內嵌型凈化系統對室內環境的凈化效果＊

劉甜恬，易思奇，郭玉冰，周 榮

（1.廣東藥科大學公共衛生學院，廣東 廣州 510310；2.呼研所生物安全科技（廣州）股份有限公司，廣東 廣州 510180）

自20 世紀70年代以來，新發突發傳染性疾病頻頻爆發，嚴重危害著人類健康安全，阻礙社會經濟的發展[1]。例如，2003年爆發的SARS（嚴重急性呼吸綜合征）導致8 000 多人發病，774 人死亡[2-3]；2012年爆發的MERS（中東呼吸綜合征冠狀病毒）導致1 100 多人發病，400 多人死亡[4]；2016年的H7N9 禽流感導致721 人發病，285 人死亡[5]；2019年爆發了新型冠狀病毒肺炎，自2019年新型冠狀病毒大流行開始以來，截至2020-12-20，已有7 500 多萬人發病，160 多萬人死亡[6]。

2019年12月底，由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒-2（SARS-CoV-2）引起的新型冠狀病毒肺炎全球大流行爆發后，再次引起了人們對于病毒在空氣中傳播的可能性的探討[7]。有研究證明，SARS-CoV-2 在室內環境中有通過空氣進行傳播的潛力[8]，若室內空氣污染，則會導致更為嚴重的疾病爆發。室內活動，如北方冬天燃煤取暖、室內吸煙、點蚊香等活動均會引起室內空氣質量下降。室內空氣質量差已成為多種疾病的誘因，對人體健康造成巨大影響，是危害人類健康的“隱形殺手”[9]，其中，室內空氣微生物的質量濃度升高將引起人們（特別是免疫力低下的老人和嬰幼兒）出現呼吸道感染、過敏等癥狀[10-11]。例如白血病患者在化療期間免疫功能紊亂，導致免疫力下降[12]，若室內空氣質量下降則易導致患者出現化療后感染，而化療后感染多發生于呼吸道、消化道和口腔，以呼吸道居首位[13]，而呼吸道感染主要是由空氣氣溶膠引起?？諝庵写嬖诘拇罅繑y帶各種生物特質的顆粒物，被稱作生物氣溶膠，顆粒物攜帶的病毒、細菌和毒素等，將對人類的身體健康造成巨大的影響[14-15]?！?002年世界衛生報告》指出，全球約50%的人處于室內空氣污染環境中，室內環境污染已引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺炎和15%的氣管炎、支氣管炎和肺癌[9]。因此，室內空氣的凈化對居民的公眾衛生健康具有非常重要的作用。

此項研究的目的是確定內嵌型凈化系統是否對室內顆粒物和室內微生物有凈化效果。因此，在房間中開啟內嵌型凈化系統并測定房間里的空氣含菌量和懸浮粒子的質量濃度，計算其凈化率，評價內嵌型凈化系統的空氣凈化效果。研究的結果有望為室內空氣污染的感染防控提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 內嵌型凈化系統

內嵌型凈化系統主要由初效過濾網和高效過濾網組成。室內空氣經由床內風機吸入進風道，空氣經過初效過濾網，空氣中的懸浮粒子或微生物被過濾網有效阻擋在摺與摺之間，潔凈空氣從另一面流出經過高效過濾網，空氣中細小的懸浮粒子或微生物再一次被有效阻擋在過濾網的纖維表面上，潔凈空氣排出、循環，達到凈化空氣效果。內嵌型凈化系統床體結構和凈化系統工作原理如圖1所示。

圖1 內嵌型凈化系統床體的結構和工作原理

1.2 實驗試劑與設備

選擇的實驗試劑與設備如下：大豆酪蛋白瓊脂培養基（廣東環凱微生物）、電熱恒溫培養箱（DHP-9082B）、高壓蒸汽滅菌鍋，Y09-301 型激光塵埃粒子計數器（蘇信環境科技有限公司）、CMI-1600微生物鑒定質譜儀（廣州禾信康源醫療科技有限公司）。

