北京地區(qū)某高校教室細菌氣溶膠濃度隨季節(jié)變化特性實測調研*

北京工業(yè)大學 苗豆豆 陳 超 趙 晨

0 引言

大多數(shù)人80%以上的時間是在室內度過的，病態(tài)建筑綜合征的出現(xiàn)使室內空氣質量成為一個熱點問題。生物氣溶膠是指由人工或自然產生的懸浮在空氣中有生物來源的粒子。室內生物氣溶膠已被廣大學者認為是病態(tài)建筑綜合征的主要原因。雖然大多數(shù)由寄生微生物引起的疾病(傳染病)是通過直接接觸獲得的，但麻疹、流感、肺結核和上呼吸道病毒(導致感冒)的人源病原體很容易通過氣溶膠傳播，通常由被感染者咳嗽、打噴嚏，甚至說話引起[1-2]。空氣溫度、相對濕度、顆粒物濃度及太陽輻射等因素則會不同程度地影響室外空氣細菌的分布特征[3- 4]。而造成室內生物氣溶膠問題的重要環(huán)境因素包括室外空氣的微生物含量、通風方式、人員密度、換氣次數(shù)及室內空氣濕度[5]。流行病學調查表明，空氣傳播的細菌可能具有毒性、致敏性和傳染性[6]。細菌濃度升高會使流行病和食物污染的可能性加大，可能導致許多呼吸道和皮膚感染等疾病[7-8]。吸入生物氣溶膠引起的病癥不僅取決于生物氣溶膠的生物學特性和化學成分，而且還取決于吸入的數(shù)量和它們在呼吸系統(tǒng)中的沉積部位。由于顆粒的沉積位置與顆粒的空氣動力學直徑直接相關，因此，生物氣溶膠對健康的影響在很大程度上取決于其物理性質，特別是粒徑分布。空氣動力學直徑大于10 μm的粒子進入和穿越上呼吸道鼻腔的可能性較小；粒徑5～10 μm的生物氣溶膠主要沉積在上呼吸道系統(tǒng)中，可引起過敏性鼻炎；粒徑小于5 μm的顆粒能夠穿透肺泡，并可導致過敏性肺泡炎和其他嚴重疾病[5,9-13]。

高校教室人員密度大，遭受空氣細菌傳播的潛在健康危害也大。高校教室的室內外環(huán)境的細菌氣溶膠濃度水平及其分布特性已被越來越多的學者關注。 Bartlett等人對37所小學進行了調查，利用回歸模型評估了環(huán)境參數(shù)、通風方式和人員密度等因素和室內嗜溫菌濃度之間的關聯(lián)性[14]。Mirhoseini等人對6類建筑的室內細菌氣溶膠進行采樣后發(fā)現(xiàn)，高校教室內細菌氣溶膠濃度水平高于辦公室和實驗室，與小學教室接近[15]。Aydogdu 等人的研究結果表明，由于人員活動及高頻率使用教室，使得教室內細菌氣溶膠濃度高于其他室內采樣點[16]。Li等人得到了某高校教室在有人條件下的細菌氣溶膠濃度和粒徑分布特征，并給出了細菌氣溶膠濃度與空氣溫濕度之間的相關系數(shù)[17]。

本文結合前人的研究成果，基于課題組2018 年12月至2019年12月對北京地區(qū)某高校教室室內外環(huán)境的細菌氣溶膠濃度、環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、細顆粒物濃度)實測調研數(shù)據(jù)，重點分析高校教室環(huán)境細菌氣溶膠濃度水平及其粒徑分布特性隨季節(jié)的變化規(guī)律，以期為教室環(huán)境質量安全控制及相關室內空氣質量標準制訂提供基礎數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 實測概況

北京地區(qū)氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥。實測地點位于北京市東三環(huán)與東四環(huán)之間的某高校教學樓，毗鄰城市交通要道，周圍以住宅小區(qū)為主。采樣時間為2018年12月至2019年12月學校正常教學活動時間，教室門窗及機械通風系統(tǒng)處于關閉狀態(tài)，采樣分別在上午課前(無人工況，上課前教室內至少12 h處于無人的狀態(tài))及第1、2、3、4節(jié)課后(有人工況，實測間隔45～60 min)進行。為了把握不同季節(jié)的影響規(guī)律，根據(jù)高校教學時間安排，春、夏、秋、冬采樣分別在3—5月、6—7月中旬、9—11月、12月至次年1月中旬及2月中旬至2月底期間實施。采樣期間，每周采樣1～2次，每個季節(jié)采樣8～12次，共計40次。

