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气载致病微生物和空气消毒技术
2020-02-03 14:51       来源:《中国给水排水》       作者: 王灿,等       分享:

导语:近年来全球频繁暴发通过空气传播的传染疾病,造成疫情的大范围传播,给人类健康带来严重威胁。空气中的病毒和细菌属于气载微生物,可以在空气中存活并进行传播。这种传播方式相较于水、土壤等其他媒介的传播,具有传播速度快、影响范围广的特点,极易引起社会恐慌。因此,揭示气载致病微生物的来源及传播途径,研发高效的空气消毒技术势在必行。


640 (5).jpg

作者简介:王灿(1981-),男,湖北阳新人,博士,天津大学环境科学与工程学院教授、博士生导师,长期从事气体污染净化和生物气溶胶控制方面的研究,已发表学术专著3部,学术论文70余篇。


01气载致病微生物及其传播方式

1.1 气载致病微生物及其危害

每种传染病都由特异的病原体引起,包括病毒、细菌、真菌、寄生虫等。其中,呼吸道传染病具有传播速度快、流行范围广、传播途径多、传染性强、人群普遍易感等特点,是传染病中影响较大和防护难度较高的一类。呼吸道传染病通常是相关的病原体以灰尘、飞沫和生物气溶胶的形式进行传播扩散,这些通过空气进行感染传播的致病微生物统称为气载致病微生物(见表1)。其中,医院、养殖场所、污水处理厂(曝气池)等是气载致病微生物的主要产生区域。


表1 部分气载致病微生物的特性

致病微生物

健康影响

存活性

传染性

耐药性

来源

病毒

冠状病毒

HCoV-229E

野生动物

HCoV-OC43

野生动物

SARS-CoV

野生动物

HCoV-NL63

野生动物

HCoV-HKU1

野生动物

HCoV-EMC

野生动物

2019-nCoV

野生动物(疑似)

球状病毒

甲型H1N1流感病毒

禽流感病毒

禽类

腮腺炎病毒

麻疹病毒

细菌

结核分枝杆菌1

革兰阴性菌

肺炎克雷伯菌

鲍氏不动杆菌

自然界

铜绿假单胞菌

自然界

大肠埃希菌

人和动物

鼠疫耶尔森菌

啮齿类动物

革兰阳性菌

金黄色葡萄球菌

自然界

表皮葡萄球菌

A族链球菌

真菌

白色假丝酵母菌

曲霉菌

土壤中的腐生菌

注:1指该菌细胞壁结构特殊,无法用革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌界定。


近年来,一些新型病毒被发现也能够通过空气传播。对于这类气载致病微生物,由于人群普遍缺乏免疫力,加上人们对新发传染病的认识不足,缺乏基本资料,在未发现其特异性之前,其流行趋势难以预测,且很难控制,造成了较大范围的暴发和流行,如表2所示。


表2近年来通过空气传播的重大传染病事件

流行病

致病菌

宿主

疫源地

持续时间

影响

严重急性呼吸道综合征

SARS病毒

中华菊头蝠

中国广东

2002年11月—2003年7月

确诊8069人,死亡774人(截至2003年7月11日)

甲型H1N1流感

甲型H1N1流感病毒

墨西哥/美国

2009年3月—2010年8月

确诊57674274人,死亡13447万人(截至2009年12月21日)

中东呼吸综合征

MERS病毒

骆驼

沙特

2012年9月—2018年9月

确诊2260人,死亡803人(截至2018年9月)

H7N9型禽流感

禽流感病毒

禽类

中国

2013年3月—2017年9月

确诊1562人,死亡609人(截至2017年9月10日)

肺鼠疫疫情

鼠疫耶尔森菌

啮齿类动物和野生食肉动物

中国内蒙古

2019年11月—2019年12月

确诊4人

新型冠状病毒肺炎

新型冠状病毒

蝙蝠(疑似)

中国武汉

2019年12月-

确诊14380人,死亡304人(截至2020年2月1日24时)


气载致病微生物对人体的影响与呼吸道的结构有密切的关系。气载致病微生物进入人体后,可能在鼻、咽、喉、气管、支气管和肺泡等部位被阻留,进而引起感染。由于肺泡温度适宜,营养丰富,是致病微生物生存和繁殖的良好场所。所以下呼吸道更容易被致病微生物感染。一般来说,空气动力学当量直径在2.5 µm以下的气溶胶颗粒就可以进入肺泡。

 

表3总结了气载致病微生物与呼吸系统疾病的关系。


表3 气载致病微生物与呼吸系统疾病的关系

因子

疾病*


MMI

支气管炎

哮喘

EAA

ODTS

感染

真菌中毒

严重程度

2

2~4

2~5

3~5

2~4

2~5

1~4

频率

4

4

3

2

1~3

1~3

1

病因率

病毒

4

3

3

-

-

2~3

-

细菌

?

