不同氣候區城市公共建筑內微生物濃度對比分析*

東南大學 王聖齊 葉 瑾 孫 帆 郭康旗 諸葛陽 錢 華

0 引言

現代人一生中平均有約90%的時間在室內生活和工作[1-2]。室內空氣質量(IAQ)直接影響室內人員的健康和工作效率[3-5]。微生物污染是室內空氣污染的主要形式之一[6-8]。與空氣中其他可吸入顆粒物一樣，微生物粒徑不同，在人體呼吸系統中的沉降位置也不同[9-10]。空氣中微生物粒徑范圍與微生物種類有關，如細菌粒徑范圍約為0.25～20 μm，真菌粒徑范圍約為1～30 μm[11]。微生物種類不同，吸入人體后對健康的影響也不同，嚴重的可能導致傳染病和呼吸道疾病[12]。室內微生物種類和濃度受公共建筑類型、當地氣候、季節、通風方式影響[13-17]。室內微生物濃度過高時，室內人員更容易感到不適，嚴重時會引起呼吸道疾病[18]。目前針對公共建筑IAQ的研究多集中在空氣質量的評價上，包括室內溫度，相對濕度，甲醛、CO、總揮發性有機物(TVOC)和細顆粒物(PM2.5)濃度等室內環境參數，而對微生物的研究比較少。Salonen[19]、Hussin[20]、Hwang[21]、孫帆[22]等人對校園室內微生物污染情況進行了研究。Abdel等人研究了埃及圖書館、學校、兒童日托中心和醫院等公共建筑中的微生物情況[17]。

我國建筑氣候劃分為5個區域，研究微生物水平的地域分布特性是一項繁重的工作，需要大量的測試與調研，因此，目前國內對于不同氣候區的不同建筑室內環境微生物濃度差異研究較少。本文選取南京(位于夏熱冬冷氣候區)和昆明(位于溫和氣候區)2座城市，分別對這2座城市中的醫院和辦公樓進行了室內空氣微生物的現場采樣分析，研究了2種不同氣候區的同類公共建筑，以及同一氣候區中不同類型公共建筑中的微生物濃度差異和粒徑分布情況，探究了環境參數和微生物濃度之間的相關性。

1 材料與方法

1.1 采樣城市

夏熱冬冷氣候區和溫和氣候區的典型代表城市分別為南京和昆明[23-26]。南京夏季悶熱、冬季濕冷，其地理坐標范圍為北緯31°14′～32°37′，東經118°22′～119°14′。昆明有明顯的干濕季，春季溫暖、干燥少雨，夏無酷暑、雨量集中，秋季溫涼、天氣干燥，冬無嚴寒、天晴少雨，其地理坐標范圍為北緯24°23′～26°22′，東經102°10′～103°40′。

1.2 采樣建筑

2座城市選取的公共建筑均為醫院和辦公樓，南京市采樣時間為2018年12月，昆明市采樣時間為2019年11月。

2座城市采樣信息對比如表1所示。南京采樣公共建筑為：2個不同地理位置的辦公樓各2間會議室、10間辦公室；某醫院2個門診大廳、2個呼吸診室、2個普通診室、2個普通病房、2個呼吸病房和2個值班室。南京市采樣總面積約為2 300 m2。昆明采樣公共建筑為：某單位2間會議室、15間辦公室；某醫院2個門診大廳、16間門診診室。昆明市采樣總面積約為1 671 m2。