1.2 采樣和培養(yǎng)方法

細菌氣溶膠濃度水平表征了空氣中微生物的污染水平，而細菌在各粒徑范圍內的分布更能深刻反映其對人體健康的危害，決定其在呼吸系統(tǒng)中的沉積部位和沉積量。本研究選用FA-1型Andersen 6級撞擊式空氣微生物采集器采樣。 根據(jù)捕獲粒子粒徑范圍，6級采樣器粒徑大小依次劃分為：第Ⅰ級，≥7.0 μm；第Ⅱ級，4.7～7.0 μm；第Ⅲ級，3.3～4.7 μm；第Ⅳ級，2.1～3.3 μm；第Ⅴ級，1.1～2.1 μm；第Ⅵ級，0.65～1.1 μm。將直徑為90 mm的普通營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基分別置于器皿中，采樣時間為5 min，采樣流量為28.3 L/min，采樣高度為1.2～1.5 m(正常人體呼吸區(qū)的高度)。布點和采樣根據(jù)GB/T 1820.4—2013《公共場所衛(wèi)生檢驗方法 第3部分：空氣微生物》[18]的相關規(guī)定進行，室內采樣的同時對室外進行采樣。室內依據(jù)對稱原則，設置2個采樣點；室外空氣采樣器位于距離附近物理屏障至少2 m的地方。重復采樣2次，以測試數(shù)據(jù)的平均值作為實驗結果。

每次采樣時設置空白樣本，同測試樣一起培養(yǎng)，沒有菌落生長則測試有效。采樣前,用70%乙醇對采樣器消毒；采樣后，將培養(yǎng)基放在密閉空間中轉移到實驗室生化培養(yǎng)箱(SPL-80)中，在37 ℃溫度下培養(yǎng)48 h。每個平板上的細菌菌落以菌落形成單位(cfu)進行計數(shù)。本研究根據(jù)菌落的大小、形態(tài)、顏色等特征，區(qū)分細菌和真菌，并將不符合細菌外觀的采樣數(shù)據(jù)剔除。

1.3 環(huán)境參數(shù)

使用Testo 625溫濕度儀(測量精度：溫度，±0.5 ℃；相對濕度，±2.5 %)記錄空氣溫度和相對濕度。采用 LD-5C(R)型激光粒子檢測儀(測量精度1 μg/m)測量室內外PM2.5、PM10質量濃度。采用 Y09-301 AC-DC 型激光塵埃粒子計數(shù)器(粒子通道直徑分別為0.3、0.5、1、3、5、10 μm)測量顆粒物計數(shù)濃度，采樣流量為2.83 L/min ，采樣時間為1 min，均重復采樣6次，取平均值。

1.4 細菌氣溶膠粒徑分析

粒徑1～10 μm的細菌氣溶膠與呼吸道疾病密切相關，所致疾病主要由粒徑為1～5 μm的細菌氣溶膠引起，因此，將第Ⅲ～Ⅵ級粒徑范圍內的細菌氣溶膠定義為可吸入氣溶膠[9]。

中值直徑是指按照 Andersen 6級空氣微生物采樣器捕獲粒子的結果，從小粒徑開始累加，累加到顆粒比例達到50%時所對應的粒徑值[19]，是衡量生物氣溶膠整體粒徑水平的重要指標。細菌氣溶膠的中值直徑若在可吸入氣溶膠粒徑范圍內，細菌將進入人體呼吸系統(tǒng)，粒徑越小對人體危害越大，特別是粒徑2.1 μm以下的氣溶膠能夠沉積到肺部。如果細顆粒物攜帶各種微生物細菌或者病毒，將對人體健康產生危害[20]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

單位顆粒物可培養(yǎng)細菌含量根據(jù)式(1)計算。

(1)

