會議室內(nèi)菌落數(shù)與空氣顆粒物關聯(lián)性的試驗研究

賈 磊，樊海彬，葛 坦，吳 磊，王 雷，田旭東

（1.合肥通用機械研究院有限公司 壓縮機技術國家重點實驗室 合肥壓縮機技術省級實驗室，合肥 230031；2.安徽省疾病預防控制中心，合肥 230601）

0 引言

2019年底以來，新型冠狀病毒（COVID-19）在全球肆虐，全球確診感染人數(shù)已超過160萬例。疫情防控工作關系著人們的生命健康安全，關系到經(jīng)濟社會大局穩(wěn)定。對新型冠狀病毒在公共場所傳播的預防和控制，是一項復雜的系統(tǒng)工程。相對于空氣流通良好的開放式空間，公共場所有限空間（如會議室、車間、移動空間等）空間較大且具有一定的密閉性，空氣流動性較差，人員聚集，更有利于細菌和病毒的存活，存在更高的病毒交叉感染風險。因此，開發(fā)以滅除細菌病毒為主要目的、適用于公共場所有限空間的專用空氣凈化裝備，對于新冠病毒肺炎疫情防控、保障安全復工復產(chǎn)和人員健康具有重大的意義。

現(xiàn)有研究表明［1］：空氣中對人體健康不利的污染物主要包括固態(tài)污染物（空氣顆粒物）、氣態(tài)污染物（SO2、NOx等化學氣體）和微生物（細菌、真菌、病毒等），而微生物大多需要附著在空氣顆粒物上才能較長時間存活。李素娟等［2］指出，對公共場所空氣微生物的監(jiān)測，尤其對小于5 μm帶菌顆粒的監(jiān)測顯得尤為重要。司鵬飛等［3］認為：病毒常寄生在比它們大數(shù)倍的塵粒表面，依附于粉塵顆粒而生存，較少以單體的形式存在，而是常和細菌、螺旋體、立克次體一起以菌團或孢子的形式存在，所以它們的大小應以載體的大小即等價直徑來衡量。檢測空氣中的細菌、病毒均需要一定的時間（一般需要數(shù)小時至數(shù)10 h），雖然無法以細菌、病毒的數(shù)量或濃度進行實時監(jiān)測，但可以實時監(jiān)測公共場所有限空間細菌、病毒的載體“空氣顆粒物”濃度的以等效實現(xiàn)空間內(nèi)交叉感染的風險預警。

為達到上述要求，首先需要解決公共場所有限空間內(nèi)細菌、病毒與空氣顆粒物的關聯(lián)特征問題?？紤]到使用病毒進行實際空間試驗的高風險性和公共場所有限空間的典型性，本文在調研分析空氣顆粒物粒徑分布特征的基礎上，確定空氣顆粒物粒徑監(jiān)測范圍，并選取會議室為研究對象，開展會議室內(nèi)菌落數(shù)與空氣顆粒物的關聯(lián)性試驗研究，通過試驗數(shù)據(jù)分析二者之間的相關性及具體量化關系，為研發(fā)用于公共場所有限空間的除菌毒空氣處理機組奠定基礎。

1 空氣顆粒物粒徑分布特征

Sellers等調查了自然存在的口蹄疫病毒粒子（簡稱FMD）粒徑為25～30 nm，用多級撞擊采樣器采樣結果表明，攜帶病毒氣溶膠粒子65%-71%的直徑大于6 μm，19%～24%是3～6 μm，僅有10%～11%是小于3 μm［4］。用FMD感染羊也得到類似的結果［5］。

黃子才等在測量了空氣中的L-谷氨酸有害噬菌體（大小與病毒類同），結果表明，空氣中L-谷氨酸發(fā)酵菌的噬菌體計數(shù)中值空氣動力學直徑80%分布在1.6～4.6 μm，近20%在1.4～1.5 μm之間，而在0.65～1.1 μm之間的噬菌體粒子僅占0.9%［6］。

Duguid測量了咳嗽噴出粒子和粒子核的粒徑分布［7］，發(fā)現(xiàn)95%的粒子粒徑小于100 μm，主要分布在4～8 μm范圍內(nèi)；97%的粒子核在0.5～12μm之間，主要分布在1～2 μm范圍內(nèi)。