1.3 采樣點

在4.37 m×4.12 m×2.7 m（長×寬×高）的房間中進行實驗，內嵌型凈化系統凈化效果實驗采用五點采樣法[16]，如圖2所示。在房間的對角和中央離墻面水平距離大于0.5 m，垂直距離與地面約1.4 m 處設置5個采樣點，采樣點分布如圖2（a）所示，懸浮粒子凈化實驗采樣如圖2（b）所示，微生物凈化實驗采樣如圖2（c）所示。

圖2 實驗采樣點圖

1.4 室內空氣采集

選擇廣州大學城某高校大小、面積相同的9 間宿舍，每間宿舍居住4 人。在20：00—21：30 時間段，用Y09-301 型激光塵埃粒子計數器在房間中心處采樣測定，流速為2.83 L/min，采樣20 s，每點連續采樣3次，取平均值為該點顆粒物的質量濃度，連續采樣15 min，連續測量7 d。

在選擇的9間宿舍里按照采樣點的順序依次放置、打開平板，采樣30 min，然后把采集完的平板倒置在恒溫培養箱（36±1）℃培養48～72 h。觀察結果，并記錄各平板菌落數，通過公式計算對照組的空氣含菌量，并使用CMI-1600 全自動微生物質譜儀對所采集的樣本進行細菌鑒定。

1.5 宿舍條件下內嵌型凈化系統凈化效果探究

采用五點法采樣[16]，關閉房間門窗，采樣過程內嵌型凈化系統床體門簾處于拉開狀態。用Y09-301 型激光塵埃粒子計數器在5個采樣點處采樣測定，流速為2.83 L/min，采樣20 s，每點連續采樣3 次，取平均值為該點的顆粒物的質量濃度。測定房間初始的質量濃度，記為0 min，然后分別開啟床體內嵌型凈化系統低擋、高擋，每隔10 min、30 min、120 min 后對各點進行采樣，并計算凈化系統各擋位對空氣中懸浮粒子的凈化率。

采用五點法采樣[16]，采樣過程中內嵌型凈化系統床體門簾處于拉開狀態。將配制好的平板，放在采樣點處，按照采樣點的順序依次放置、打開平板，使平板暴露1.5 h；另取3個待用平板置于測試區內，無需擺放打開，作為本次測試的空白對照平板。采樣完成，將平板放在（36±1）℃恒溫培養箱中倒置培養48～72 h，觀察結果，并記錄各平板菌落數，通過公式計算對照組的空氣含菌量。然后分別開啟床體內嵌型凈化系統低擋、高擋100 min，重復對照組的操作，記錄各平板菌落數，計算凈化系統各擋位對空氣中微生物的凈化率，并使用CMI-1600 全自動微生物質譜儀對所采集的樣本進行細菌鑒定。

1.6 計算公式

凈化率的公式為：

式（1）中：K為凈化率，%；C0為0 時粒子的質量濃度；Ct為t時粒子的質量濃度。

式（2）中：C為每立方米菌落數，cfu/m3；N為平均菌落數；A為平皿面積，cm2；T為平皿暴露時間，min。

2 結果

2.1 室內環境空氣

9 間宿舍室內粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子顆粒數如圖3所示。在監測的7 d內，粒徑大于等于0.3 μm的懸浮粒子顆粒數最高可達121 511.8個/L；最低可達13 548個/L。當空氣質量指數AQI 為優、良時（AQI為34～80），室內空氣粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子顆粒數低于50 000；而當空氣質量指數AQI 為輕度污染（2021-04-06，AQI 為122）時，室內空氣粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子顆粒數可高達10 萬以上。空氣質量指數AQI 與室內空氣顆粒物數密切相關。在監測的7 d 內，空氣質量指數AQI 沒有中度污染到嚴重污染的情況，但就目前的結果可知，當空氣污染更為嚴重時，室內空氣顆粒物數將會更高。