式中V為單位顆粒物可培養(yǎng)細菌含量，cfu/顆；C為某一粒徑范圍內的細菌氣溶膠濃度，cfu/m3；N為對應粒徑范圍內的顆粒物計數(shù)濃度，顆/m3。

Andersen 6級采樣器粒子通道直徑采用空氣動力學當量直徑，而激光塵埃粒子計數(shù)器粒子通道直徑采用的是光散射當量直徑，對此，本研究根據(jù)Hospodsky等人的研究結果[21]，將Andersen采樣器0.65～1.1、1.1～3.3、3.3～4.7、≥4.7 μm粒徑通道的采樣結果分別與激光塵埃粒子計數(shù)器0.5～1、1～3、3～5、≥5 μm粒徑通道采樣結果近似比較，以評價細菌微生物計數(shù)濃度與顆粒物計數(shù)濃度的關聯(lián)特性。

對采樣期間異常的數(shù)據(jù)(過高或過低)進行剔除。剔除后，采用Wilcoxon 檢驗和獨立樣本Kruskal-Wallis檢驗，分別比較人員進入前后及季節(jié)性差異。通過Spearman相關分析確定環(huán)境參數(shù)與各粒徑范圍內的細菌氣溶膠濃度及其與總濃度的關系。P<0.05表示有統(tǒng)計學意義的顯著性差異。 使用Excel、SPSS和Origin分析實驗數(shù)據(jù)并制圖。

2 實測結果及分析

2.1 室外細菌氣溶膠

2.1.1濃度水平季節(jié)變化特性

不同城市細菌氣溶膠濃度有不同特點，同一城市不同時期的變化規(guī)律也會因地區(qū)和環(huán)境條件不同而產生差異性。實測期間室外細菌氣溶膠濃度變化范圍為7～1 237 cfu/m3，圖1反映了其平均水平在各季節(jié)的變化特性,其中平均最高濃度出現(xiàn)在秋季(326 cfu/m3)，最低濃度出現(xiàn)在夏季(201 cfu/m3)，且具有統(tǒng)計學差異(P<0.05)。該結果與Fang等人于2003年6月至2004年5月在北京市海淀區(qū)中國科學院生態(tài)環(huán)境科學研究中心樓頂處的采樣結果[22]比較，兩者的室外細菌氣溶膠濃度水平季節(jié)變化規(guī)律相同，但本研究的實測值平均下降了約91%；與Gao等人2013年1月至2014年1月在北京西四環(huán)農林科學院大樓(20 m高)屋頂處的采樣結果[23]比較，本研究的實測值平均下降了約76%。

圖1 室外細菌氣溶膠濃度季節(jié)變化特性(單位：cfu/m3)

通常，夏季由于太陽輻射加強而使細菌死亡率升高，而秋季顆粒物濃度較高，且顆粒有較大的遮蔽面積，除了成為碳和能量來源外，還能使細菌免受紫外線照射[24]。Aydogdu等人[16]與Fang等人[7]的研究報告均表明秋季細菌氣溶膠濃度最高，與本文結論一致。然而，一些研究報告結果為夏季空氣細菌濃度水平最高[23,25-26]，這也說明了空氣細菌氣溶膠濃度受地理區(qū)域的影響較大。

2.1.2粒徑分布特性

圖2顯示了室外細菌氣溶膠各粒徑濃度百分比隨季節(jié)的變化特性。春、冬季較大粒徑細菌氣溶膠占比較高，其中，春季室外細菌氣溶膠濃度在各粒徑范圍的百分比以第Ⅰ～Ⅳ級為主，占總數(shù)的80.3%，呈雙峰分布，主峰為第Ⅰ級(粒徑≥7.0 μm)，次峰為第Ⅳ級(粒徑為2.1～3.3 μm)，這可能與春季風沙較大，細菌主要附著在顆粒物上的緣故有關；冬季室外細菌氣溶膠濃度以第Ⅰ～Ⅴ級為主，占總數(shù)的89.4%，呈雙峰分布，主峰為第Ⅱ、Ⅲ級(粒徑為4.7～7.0 μm)，次峰為第Ⅴ級(粒徑為1.1～2.1 μm)。夏、秋季節(jié)細顆粒物中細菌氣溶膠濃度較高，百分比主要集中在第Ⅲ～Ⅴ級(粒徑為1.1～4.7 μm)，占總數(shù)的60%～80%，且呈偏態(tài)分布，在第Ⅴ級(粒徑為1.1～2.1 μm)百分比最大。本文研究結果與許鵬程等人實測大學校園、公交車站和醫(yī)院門診區(qū)得到的細菌氣溶膠濃度結果[19]基本一致。