Chao等用米氏干涉成像激光粒徑測量儀（IMI）測試了從人體呼出的氣溶膠粒徑分布［8］，結果表明：咳嗽時平均粒徑為13.5 μm，其中24 μm以下的粒子占79%（4 μm以下的占4%，4～8 μm的占50%，8～16 μm的占19%，16～24 μm的占6%）；說話時平均粒徑為16 μm，其中24 μm以下的粒子占70%（4 μm 以下的占3%，4～8 μm 的占44%，8～16 μm 的占15%，16～24 μm 的占8%）。

于璽華認為［9］：（1）空氣中與疾病有關的帶菌粒子直徑一般為4～20 μm；（2）來自人體的微生物大都附著在12～15 μm塵粒上，0.01～0.1μm 粒子基本不帶菌；（3）病毒本身粒徑大約在0.01～0.1 μm左右，但它在空氣中附著在顆粒物上，跟細菌粒子相差無幾。

Fabian等對感染流感的病人進行了研究，確定患者呼出空氣中流感病毒和顆粒物的濃度，發(fā)現(xiàn)超過87%的含有病毒RNA的粒子粒徑小于1 μm，并且其中探測到的82%的粒子粒徑在0.3～0.5 μm 范圍內(nèi)［10］。

通過對文獻資料中已有的研究分析，發(fā)現(xiàn)：（1）病毒自身粒徑很小，無法實時監(jiān)測，多附著在顆粒物上形成病毒粒子；（2）細菌和病毒（粒子）的粒徑基本是μm級或10 μm級；（3）綜合考慮細菌和病毒（粒子）的粒徑分布特征及現(xiàn)有的粒子濃度傳感器測試能力，可將空氣顆粒物粒徑監(jiān)測最小當量直徑確定為0.3 μm。

2 關聯(lián)性分析試驗方案

菌落數(shù)與空氣顆粒物的關聯(lián)性試驗在某會議室進行（如圖1所示），該會議室的面積為10.25 m×5.65 m，凈高2.9 m，在北側有2扇門，南側除建筑框架支柱外全部為玻璃，室內(nèi)布置有一張大會議桌及25個會議椅，頂部有2臺多聯(lián)式空調（熱泵）機組的室內(nèi)機用于空氣調節(jié)。

圖1 試驗會議室示意

試驗按照以下步驟進行：

（1）試驗開始前，會議室密閉靜置1 h，以盡量降低外界因素對結果的影響；

（2）試驗開始后，按照《消毒技術規(guī)范》（2002版）［11］規(guī)定的方法進行試驗，用六級篩孔空氣撞擊式采樣器進行空氣菌落數(shù)采樣；

（3）在步驟（2）進行的同時，通過另一套檢測設備對不同粒徑的空氣顆粒物濃度進行采樣分析，每次采樣1 min后間隔1 min進行下一次采樣，取5次采樣的平均值作為空氣顆粒物濃度測試數(shù)據(jù)；

（4）將步驟（2）獲得的采樣皿放入37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 48 h，觀察結果，對采樣菌落數(shù)進行計數(shù)；

（5）選取不同的天數(shù)，每天進行1次試驗（累計完成3次），每次試驗均按照（1）～（4）的步驟操作；

（6）最終得到3組菌落數(shù)和3組空氣顆粒物濃度數(shù)據(jù)，對上述數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，探索二者之間的關聯(lián)性。

試驗中使用的關鍵儀器設備包括六級篩孔空氣撞擊式采樣器和空氣顆粒物濃度采集器，2種儀器設備的基本信息見表1。

表1 關鍵儀器設備基本信息

其中，空氣顆粒物濃度采集器AeroTrak 9306可采集6檔空氣顆粒物濃度（以μg/m3計）：分別 為 0.3（0.3～0.5 μm）、0.5（0.5～1.0 μm）、1.0（1.0～3.0 μm）、3.0（3.0～5.0 μm）、5.0（5.0～10.0μm）和 10.0（10～25 μm）。

