于幼兒園.說明在打掃頻率相同的情況下,紫外燈和84消毒液的使用對室內(nèi)空氣微生物具有較好的消除作用.這與前人的研究成果一致[25-26].人員活動及其室內(nèi)停留時間差異也會影響室內(nèi)微生物污染[27].4所學(xué)校采樣均在課間進行,采樣期間學(xué)生活動特征相似,人員會在室內(nèi)輕微走動.但各學(xué)校采樣前的人員活動特征存在差異.在小學(xué)、初中和大學(xué),采樣前學(xué)生處于靜坐上課狀態(tài).而在幼兒園,采樣前兒童在室內(nèi)開展各種低強度游戲.在4所學(xué)校中,大學(xué)作息時間最為特殊,其學(xué)生每天上課時間多變,課后通常離開教室,每日在教室內(nèi)的停留時間較短.此外,幼兒園每間教室內(nèi)裝有2~3個兒童用蹲便器.有研究指出,每次沖洗蹲便器可以產(chǎn)生大約145000個氣溶膠顆粒[28],這些微生物很容易擴散至空氣中.4所校園采樣均在2018年冬季進行,所以其氣候特征基本一致.但事實上,室內(nèi)外空氣微生物濃度往往具有季節(jié)性差異,一般夏季濃度高于冬季[29-31].本研究目前只在冬季開展,后續(xù)研究會考慮季節(jié)對比.此外,各學(xué)校采樣當(dāng)天的天氣狀況存在差異.幼兒園和初中采樣當(dāng)天的室外空氣質(zhì)量要比小學(xué)和大學(xué)差.已有研究指出天氣條件會影響室外大氣生物氣溶膠濃度,特別在空氣質(zhì)量較差的灰霾天氣,室外空氣中可培養(yǎng)微生物濃度會增加[32-34].但是當(dāng)室外空氣質(zhì)量較差時,人們通常會減少開窗時間,所以天氣狀況對室內(nèi)微生物的直接影響可能有限.

在本次研究中,各所學(xué)校教室內(nèi)空氣真菌濃度均高于細(xì)菌,可能是因為真菌源強度大于細(xì)菌源強度.4所學(xué)校教室每天都進行打掃,室內(nèi)環(huán)境整體而言是整潔的,細(xì)菌源強度可能較弱.但每所學(xué)校教室周邊均有大面積綠化,這對室內(nèi)環(huán)境來說是很強的真菌源.此外,幼兒園、小學(xué)和初中教室內(nèi)存在拖地水槽,這樣的局部潮濕環(huán)境也是有利于真菌生存的.

3.2 室內(nèi)外微生物濃度比值I/O

I/O值的大小可以提供有關(guān)空氣微生物來源方面的信息.4所學(xué)?？諝庹婢鷿舛鹊腎/O值均小于1,說明室外空氣真菌濃度水平更高,這可能是因為教室周邊的綠化環(huán)境.研究指出綠色植物的葉原基是空氣真菌生長的天然培養(yǎng)基,會導(dǎo)致室外真菌濃度增加[35].因而在這種情況下,室外空氣是真菌的主要來源之一.當(dāng)然也不能忽略建筑室內(nèi)特征的影響,例如教室內(nèi)拖地水槽同樣可能是真菌的貢獻源.另外一方面,除大學(xué)外,幼兒園、小學(xué)和初中細(xì)菌濃度的I/O值均大于1,說明細(xì)菌源可能主要來自室內(nèi),例如長時間待在室內(nèi)的學(xué)生以及他們在采樣前和采樣過程中的活動方式和活動水平.在大學(xué),教室內(nèi)空氣細(xì)菌濃度低于室外,可能是因為大學(xué)生在室內(nèi)停留時間較短,使得室內(nèi)缺少顯著的細(xì)菌源.

3.3 空氣微生物粒徑分布特征

研究指出粒徑小于4.7μm的微生物粒子可被人員吸入[36].在本次研究中,幼兒園、小學(xué)、初中和大學(xué)教室內(nèi)粒徑小于4.7μm的細(xì)菌所占百分比分別為92.5%、67.2%、64.0%和75.6%,而真菌占比分別為93.4%、84.5%、80.7%和93.0%.相比細(xì)菌,粒徑較小的真菌粒子含量要更多.這可能是因為空氣中細(xì)菌主要吸附在非生物粒子表面,而空氣真菌則常以單個孢子的形式存在[8].4所學(xué)校教室內(nèi)空氣微生物分布模式相似,但幼兒園在Ⅲ級、Ⅴ級和Ⅵ級粒徑范圍顯著高于其余3所學(xué)校.采樣期間,4所學(xué)校室內(nèi)人員活動特征相似,所以這樣的結(jié)果可能主要與采樣前的人員活動特征相關(guān).與小學(xué)、初中和大學(xué)室內(nèi)人員在采樣前的靜坐狀態(tài)相比,幼兒園內(nèi)兒童在采樣前開展的各種低強度的活動對室內(nèi)環(huán)境擾動更強.人員的擾動會使地面顆粒物懸浮,大粒徑的粒子在重力作用下很快沉降,但粒徑較小的顆粒則長時間懸浮在空中,需要很長時間才能沉降下來.