圖2 室外細菌氣溶膠濃度百分比隨季節(jié)的變化特性

春、夏、秋、冬四季中室外可吸入細菌氣溶膠分別占總數(shù)的59.1%、81.0%、72.0%、65.5%，春季最低，夏季最高；中值直徑分別為2.31、1.66、1.83、2.03 μm，春季最大，夏季最小。這主要是由于春季多風沙，容易帶起沉降在地面上的大粒徑細菌氣溶膠，并使其擴散到空中，進而使環(huán)境中細菌氣溶膠的中值直徑增大[27]，而降雨和降雪則對大粒子有沖刷作用,降低了它們占總粒子數(shù)的比例,從而改變空氣微生物的粒徑分布特征和中值直徑[28]。方治國等人的研究發(fā)現(xiàn)，空氣細菌粒子中值直徑約為2. 5 μm[29]，比本文實驗所得值小，主要是由于選取的采樣點位于市區(qū)，受交通、人群活動等的擾動較大。

不同季節(jié)室外細菌氣溶膠濃度粒徑分布特性如圖3所示。由圖3可見，各季節(jié)細菌氣溶膠濃度粒徑均呈單峰分布，春、秋、冬季均為2.1～7.0 μm粒徑范圍內的分布密度最高，夏季主要集中在1.1～4.7 μm范圍內。

因Andersen采樣器與粒子濃度計數(shù)儀的有效截留粒徑不同，故將細菌氣溶膠的粒徑分級0.65～1.1 μm、1.1～3.3 μm、3.3～4.7 μm、≥4.7 μm與粒子數(shù)濃度的粒徑分級0.5～1 μm、1～3 μm、3～5 μm、≥5 μm相對應，以方便評價單位顆粒物可培養(yǎng)細菌氣溶膠的含量(如圖4所示)。在粒徑5 μm以上的顆粒物中細菌氣溶膠數(shù)量最多，其次依次為3～5 μm、1～3 μm、0.5～1 μm。這主要是因為大顆粒物裸露表面積大，能為細菌生長提供良好的營養(yǎng)物質和生長環(huán)境[24]。 春、夏、秋季室外各粒徑區(qū)間單位顆粒物可培養(yǎng)細菌氣溶膠的含量沒有顯著性差異(P>0.05)，而冬季含量總體較高，其中5 μm以上粒徑單位顆粒物平均含有2.2個可培養(yǎng)細菌。

圖4 不同季節(jié)室外各粒徑區(qū)間單位顆粒物可培養(yǎng)細菌含量

2.2 室內細菌氣溶膠

2.2.1濃度水平季節(jié)變化特性

圖5反映了教室內無人和有人工況條件下，室內細菌氣溶膠平均濃度及I/O比(指室內外細菌氣溶膠的濃度比)隨季節(jié)的變化規(guī)律。從圖5可見：室內無人工況時，I/O比平均值小于1，表明室內細菌氣溶膠主要源自室外，室外細菌氣溶膠主要通過門窗縫隙進入室內，該工況下細菌氣溶膠濃度為57～664 cfu/m3，季節(jié)變化規(guī)律不明顯(P>0.05)，這與Pastuszka等人的研究結果[9]一致；室內有人工況時，I/O比平均值大于1，濃度為無人工況的2～8倍，說明該工況下室內細菌氣溶膠主要來源為人體，雖然室內桌椅和墻壁等物體表面及地面的灰塵等可能存在細菌氣溶膠污染源，但它們對室內細菌氣溶膠濃度的貢獻相對較小；夏季室內細菌氣溶膠濃度明顯高于其他季節(jié)，這可能與夏季人體暴露于空氣中的皮膚面積相對較大、易出汗、易滋生細菌等因素有關[30]；室內有人工況時，細菌氣溶膠濃度為230～1 484 cfu/m3。目前國際上尚沒有統(tǒng)一的細菌氣溶膠濃度限值標準[31]，不同國家或組織給出的細菌氣溶膠濃度指導值差別較大，最小500 cfu/m3，最大10 000 cfu/m3[32-33]。中國科學院生態(tài)中心推薦使用的《空氣微生物評價標準》規(guī)定，空氣中的細菌濃度<1 000 cfu/m3為清潔狀態(tài)[34]。本文測得的室內細菌氣溶膠樣本濃度大于1 000 cfu/m3的樣本量約占9.1%，且主要分布在夏季。