3 試驗結果與分析

3次試驗的空氣顆粒物濃度與菌落數(shù)檢測結果如圖2所示。從圖2可以看出，3次試驗雖然是在不同的時間進行，但由于會議室空間相對密閉，其內(nèi)部的空氣顆粒物濃度與菌落數(shù)相對穩(wěn)定，其中：0.5～1.0 μm和10～25 μm粒徑的空氣顆粒物濃度無變化，0.3～0.5 μm和3.0～5.0 μm 粒徑的空氣顆粒物濃度變化幅度在0.2 μg/m3左右，1.0～3.0 μm粒徑的空氣顆粒物濃度變化幅度約為0.4 μg/m3，5.0～10.0 μm粒徑的空氣顆粒物濃度變化幅度在1.6 μg/m3左右，菌落數(shù)的波動范圍不超過7%。

圖2 空氣顆粒物濃度與菌落數(shù)變化情況

此外，從試驗結果可以初步分析出會議室內(nèi)菌落數(shù)與空氣顆粒物濃度存在一定的相關性，這一結論與相關研究的結果類似：（1）方東等調查了南京市主要功能區(qū)大氣微生物中常見種類的細菌和霉菌類，研究了細菌和霉菌類的生態(tài)分級和變化規(guī)律，比較了大氣微生物與PM10的相關性［12］。結果表明，南京市大氣化學監(jiān)測指標PM10與大氣微生物的數(shù)量變化呈一定的正相關關系；（2）司恒波以西安市長安大學雁塔校區(qū)為研究對象，對空氣中的微生物氣溶膠和大氣細顆粒物進行了采樣研究［13］，發(fā)現(xiàn)細菌、真菌微生物氣溶膠與大氣細顆粒物濃度之間存在一定的正相關性；（3）林勝元等開展了江門市兒童急性呼吸道病毒感染與空氣PM2.5相關性分析［14］，結果顯示，病毒總檢出率與空氣PM2.5濃度正相關（相關系數(shù)r=0.741），RSV病毒檢出率與空氣PM2.5濃度正相關（r=0.706），PIV3病毒檢出率與空氣PM2.5濃度正相關（r=0.635）。

從已有的研究可以看出，細菌等微生物數(shù)量與空氣顆粒物濃度之間存在一定的正相關性，且多為線性關聯(lián)關系，差別在于空氣顆粒物選取對象和相關系數(shù)具體數(shù)值的不同。因此，需要對會議室內(nèi)的多次試驗結果進行深入分析，確定菌落數(shù)與空氣顆粒物的具體關聯(lián)特征。

式中C——菌落數(shù)，cfu/m3；

A——擬合參數(shù)，cfu/μg；

X——空氣顆粒物濃度，μg/m3；

B——擬合參數(shù)，cfu/m3。

以0.5～10.0 μm空氣顆粒物濃度作為自變量、會議室內(nèi)菌落數(shù)作為因變量，二者之間的關聯(lián)特征曲線如圖3所示。

圖3 菌落數(shù)與0.5～10.0 μm空氣顆粒物濃度關聯(lián)性

利用Origin 8.6版分析軟件對圖3中菌落數(shù)與0.5～10.0 μm空氣顆粒物濃度的試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，確定二者的量化關系如式（2）所示，相關系數(shù)r=0.889 7，表明菌落數(shù)與0.5～10.0 μm空氣顆粒物濃度存在較強的正相關性。

按照相同方法，將不同粒徑區(qū)間的空氣顆粒物濃度與菌落數(shù)匹配，可以得到不同的擬合關聯(lián)式及相應的相關系數(shù)，結果見表2。從表2可以看出，會議室內(nèi)菌落數(shù)與多組以10.0 μm為粒徑上限的空氣顆粒物濃度均存在正相關關系，相關系數(shù)最高可達0.999 7。

表2 不同擬合關聯(lián)式參數(shù)及相關系數(shù)

4 結論

（1）病毒比一般細菌小許多，需要附著在與細菌粒子幾乎相同大小的顆粒物上才能較長時間存活，附著后其等效粒徑與細菌粒徑相當（μm級或10 μm級）。

（2）待測會議室內(nèi)部空氣流動性較差，在無明顯外部干擾情況下（如抽煙、打掃衛(wèi)生等），顆粒物濃度相對穩(wěn)定；試驗工況下菌落數(shù)的波動范圍在7%以內(nèi)。

（3）一系列檢測結果表明，會議室內(nèi)的菌落數(shù)與多種空氣顆粒物濃度之間的相關系數(shù)范圍為0.700 5～0.999 7，在統(tǒng)計學意義上均存在線性正相關關系。