3

3

2

3

2~3

-

革阴性菌

?

1~3

3

2

3

2~3

-

革阳性菌

?

1~3

3

2

?

1~3

-

放线菌

1

-

1~2

1~3

1~2

-

-

真菌

3

?

2

3

3

1~4

4

注:*疾病类:MMI,粘膜刺激;EAA,外原过敏性肺泡炎;ODTS,有机尘中毒综合征;

严重程度分类:1.平常;2.有影响;3.需休息;4.丧失劳动力;5.严重或死亡;

频率:1.少见;2.可见;3.常见;4.普遍;

病因率:1.稀少;2.较低;3.常见;4.高;?无定论; -无相关性。


1.2 气载致病微生物的传播方式

气载致病微生物在空气中传播必须具备三个环节,即传染源(能排出致病微生物的人或动物)、传播途径(致病微生物传染他人的途径)及易感人群(对传染病无免疫力者)。致病微生物在空气中主要以尘埃、飞沫与生物气溶胶三种方式进行传播,具体传播方式见表4。


表4 致病微生物在空气环境中的传播方式

传播方式

产生方式

粒径大小

传播

范围

微生物存活性

典型病原体

尘埃传播

含有致病微生物的飞沫或分泌物落在地面,附着在尘埃表面,再由气流扰动分布于空气中

小于5000 µm

尘埃微粒较大,扩散性弱,一般在近地面

存活率较低,需对环境有较强的抵抗力

对外界抵抗力较强的病原体如结核杆菌、炭疽杆菌芽孢、天花等

飞沫传播

含有致病微生物的飞沫在病人呼吸、打喷嚏、咳嗽时经口鼻排入环境,大的飞沫迅速落到地面,小的飞沫在空气中短暂停留

1001 000 µm

一般小于2 m

病原体在5~20分钟内快速死亡或丧失活性,主要与飞沫急剧蒸发有关

对环境抵抗力较弱的流感病毒、脑膜炎双球菌、百日咳杆菌等

生物气溶胶传播

飞沫在空气中失去水分后由剩下的蛋白质和致病微生物以及非生物性粒子组成

小于100 µm

可借助空气传播几十至几千米

耐干燥致病微生物大量存活,在空气中长时间悬浮

耐干燥的病原体如白喉杆菌、结核杆菌、SARS病毒等


其中,飞沫和生物气溶胶是气载致病微生物最主要的传播方式。人体产生的飞沫是气载致病微生物的重要来源。感染病人在呼吸、说话、咳嗽和打喷嚏时,飞沫从人的口、鼻中释放出来。图1显示了打喷嚏时飞沫的传播过程。一般来说,飞沫的传播距离有限(一般不超过2米),而且在飞沫传播过程中,飞沫中的水分会迅速蒸发,造成部分致病微生物的失活或死亡。当飞沫的空气动力学当量粒径小于100 µm时,气载致病微生物将以生物气溶胶的形式存在。生物气溶胶能够长期停留在空气中,并随着空气的流动而进行长距离的传播。另外,感染病人使用过的物品(例如口罩)和排泄物(例如污水处理设施)与空气接触,其中含有的大量致病微生物,也会以生物气溶胶的形式进入空气,进而感染人群。因此,对于气载致病微生物的防护,不仅要控制飞沫的传播,也要控制以生物气溶胶形式的传播。


640 (6).jpg

图1 打喷嚏时飞沫的产生与传播


02空气中微生物的相关标准

2.1 国内空气微生物的相关标准

表5汇总了我国在空气微生物方面的相关标准。我国的相关标准最早在1996年颁布,2002年后再无更新。期间发布的几个标准中相关标准值并未统一,且只包含了细菌,未包括真菌、病毒以及微生物的具体种类。不过在2012年规定了空调系统送风的细菌浓度和真菌浓度,并且要求b-溶血性链球菌等致病微生物不得检出。中国台湾地区对室内真菌浓度给出了要求,且考虑了室内外真菌浓度比的情况。标准值的确定方法总的来说是以调研法为基础,辅以对外国标准的参考,还需要结合生物分子学技术和公共卫生调研数据等来研究微生物健康效应,为以后制定微生物污染限值的科学性奠定基础。此外医院手术部有关室内微生物限值有专门的标准,ICU等用房也参照了该标准进行技术评价。


表5 我国空气微生物的标准值

640 (7).jpg

2.2 国外空气微生物的相关标准

国外关于空气微生物浓度的标准值,以报告、指南或论文的形式给出建议值(见表6)。大部分国家规定了细菌、真菌菌落数的浓度,只有韩国规定了总菌落数,美国食品和药物管理局(FDA)不提供具体限制数值,而美国职业安全与健康管理局(OSHA)则提供了室内真菌的污染指标。