圖5 室內細菌氣溶膠濃度及I/O比的季節(jié)分布

有人工況下室內人員密度和人均貢獻細菌氣溶膠濃度隨季節(jié)的變化如表1所示。夏季實測期間，教室內平均人員密度約為0.21人/m2，顯著低于春、秋、冬三季(P<0.05)，但室內細菌氣溶膠濃度較無人工況增幅最大，為278 cfu/m3。春、秋、冬三季教室內人員密度(平均值±標準差)分別為(0.33±0.09)、(0.32±0.12)、(0.30±0.07)人/m2，無季節(jié)差異(P>0.05)，且約為夏季人員密度的1.5倍，但細菌氣溶膠濃度增幅低于夏季，分別為197、230、168 cfu/m3。這主要是由于夏季人體皮膚的暴露面積大且出汗量較大，因此細菌氣溶膠增幅較高。經(jīng)計算，夏季人均可培養(yǎng)細菌氣溶膠濃度最高，為3 526 cfu/人，余下依次為秋季(2 374 cfu/人)、春季(1 994 cfu/人)和冬季(1 386 cfu/人)。

表1 室內有人工況人均貢獻細菌氣溶膠濃度

2.2.2粒徑分布特性

不同季節(jié)室內無人、有人2種工況下細菌氣溶膠粒徑濃度占比如圖6、7所示。2種工況條件下，室內細菌氣溶膠濃度在各粒徑范圍的百分比均呈偏態(tài)分布，在第Ⅴ級百分比最大，且夏季在第Ⅴ級百分比高于其他季節(jié)(P<0.05)。郝翠梅發(fā)現(xiàn)杭州市居室內空氣細菌粒徑分布從Ⅰ級到Ⅴ級逐級增加，然后急劇下降，Ⅵ級達到最小[35]，與本文研究結果一致。

圖6 無人工況細菌氣溶膠濃度百分比分布

圖7 有人工況細菌氣溶膠濃度百分比分布

無人工況下，室內細菌氣溶膠可吸入部分無季節(jié)性差異(P>0.05)，平均占總細菌氣溶膠濃度的74%～87%。有人工況下，室內細菌氣溶膠可吸入部分呈現(xiàn)季節(jié)性差異(P<0.05)，在春、夏、秋、冬分別為79.2%、84.9%、78.8%、72.4%。除秋季外，其余3個季節(jié)的可吸入部分有人工況較無人工況的占比均下降，這可能是秋季人體攜帶進室內較多小顆粒細菌氣溶膠的緣故。Li等人研究發(fā)現(xiàn)室內細菌氣溶膠可吸入部分占總細菌氣溶膠總數(shù)的80%以上[36]，與本文研究結果基本一致。但相關研究發(fā)現(xiàn)室內細菌氣溶膠可吸入部分占總數(shù)的50%左右[9, 37]。這意味著，室內人員可能處在較高濃度的微生物暴露水平中。

室內無人、有人工況下細菌氣溶膠中值直徑如圖8所示，無人與有人工況下細菌氣溶膠中值直徑的范圍分別為1.27～1.43 μm、1.37～2.03 μm，無明顯的季節(jié)變化規(guī)律(P>0.05)。

室內無人、有人工況下細菌氣溶膠濃度粒徑分布特性如圖9、10所示。由圖9、10可見：無人工況下，春、冬季細菌氣溶膠濃度在0.65～3.3 μm粒徑范圍內分布最密集，夏、秋季在1.1～4.7 μm粒徑范圍內分布最廣；有人工況下，細菌氣溶膠濃度在1.1～4.7 μm粒徑范圍內達到峰值，且各粒徑范圍內的濃度分布密度均高于無人工況。

