賈 磊，樊海彬，葛 坦，吳 磊，王 雷，田旭東

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司 壓縮機(jī)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥壓縮機(jī)技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；2.安徽省疾病預(yù)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(guān)系著人們的生命健康安全，關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)大局穩(wěn)定。對新型冠狀病毒在公共場所傳播的預(yù)防和控制，是一項(xiàng)復(fù)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(huì)議室、車間、移動(dòng)空間等）空間較大且具有一定的密閉性，空氣流動(dòng)性較差，人員聚集，更有利于細(xì)菌和病毒的存活，存在更高的病毒交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)以滅除細(xì)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(fù)工復(fù)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(xué)氣體）和微生物（細(xì)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(shí)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(rèn)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(xì)菌、螺旋體、立克次體一起以菌團(tuán)或孢子的形式存在，所以它們的大小應(yīng)以載體的大小即等價(jià)直徑來衡量。檢測空氣中的細(xì)菌、病毒均需要一定的時(shí)間（一般需要數(shù)小時(shí)至數(shù)10 h），雖然無法以細(xì)菌、病毒的數(shù)量或濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，但可以實(shí)時(shí)監(jiān)測公共場所有限空間細(xì)菌、病毒的載體“空氣顆粒物”濃度的以等效實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

為達(dá)到上述要求，首先需要解決公共場所有限空間內(nèi)細(xì)菌、病毒與空氣顆粒物的關(guān)聯(lián)特征問題?？紤]到使用病毒進(jìn)行實(shí)際空間試驗(yàn)的高風(fēng)險(xiǎn)性和公共場所有限空間的典型性，本文在調(diào)研分析空氣顆粒物粒徑分布特征的基礎(chǔ)上，確定空氣顆粒物粒徑監(jiān)測范圍，并選取會(huì)議室為研究對象，開展會(huì)議室內(nèi)菌落數(shù)與空氣顆粒物的關(guān)聯(lián)性試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析二者之間的相關(guān)性及具體量化關(guān)系，為研發(fā)用于公共場所有限空間的除菌毒空氣處理機(jī)組奠定基礎(chǔ)。

1 空氣顆粒物粒徑分布特征

Sellers等調(diào)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(jí)撞擊采樣器采樣結(jié)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(jié)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(jié)果表明，空氣中L-谷氨酸發(fā)酵菌的噬菌體計(jì)數(shù)中值空氣動(dòng)力學(xué)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(jié)果表明：咳嗽時(shí)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(shí)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(rèn)為［9］：（1）空氣中與疾病有關(guān)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(xì)菌粒子相差無幾。

Fabian等對感染流感的病人進(jìn)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(xiàn)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(shí)時(shí)監(jiān)測，多附著在顆粒物上形成病毒粒子；（2）細(xì)菌和病毒（粒子）的粒徑基本是μm級(jí)或10 μm級(jí)；（3）綜合考慮細(xì)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(dāng)量直徑確定為0.3 μm。

2 關(guān)聯(lián)性分析試驗(yàn)方案

菌落數(shù)與空氣顆粒物的關(guān)聯(lián)性試驗(yàn)在某會(huì)議室進(jìn)行（如圖1所示），該會(huì)議室的面積為10.25 m×5.65 m，凈高2.9 m，在北側(cè)有2扇門，南側(cè)除建筑框架支柱外全部為玻璃，室內(nèi)布置有一張大會(huì)議桌及25個(gè)會(huì)議椅，頂部有2臺(tái)多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組的室內(nèi)機(jī)用于空氣調(diào)節(jié)。

圖1 試驗(yàn)會(huì)議室示意

試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：

（1）試驗(yàn)開始前，會(huì)議室密閉靜置1 h，以盡量降低外界因素對結(jié)果的影響；

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

（3）在步驟（2）進(jìn)行的同時(shí)，通過另一套檢測設(shè)備對不同粒徑的空氣顆粒物濃度進(jìn)行采樣分析，每次采樣1 min后間隔1 min進(jìn)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(jié)果，對采樣菌落數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；

（5）選取不同的天數(shù)，每天進(jìn)行1次試驗(yàn)（累計(jì)完成3次），每次試驗(yàn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探索二者之間的關(guān)聯(lián)性。

試驗(yàn)中使用的關(guān)鍵儀器設(shè)備包括六級(jí)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(shè)備的基本信息見表1。

表1 關(guān)鍵儀器設(shè)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(jì)）：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(yàn)結(jié)果與分析

3次試驗(yàn)的空氣顆粒物濃度與菌落數(shù)檢測結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，3次試驗(yàn)雖然是在不同的時(shí)間進(jìn)行，但由于會(huì)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(dòng)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(yàn)結(jié)果可以初步分析出會(huì)議室內(nèi)菌落數(shù)與空氣顆粒物濃度存在一定的相關(guān)性，這一結(jié)論與相關(guān)研究的結(jié)果類似：（1）方東等調(diào)查了南京市主要功能區(qū)大氣微生物中常見種類的細(xì)菌和霉菌類，研究了細(xì)菌和霉菌類的生態(tài)分級(jí)和變化規(guī)律，比較了大氣微生物與PM10的相關(guān)性［12］。結(jié)果表明，南京市大氣化學(xué)監(jiān)測指標(biāo)PM10與大氣微生物的數(shù)量變化呈一定的正相關(guān)關(guān)系；（2）司恒波以西安市長安大學(xué)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(xì)顆粒物進(jìn)行了采樣研究［13］，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌、真菌微生物氣溶膠與大氣細(xì)顆粒物濃度之間存在一定的正相關(guān)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(guān)性分析［14］，結(jié)果顯示，病毒總檢出率與空氣PM2.5濃度正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)r=0.741），RSV病毒檢出率與空氣PM2.5濃度正相關(guān)（r=0.706），PIV3病毒檢出率與空氣PM2.5濃度正相關(guān)（r=0.635）。

從已有的研究可以看出，細(xì)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(guān)性，且多為線性關(guān)聯(lián)關(guān)系，差別在于空氣顆粒物選取對象和相關(guān)系數(shù)具體數(shù)值的不同。因此，需要對會(huì)議室內(nèi)的多次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，確定菌落數(shù)與空氣顆粒物的具體關(guān)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(huì)議室內(nèi)菌落數(shù)作為因變量，二者之間的關(guān)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(guān)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，確定二者的量化關(guān)系如式（2）所示，相關(guān)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(qiáng)的正相關(guān)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(guān)聯(lián)式及相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。從表2可以看出，會(huì)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(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.999 7。

表2 不同擬合關(guān)聯(lián)式參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

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

（2）待測會(huì)議室內(nèi)部空氣流動(dòng)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(yàn)工況下菌落數(shù)的波動(dòng)范圍在7%以內(nèi)。

（3）一系列檢測結(jié)果表明，會(huì)議室內(nèi)的菌落數(shù)與多種空氣顆粒物濃度之間的相關(guān)系數(shù)范圍為0.700 5～0.999 7，在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上均存在線性正相關(guān)關(guān)系。