表1 南京、昆明采樣辦公建筑信息

1.3 采樣方法

采樣器選用Andersen 6級篩孔撞擊式微生物采樣器。該采樣器由6個撞擊器組合在一起，每一級400個采樣孔，利用6次反復撞擊原理，將懸浮在空氣中的微生物粒子按照粒徑大小不同捕獲在不同的層級，它能采集的粒子粒徑范圍比單級的廣，捕獲率大于98%。Ⅰ～Ⅵ級捕獲粒徑范圍分別為：≥7.0 μm、4.7～7.0 μm、3.3～4.7 μm、2.1～3.3 μm、1.1～2.1 μm、0.65～1.1 μm。Ⅰ～Ⅵ級有效截留粒子粒徑分別為7.0、6.0、3.0、2.0、1.0、0.65 μm。采樣時其內部相對濕度逐級增高(由第Ⅰ級的29%增至第Ⅵ級的88%)，有利于微生物存活。采樣期間，采樣房間門窗均處于關閉狀態，房間中人員活動和平時一樣，不發生改變。采樣流量為28.3 L/min，采樣時間為5 min，采樣器距周圍障礙物1 m以上。空氣細菌采樣使用普通營養瓊脂平板(NA)，空氣真菌采樣使用馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基(PDA)。采樣前培養皿密封保存，采樣后細菌培養皿在溫度37 ℃環境中培養48 h后計數，真菌培養皿置于溫度28 ℃、相對濕度60%的培養箱中5 d，并于第3天開始計數。計數結果校正公式見文獻[22]。

1.4 微生物氣溶膠濃度及各級帶菌粒子百分比計算

根據校正后各級菌落數的計數結果計算微生物氣溶膠濃度和各級帶菌粒子百分比，計算公式如下[27-28]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中c為微生物氣溶膠濃度，cfu/m3；T為校正后6級帶菌粒子總數，cfu；t為采樣時間，min；F為采樣流量，L/min；m為各級帶菌粒子百分比。

1.5 記錄環境相關參數

除南京醫院外，其余建筑每次采樣時檢測并記錄采樣點環境空氣的相關參數：CO2濃度、甲醛濃度、PM2.5濃度、TVOC濃度。每次采樣的同時記錄采樣點溫度和相對濕度。南京、昆明采樣房間詳細信息如表2、3所示。

采用SPSS 20軟件進行數據統計分析。

表2 南京采樣點環境參數

表3 昆明采樣點環境參數

2 研究結果

2.1 空氣微生物濃度特征

圖1顯示了南京、昆明不同類型公共建筑中微生物濃度對比。南京辦公樓中的細菌濃度、真菌濃度均值分別為226、260 cfu/m3，醫院中的細菌和真菌濃度均值分別為151、167 cfu/m3，辦公樓室內空氣細菌和真菌濃度均高于醫院。昆明辦公樓中的細菌濃度、真菌濃度均值分別為369、520 cfu/m3，醫院中的細菌和真菌濃度均值分別為520、316 cfu/m3，采樣結果和南京有區別，醫院室內空氣細菌濃度高于辦公樓，而真菌濃度卻低于辦公樓。

2.2 南京、昆明微生物濃度對比

由圖1可以得出，昆明醫院和辦公樓室內空氣細菌、真菌濃度均值均高于南京。其中，昆明醫院室內空氣細菌濃度均值為520 cfu/m3，約為南京醫院室內空氣細菌濃度的3.4倍；昆明醫院的真菌濃度均值為316 cfu/m3，約為南京醫院室內空氣真菌濃度的1.9倍。昆明辦公樓室內空氣細菌濃度均值為369 cfu/m3，約為南京醫院室內空氣細菌濃度的1.6倍；昆明辦公樓的真菌濃度均值為520 cfu/m3，約為南京醫院室內空氣真菌濃度的2倍。

2.3 空氣微生物粒徑分布特征對比

南京、昆明醫院辦公樓中室內空氣微生物粒徑分布如圖2、3所示。南京、昆明公共建筑室內空氣細菌粒徑基本呈單峰分布，峰值都出現在Ⅳ級(2.1～3.3 μm)和Ⅴ級(1.1～2.1 μm)。