表6 国外空气微生物的标准值

国家/地区

菌落数(CFU/m³)

细菌

真菌

总菌落数

巴西


750


加拿大


50

150a

500


芬兰

4 500



德国

10 000

10 000


韩国



800

葡萄牙


500


荷兰

500

1 000

10 000

500

10 000


挪威


NSb


俄罗斯


2 000~10 000c


瑞士

10 000d

1 000e

1 000


美国

f

f

1 000

f

WHO

同加拿大

欧盟

10 000g

2 500h

10 000g

2 000h


注:a混合种类;b没有指明,但应无明显损坏或者产生异味;c根据特定真菌种类;d空气嗜温菌;e革兰氏阴性菌;f无科学的阀值参考;g住宅;h非工业室内地方。


03空气消毒技术研究进展

近年来,国内外大量研究人员利用紫外线、等离子体、静电、光触媒、过氧乙酸和过氧化氢等研制出多种空气消毒技术,不同技术的应用参数和灭活效果如表7所示。这类技术通常具有广谱和高效的特点,因此已经被开发出了多种空气净化或空气消毒商品化设备(见表8)。此外,有研究人员从动植物体中分别提取溶菌酶和酚类等分泌物,与其他技术相结合制作成空气净化药剂。但目前这类空气消毒技术还在研究初期,应用不多。中药熏蒸法是目前应用较多的另一类空气消毒技术,常用的中药材包括苍术、艾条、桂枝、细辛和厚朴等(如表9所示)。这类技术使用简单,适合小空间消毒,但消毒时间较长,而且可能会有二次污染的问题。表10总结了各种空气消毒技术的优缺点。


表7 物化类空气消毒技术的应用参数和灭活效果

640 (8).jpg


表8 市场上相关空气净化与消毒设备

640 (9).jpg


表9 利用中药进行的空气消毒技术

640 (10).jpg


表10 各种空气消毒技术的优缺点

640 (11).jpg

图2比较了不同空气消毒技术的灭活率。其中,使用植物消毒剂灭活效率最低,微波空气消毒技术的灭活效率最高且最稳定。


640 (12).jpg

图2 不同类型空气消毒技术的灭活率


图3是比较了不同空气消毒技术的灭活效率与能量消耗的情况。其中,单位电能消耗量(EE/O),定义为降低1 m3生物气溶胶中1个数量级的微生物所消耗的电量(kJ/m3),可由下式计算:


1.jpg


图3 不同类型空气消毒技术能耗与灭活率


图3结果表明,光触媒与等离子体联用技术不仅提升了光触媒空气消毒技术的灭活率,而且大大减少了该技术的能耗。紫外线与等离子体技术联用可提高紫外线消毒技术的灭活率,但其能耗有所增加。不同类型技术联用可以弥补某种技术的缺陷,达到技术优化。


04结论

致病微生物在空气中主要以尘埃、飞沫与生物气溶胶三种方式进行传播,其中飞沫和生物气溶胶是气载致病微生物最主要的传播方式。生物气溶胶能够在空气中长期停留,可以随着空气的流动进行长距离的传播。因此,对于气载致病微生物的防护,不仅仅要控制飞沫的传播,更要控制以生物气溶胶形式的传播。对于感染病人的废弃物(口罩等)和排泄物(粪便、污水等),在其收集、贮运和处理环节中也应防止生物气溶胶的扩散和治理。

 

我国空气微生物的相关标准最早在1996年颁布,2002年后再无更新。期间发布的几个标准中相关标准值并未统一,且只包含了细菌,未包括真菌、病毒以及微生物的具体种类。标准值的确定方法以调研法为基础,辅以对外国标准的参考,未来还需要结合生物分子学技术和公共卫生调研数据等来研究微生物健康效应,为以后制定更加全面的微生物污染限值提供科学性依据。

 

不同空气消毒技术具有不同的技术特点和适用范围,应根据条件和目的选择合适的空气消毒技术。目前,市场上已有的空气净化设备,对颗粒物或甲醛等具有较好的去除作用,对空气中微生物杀菌功能的设备较少,应进行空气净化设备的功能升级改造和高效空气消毒设备的研发。



本文将刊登于《中国给水排水》2020年第6期,题目:气载致病微生物和空气消毒技术;作者宋璐1, 2,王灿1, 2*,孟格1, 2,蒋冠羽1, 2,马金标1, 2,李云飞1, 2,刘宁1, 2,王星3,刘杰4,王志达5,张铭健6,曹国庆6;单位:1. 天津大学环境科学与工程学院2. 天津市室内环境空气质量控制重点实验室, 3. 天津市海河医院, 4. 天津市儿童医院, 5. 天津医科大学朱宪彝纪念医院, 6. 中国建筑科学研究院有限公司


编辑:丁彩娟

制作:文   凯

审核:李德强


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