圖3 宿舍粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子顆粒數隨時間的變化情況

9 間宿舍室內微生物及致病菌占比情況如表1所示。9 間宿舍空氣含菌量平均值為160.10～643.3 cfu/m3，按照GB/T 17093—1997《室內空氣中細菌總數衛生標準》中的標準，學生宿舍內的空氣含菌量沒有超過限值，但9 間宿舍的微生物致病菌占比平均值為5.67%～36.24%，雖然室內空氣處于潔凈狀態，但其空氣中致病菌占比較高。宿舍是學生休息、學習的場所，學生每天在宿舍的時間達到50%以上[17-18]，甚至更長時間。所以長期處在微生物致病菌高的室內空氣中，對學生的身體健康有著嚴重影響。

表1 大學宿舍中空氣含菌量及致病菌占比

空氣中的顆粒物具有疏松多孔的物理結構，很容易攜帶病毒、細菌、花粉等過敏原[19]，形成生物氣溶膠，容易引起過敏等癥狀，會引起呼吸道疾病[20]。細菌是空氣氣溶膠中的重要組成部分之一，在空氣懸浮顆粒物的生物組成部分中，細菌占80%以上[21]。而空氣質量與室內空氣顆粒數密切相關，所以室內空氣質量對長期生活在室內的人們的身體健康有著直接影響。

2.2 宿舍條件下內嵌型凈化系統凈化效果

以5個采樣點的均值計算，凈化系統低擋、高擋開啟120 min 后粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子的凈化率情況如表2所示。凈化系統低擋、高擋開啟120 min后粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子計數隨時間的變化情況如圖4所示，從圖中可以看出，0～10 min 時懸浮粒子數下降明顯，10～30 min 后粒子數下降比較緩慢，30 min 后基本達到平衡狀態。

圖4 懸浮粒子粒徑大于等于0.3 μm 顆粒物隨時間變化情況

表2 凈化系統低、高擋開啟120 min 后粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子凈化率

凈化系統開啟120 min 后，低擋、高擋對粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子的凈化率可達87.23%及90.61%。凈化系統的低擋與高擋相比，對粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子凈化率沒有統計學差異（P＞0.05）。凈化系統能顯著降低空氣中的懸浮粒子的質量濃度，對室內空氣有明顯的凈化作用。

凈化系統低擋、高擋開啟100 min，平板暴露1.5 h后，房間空氣含菌量如圖5所示。在沒有開啟凈化系統時，室內空氣的含菌量為975.31 cfu/m3，開啟凈化系統低擋及高擋后，室內空氣的含菌量降至61.73 cfu/m3及37.04 cfu/m3。凈化系統各擋位開啟100 min 后，室內空氣含菌量明顯降低，床體凈化系統低擋及高擋對室內微生物凈化率分別達到了93.67%及96.20%。凈化系統的低擋與高擋相比，其對空氣微生物的凈化率沒有統計學差異（P＞0.05）；凈化系統的低擋、高擋與關閉擋相比，均有統計學差異（P＜0.05）。由此可見，凈化系統能顯著殺滅空氣中的微生物，明顯改善房間里的空氣質量。

圖5 凈化系統開啟100 min，平板暴露1.5 h 后各擋位空氣含菌量變化情況

對細菌進行菌種鑒定，不開啟凈化系統和開啟床體凈化系統的微生物菌屬的分布及構成比如表3所示。在對照房間中，細菌種類較多，共鑒定出9個菌屬46種細菌， 前4 位優勢菌屬依次為微球菌屬（Micrococcus）、葡萄球菌屬（Staphylococcus）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和莫拉菌屬（Moraxella），分別占43.64%、11.82%、8.18%和8.18%。相比之下，在實驗房間中，開啟內嵌型凈化系統后，共鑒定出3個菌屬8種細菌，環境中細菌種類明顯減少；開啟低擋，前3位優勢菌屬依次為微球菌屬（Micrococcus）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和葡萄球菌屬（Staphylococcus），分別占33.33%、33.33%和16.67%。開啟高擋，前3 位優勢菌屬依次為芽孢桿菌屬（Bacillus）、微球菌屬（Micrococcus）和葡萄球菌屬（Staphylococcus），分別占45.45%、27.27%和9.09%。