圖2 不同城市建筑室內空氣細菌粒徑分布

圖3 不同城市建筑室內空氣真菌粒徑分布

使用SPSS軟件對數據進行單因素方差分析后可得表4所示結果。

表4 Andersen分級濃度差異性比較

在Ⅱ～Ⅳ級，南京辦公樓細菌濃度顯著大于南京醫院(P<0.05)；在Ⅰ級、Ⅴ級、Ⅵ級，南京辦公樓、醫院中細菌濃度沒有顯著差異(P>0.05)；昆明醫院、辦公樓室內空氣細菌粒徑主要分布在Ⅰ級、Ⅳ級和Ⅴ級；在Ⅰ～Ⅵ級，昆明辦公樓、醫院中細菌濃度沒有顯著差異(P>0.05)。

南京、昆明公共建筑室內空氣真菌粒徑基本呈單峰分布，峰值都出現在Ⅳ級(2.1～3.3 μm)和Ⅴ級(1.1～2.1 μm)。在Ⅴ級，南京辦公樓真菌濃度顯著大于南京醫院(P<0.05)；在Ⅰ～Ⅳ級、

Ⅵ級，南京辦公樓、醫院中真菌濃度沒有顯著差異(P<0.05)。昆明醫院、辦公樓室內空氣真菌粒徑主要分布在Ⅰ級、Ⅳ級和Ⅴ級；在Ⅳ級，昆明辦公樓真菌濃度均顯著大于昆明醫院(P<0.05)；在Ⅰ～Ⅲ級、Ⅴ級、Ⅵ級，昆明辦公樓、醫院中真菌濃度沒有顯著差異(P>0.05)。

在Ⅰ～Ⅴ級，昆明醫院細菌、真菌濃度均顯著高于南京醫院(P<0.05)；在Ⅵ級，昆明、南京醫院中細菌、真菌濃度沒有顯著差異(P>0.05)。

在Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅵ級，昆明辦公樓細菌濃度顯著高于南京辦公樓(P<0.05)；在Ⅰ級、Ⅳ級、Ⅴ級，昆明、南京辦公樓中細菌濃度沒有顯著差異(P>0.05)。在Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅳ級、Ⅵ級，昆明辦公樓細菌濃度顯著高于南京辦公樓(P<0.05)；在Ⅲ級、Ⅴ級，昆明、南京辦公樓中細菌濃度沒有顯著差異(P>0.05)。

2.4 室內環境參數與微生物濃度的相關性

對各公共建筑室內環境參數與空氣微生物濃度進行Spearman相關性分析，結果如表5所示。昆明醫院中的溫度與細菌和真菌濃度均存在顯著負相關(P<0.05)，南京辦公樓、昆明醫院、昆明辦公樓內的相對濕度和真菌濃度之間的相關系數為1。

表5 室內環境參數與微生物濃度的相關系數

3 討論

3.1 微生物濃度特征對比

研究發現，溫和氣候區室內空氣中微生物濃度整體上高于夏熱冬冷氣候區，其原因可能與氣候區的地理環境及氣候環境有關。相同季節，不同氣候區的溫濕度及CO2濃度存在差異性，而溫濕度和CO2均會對微生物濃度產生影響[29-32]。溫和地區溫濕度變化較小，因此比夏熱冬冷氣候區更適宜微生物生長[33]。夏熱冬冷氣候區醫院內測得的真菌濃度低于辦公樓，與溫和氣候區測量結果相反，其原因可能與所選的采樣房間類型有關，南京醫院采樣房間多為值班室或病房，人流量較小，而昆明醫院采樣房間基本都為診室，空間小且人流量和人流密度較大。因此，建筑物室內微生物濃度在一定程度上受人流量影響，與文獻[29-30]中的研究結論一致。夏熱冬冷地區辦公樓采樣點的人流量高于醫院，導致辦公樓內的微生物濃度水平高于醫院。溫和氣候區醫院采樣點人流量和人流密度遠高于辦公樓的采樣房間，辦公樓內細菌濃度低于醫院，而真菌濃度卻高于醫院濃度水平，其原因可能是辦公樓中的真菌源強度大于醫院中的真菌源強度。南京醫院、辦公樓和昆明辦公樓采樣房間外面均有大面積綠化帶，昆明醫院采樣房間周圍都是高樓，綠化面積較少，而綠化面積對室內環境來說是很強的真菌源[22,31]。人流量和人流密度不同時，細菌濃度也不同，細菌濃度在一定程度上受人流量和人流密度影響，Hwang等人研究表明細菌濃度會隨人口密度的增大而增大[32]。而真菌濃度則與建筑周圍的綠化情況有關，Qi等人研究表明，在設置的采樣點中，樹葉表面的真菌濃度最高[31]，因此推測，綠化水平越高，綠化區域周圍真菌濃度越高。細菌濃度是否受建筑周圍綠化影響，影響程度如何，真菌濃度是否受人流量及人流密度影響，仍需后續設置相關試驗進行驗證。