圖9 無人工況細菌氣溶膠濃度粒徑分布特性

圖10 有人工況細菌氣溶膠濃度粒徑分布特性

室內單位顆粒物中可培養(yǎng)細菌氣溶膠含量同室外一樣，在粒徑≥5 μm、3～5 μm、1～3 μm、0.5～1 μm范圍中依次降低，如圖11、12所示，室內不同大小顆粒物中細菌氣溶膠含量在不同季節(jié)中變化規(guī)律不同。

圖11 無人工況室內單位顆粒物可培養(yǎng)細菌氣溶膠含量

圖12 有人工況室內單位顆粒物可培養(yǎng)細菌氣溶膠含量

無人工況下，夏季室內可培養(yǎng)細菌氣溶膠占比最高(3.47×10-2cfu/顆)，其次為春季、秋季(1.89×10-2、1.01×10-2cfu/顆)，冬季最低(8.2×10-3cfu/顆)，年平均為 2.41×10-2cfu/顆。

有人工況下，春、夏季室內可培養(yǎng)細菌氣溶膠占比較高(3.58×10-2、3.32×10-2cfu/顆)，冬季、秋季次之(2.51×10-2、1.79×10-2cfu/顆)。夏季在0.5～1 μm粒徑范圍內的細菌氣溶膠含量較無人工況低(P<0.05)；秋季在1～3 μm和3～5 μm粒徑范圍內的細菌氣溶膠含量較無人工況高(P<0.05)。

2.3 環(huán)境參數(shù)對細菌氣溶膠濃度的影響

表2和表3分別給出了室外及室內采樣點附近的環(huán)境參數(shù)與細菌氣溶膠濃度分布的Spearman相關系數(shù)。如表2、3所示，室外細菌氣溶膠總濃度與可吸入顆粒物PM10質量濃度有較強的正相關性，與環(huán)境溫度呈顯著負相關。室外溫度與相對濕度的變化趨勢一致，夏季高、冬季低[38]。室內細菌氣溶膠總濃度與室內環(huán)境溫度、PM10質量濃度有較強的正相關性；從分級濃度中可以看出，室內可吸入顆粒物中細菌氣溶膠易受環(huán)境溫度的影響，而細顆粒物中的細菌氣溶膠濃度受環(huán)境溫度、相對濕度和PM10質量濃度綜合影響。

表2 室外環(huán)境參數(shù)與細菌氣溶膠濃度的Spearman相關系數(shù)

表3 室內環(huán)境參數(shù)與細菌氣溶膠濃度的Spearman相關系數(shù)

3 結論

1) 實測表明，北京地區(qū)高校教學樓室外細菌氣溶膠濃度范圍為7～1 237 cfu/m3，平均最高濃度出現(xiàn)在秋季(326 cfu/m3)，最低濃度出現(xiàn)在夏季(201 cfu/m3)。該研究結果與中國科學院生態(tài)環(huán)境科學研究中心在2003年6月至2004年5月的采樣結果相比，平均下降了91%；與2013年在農林科學院大樓的采樣結果相比，平均下降了76%。

2) 教室無人工況下，I/O比平均值小于1，細菌氣溶膠濃度為57～664 cfu/m3，季節(jié)變化不明顯；教室內細菌氣溶膠濃度主要受室外環(huán)境條件影響。

3) 教室上課期間(有人工況)，I/O比平均值大于1，細菌氣溶膠濃度為230～1 484 cfu/m3，且夏季濃度明顯高于其他季節(jié)，夏季人均可培養(yǎng)細菌氣溶膠濃度最高，為3 526 cfu/人，其余依次為秋、春、冬季，分別為2 374、1 994、1 386 cfu/人；室內細菌氣溶膠濃度主要受在室人員影響，細菌氣溶膠濃度粒徑主要分布在1.1～4.7 μm。

4) 室內細菌氣溶膠總濃度與室內環(huán)境溫度、PM10質量濃度有較強的正相關性；室內可吸入顆粒物中細菌氣溶膠易受溫度的影響，而細顆粒物中的細菌氣溶膠濃度受溫度、相對濕度和PM10質量濃度綜合影響。