表3 開啟凈化系統的細菌菌落菌屬比例

3 討論

由實驗結果可知，該床體內嵌型凈化系統在室內環境中對空氣微生物和懸浮粒子均有凈化效果。有研究表明，空氣污染是導致呼吸道疾病的重要因素，全球因空氣污染每年大約有700 萬人死亡[22-23]。隨著科技的發展，成年人約90% 的時間是在室內度過的[24-25]，生活在城市中的一些老人、嬰兒等人群在室內生活的時間甚至高達95%[10]。2019年爆發的新型冠狀病毒肺炎使人們居家隔離，但居家隔離仍存在病毒傳播的風險，且易導致感染發生。更有研究表明，室內空氣污染導致的發病率和死亡率比環境空氣污染風險更高[26]。室內空氣污染，可能會引起人們產生頭痛、頭暈、胸悶、各種呼吸道傳染類疾病等癥狀，甚至影響消化系統，損害肝臟和造血系統，嚴重時會導致癌癥，嚴重影響人們的身體健康，甚至可威脅到人們的生命安全[27-29]。

本研究發現，空氣質量指數AQI 與室內空氣顆粒數密切正相關。生物氣溶膠是顆粒物的重要組成部分，對人們的健康有很大影響，如呼吸系統、心血管疾病、過敏、癌癥和過早死亡等[30]?，F在市場上空氣凈化器對空氣的凈化是熱門話題，但隨著空氣凈化器的種類繁多，選購不當或使用不當，不僅達不到凈化空氣的目的，反而會帶來二次污染[31]。

由于室內空氣質量與室內顆粒物密切相關，居住在室內的人們將存在感染風險，針對這一現狀，團隊自主研發了一款新型內嵌型凈化系統，對室內空氣有凈化作用。本研究發現該內嵌型凈化系統開啟低擋、高擋120 min 后對粒徑大于等于0.3 μm 的懸浮粒子凈化率達到87%以上。有研究表明，顆粒物粒徑越小，在人體中穿透越深[32]。當空氣中粒子粒徑小于10 μm時，它可進入人體的呼吸系統，沉著于小支氣管內；當粒子粒徑小于2.5 μm 時，能穿過肺泡；當粒子粒徑小于1 μm時，會對細胞組織或循環系統造成影響[32-33]。本實驗中內嵌的凈化系統對粒徑大于等于0.3 μm 的顆粒物有明顯的凈化效果，能降低顆粒物的質量濃度，減少疾病傳播。

美國疾病控制預防中心調查顯示，空氣中浮游菌數大于500 cfu/m3時，就存在感染風險[34]。空氣中微生物質量濃度過高會導致呼吸道感染和肺功能下降[35]。本研究發現，9 間宿舍的空氣含菌量平均在160.10～643.31 cfu/m3，有一間宿舍空氣細菌含菌量明顯高于500 cfu/m3，且9 間宿舍微生物致病菌占比在5.67%～36.24%，長期居住在這樣的室內環境中，對身體健康有著嚴重影響。

本研究發現，內嵌型凈化系統對空氣中病原微生物有明顯的凈化效果，使用凈化系統后，空氣中微生物的質量濃度明顯降低，能降低感染的危險性。本文還對細菌種類進行了鑒定，結果發現，對照房間和實驗房間大多是以微球菌屬、葡萄球菌屬、芽孢桿菌屬等為主，它們很少通過空氣傳播對人類產生致病，該菌屬細菌常作為條件致病菌，在免疫力低下的患者中可能會引發一系列感染。且對照房間中細菌種類繁多，條件致病菌更容易與之結合一起增加感染的風險，而實驗房間中細菌數量和種類都明顯減少，降低了感染風險。該床體內嵌的凈化系統開啟低擋和高擋100 min 后對空氣微生物的凈化率均可大于等于93%，說明凈化系統能有效殺滅空氣中的微生物，提高房間空氣質量，減少空氣氣溶膠傳播，從而降低疾病發生的可能性?？偠灾?，內嵌型凈化系統對空氣中顆粒物和微生物有明顯的凈化效果，能有效過濾室內環境空氣中可吸入顆粒物，同時對空氣微生物具有可觀的消殺凈化作用，能為室內空氣污染的感染防控提供理論依據。