此次2個氣候區的采樣均是在冬季進行，而有研究表明，室內空氣微生物濃度有季節性差異[33-35]。筆者后續會考慮多季節、多氣候區、多公共建筑類型的微生物濃度對比研究。

3.2 室內微生物粒徑分布特征

有研究指出，居住建筑環境中粒徑小于3.88 μm的顆粒均可被人員吸入[36]。Andersen采樣器Ⅲ級捕獲粒子直徑為3.3～4.7 μm，根據Andersen采樣器分級粒徑情況，此處認為建筑物室內顆粒直徑小于4.7 μm(Ⅲ～Ⅵ級)的均可被人吸入[37]。本研究中，南京醫院、南京辦公樓、昆明醫院、昆明辦公樓室內粒徑小于4.7 μm的細菌所占比例分別為68.21%、68.44%、83.08%、68.29%，真菌所占比例分別為70.66%、80.70%、79.75%、88.85%。除昆明醫院中Ⅲ～Ⅵ級細菌總占比高于真菌總占比外，其余3個測試建筑室內空氣中真菌粒子含量高于細菌粒子。其原因可能為采樣建筑室內環境中特有的真菌菌種粒子直徑本就小于此空間中的細菌菌種粒子直徑，但是否如此還需要作后續的測序研究，得到這幾處的具體菌種才可確定。

南京、昆明醫院及辦公樓室內空氣微生物粒徑分布模式基本相同，粒徑為1.1～3.3 μm的微生物占比最多。推測其原因可能與室內人員干擾有關，在采樣時，室內人員行為和往常一樣，其行為會使室內環境發生擾動，進而在一定程度上使室內微生物脫離現有狀態，發生擾動，大粒徑的微生物粒子會在重力作用下很快下沉，而小粒徑的微生物粒子會在空中保持較長時間運動狀態。而粒徑為0.65～1.1 μm和粒徑≥3.3 μm的微生物較少的另一個原因可能為，采樣建筑內粒子直徑在此范圍的微生物種類原本就少。

昆明醫院、辦公樓內微生物濃度均分別高于南京，其原因可能是，相比于夏熱冬冷氣候區，溫和氣候區的環境更有利于微生物生長。

3.3 環境參數與微生物濃度的相關性

室內空氣溫濕度對微生物的生長繁殖至關重要[8,31]。本研究結果表明，昆明醫院的室內溫度和微生物濃度存在顯著的負相關性。但昆明醫院細菌、真菌濃度關系不同于南京醫院，除人流量這一影響因素外，另一個原因可能為不同氣候區相同建筑類型內微生物種類也有差別。昆明辦公樓室內相對濕度和真菌濃度有確定關系，這一結果與前人研究結果[8]一致。

4 結論

1) 不同氣候區和不同類型公共建筑的室內空氣微生物濃度均存在差異。

2) 室內細菌濃度受人流量的影響較大，人流量越大，細菌濃度越高，因此人流量較大的場所應定期消毒；除室內人流量外，真菌濃度受室外污染源的影響也較大。

3) 不同氣候區公共建筑室內空氣微生物粒徑分布模式相似，粒徑為1.1～3.3 μm的微生物顆粒占比最高。

4) 不同氣候區公共建筑室內空氣真菌濃度和相對濕度存在確定關系，昆明醫院測得的微生物濃度與室內溫度存在顯著相關性。