3.4 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與微生物濃度的相關(guān)性

本研究結(jié)果表明,僅在大學(xué),發(fā)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與空氣微生物濃度存在顯著地相關(guān)性.而在幼兒園、小學(xué)和初中,室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對空氣微生物濃度影響不大,這或許與室內(nèi)溫度、相對濕度和二氧化碳濃度本身波動較小有關(guān).事實上,溫度和相對濕度是影響微生物生長的重要條件,微生物的生長繁殖都需要適宜的溫度和濕度,超過一定極限甚至?xí)?dǎo)致微生物喪失活性[37].當(dāng)然不同物種需要的溫度和濕度區(qū)間會存在差異,例如軍團菌生長最適合溫度為35~ 46 ℃,相對濕度55%~99%,青霉所需適宜溫度則為22~28℃,相對濕度81%~99%[38].

3.5 學(xué)生吸入的空氣微生物劑量

本次研究發(fā)現(xiàn),3~6歲的幼兒每天在教室內(nèi)吸入的空氣微生物劑量顯著高于其他年齡段的學(xué)生.這樣的結(jié)果與之前的研究一致.Br?goszewska等[23]在波蘭研究了一所幼兒園、小學(xué)和中學(xué),發(fā)現(xiàn)學(xué)生每天吸入的空氣微生物劑量分別為489,337,24CFU/kg.在一所鄉(xiāng)村幼兒園,在春季和冬季低年齡段學(xué)生吸入的空氣微生物粒子劑量均高于年長學(xué)生[39].此外,Fonseca等[40]則指出位于市區(qū)幼兒園內(nèi)的學(xué)生每天吸入的超細(xì)粒子(0.02~1μm)劑量是教職工的4~6倍.兒童自身的免疫系統(tǒng)還不完善,吸入大量細(xì)小的生物性粒子會對其身體健康造成很大的傷害,影響后天的生長發(fā)育,應(yīng)該給他們提供健康的學(xué)習(xí)環(huán)境.

3.6 研究的局限性

本研究作為南京地區(qū)校園室內(nèi)空氣微生物的初步研究,當(dāng)前選擇的樣本量有限,后續(xù)會增加不同類型學(xué)校數(shù)量.還存在以下不足:首先,實驗僅在冬季進行,缺乏季節(jié)間的比較.其次,缺乏大學(xué)生每日教室內(nèi)停留時間方面的信息,未能給出大學(xué)生每日的微生物暴露劑量.最后,為了提高風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性,還應(yīng)該考慮教室內(nèi)是否存在致病菌.對于一些致病菌,例如肺炎鏈球菌和金黃色葡萄球菌,即使人員吸入的劑量較少,也有可能對人體健康帶來很大的傷害.

4 結(jié)論

4.1 不同類型的學(xué)校室內(nèi)空氣微生物濃度存在差異,采取定期消毒措施可有效降低微生物濃度水平.

4.2 各所學(xué)校教室內(nèi)空氣細(xì)菌和真菌的粒徑分布模式相似.相比小學(xué)、初中和大學(xué),幼兒園室內(nèi)粒徑較小的微生物粒子含量更多.

4.3 僅在大學(xué)觀察到教室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與空氣微生物濃度存在顯著相關(guān)性.

4.4 幼兒園教室內(nèi)學(xué)生每天吸入的空氣微生物劑量顯著高于小學(xué)和初中.

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Characteristics of airborne microorganisms in school classrooms in Nanjing.

SUN Fan, QIAN Hua*, YE Jin, ZHUGE Yang, ZHENG Xiao-hong, LIAO Wen-hao, WANG Chong, WU Xing-tong

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)., 2019,39(12)：4982~4988

In order to investigate indoor airborne microbial contamination in school classrooms, air samples were collected with six-stage Andersen samplers in classrooms at a kindergarten, a primary school, a middle school and a university in Nanjing, Jiangsu. Ten classrooms in each school were randomly selected. Among the four types of school surveyed, the kindergarten classrooms were found to have the maximum concentration of airborne bacteria and fungi. The mean concentrations of bacteria and fungi were 605CFU/m3and 648CFU/m3, respectively, which were much higher than that in the other three schools. The size distributions of indoor airborne bacteria and fungi were similar cross all four types of school, with the peak at the stage 5 (1.1~2.1μm). The correlation between indoor environmental parameters and airborne microorganisms was only found to be significant in university classrooms. The daily inhalation doses of airborne bacteria and fungi for kindergarten students were highest at 150.2CFU/kg and 160.9CFU/kg respectively. The study provided some evidence data to evaluate the risk of airborne microbial contamination in schools.

school；airborne microorganism；size distribution；exposure dose

X51

A

1000-6923(2019)12-4982-07

孫 帆(1995-),男,江蘇泰州人,東南大學(xué)碩士研究生,主要從事空氣生物性污染方面的研究.

2019-05-17

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0702800)

* 責(zé)任作者, 教授, qianh@seu.edu.cn