不同气候区城市公共建筑内微生物浓度对比分析*

东南大学 王聖齐 叶 瑾 孙 帆 郭康旗 诸葛阳 钱 华

0 引言

现代人一生中平均有约90%的时间在室内生活和工作[1-2]。室内空气质量(IAQ)直接影响室内人员的健康和工作效率[3-5]。微生物污染是室内空气污染的主要形式之一[6-8]。与空气中其他可吸入颗粒物一样，微生物粒径不同，在人体呼吸系统中的沉降位置也不同[9-10]。空气中微生物粒径范围与微生物种类有关，如细菌粒径范围约为0.25～20 μm，真菌粒径范围约为1～30 μm[11]。微生物种类不同，吸入人体后对健康的影响也不同，严重的可能导致传染病和呼吸道疾病[12]。室内微生物种类和浓度受公共建筑类型、当地气候、季节、通风方式影响[13-17]。室内微生物浓度过高时，室内人员更容易感到不适，严重时会引起呼吸道疾病[18]。目前针对公共建筑IAQ的研究多集中在空气质量的评价上，包括室内温度，相对湿度，甲醛、CO、总挥发性有机物(TVOC)和细颗粒物(PM2.5)浓度等室内环境参数，而对微生物的研究比较少。Salonen[19]、Hussin[20]、Hwang[21]、孙帆[22]等人对校园室内微生物污染情况进行了研究。Abdel等人研究了埃及图书馆、学校、儿童日托中心和医院等公共建筑中的微生物情况[17]。

我国建筑气候划分为5个区域，研究微生物水平的地域分布特性是一项繁重的工作，需要大量的测试与调研，因此，目前国内对于不同气候区的不同建筑室内环境微生物浓度差异研究较少。本文选取南京(位于夏热冬冷气候区)和昆明(位于温和气候区)2座城市，分别对这2座城市中的医院和办公楼进行了室内空气微生物的现场采样分析，研究了2种不同气候区的同类公共建筑，以及同一气候区中不同类型公共建筑中的微生物浓度差异和粒径分布情况，探究了环境参数和微生物浓度之间的相关性。

1 材料与方法

1.1 采样城市

夏热冬冷气候区和温和气候区的典型代表城市分别为南京和昆明[23-26]。南京夏季闷热、冬季湿冷，其地理坐标范围为北纬31°14′～32°37′，东经118°22′～119°14′。昆明有明显的干湿季，春季温暖、干燥少雨，夏无酷暑、雨量集中，秋季温凉、天气干燥，冬无严寒、天晴少雨，其地理坐标范围为北纬24°23′～26°22′，东经102°10′～103°40′。

1.2 采样建筑

2座城市选取的公共建筑均为医院和办公楼，南京市采样时间为2018年12月，昆明市采样时间为2019年11月。

2座城市采样信息对比如表1所示。南京采样公共建筑为：2个不同地理位置的办公楼各2间会议室、10间办公室；某医院2个门诊大厅、2个呼吸诊室、2个普通诊室、2个普通病房、2个呼吸病房和2个值班室。南京市采样总面积约为2 300 m2。昆明采样公共建筑为：某单位2间会议室、15间办公室；某医院2个门诊大厅、16间门诊诊室。昆明市采样总面积约为1 671 m2。

表1 南京、昆明采样办公建筑信息

1.3 采样方法

采样器选用Andersen 6级筛孔撞击式微生物采样器。该采样器由6个撞击器组合在一起，每一级400个采样孔，利用6次反复撞击原理，将悬浮在空气中的微生物粒子按照粒径大小不同捕获在不同的层级，它能采集的粒子粒径范围比单级的广，捕获率大于98%。Ⅰ～Ⅵ级捕获粒径范围分别为：≥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级有效截留粒子粒径分别为7.0、6.0、3.0、2.0、1.0、0.65 μm。采样时其内部相对湿度逐级增高(由第Ⅰ级的29%增至第Ⅵ级的88%)，有利于微生物存活。采样期间，采样房间门窗均处于关闭状态，房间中人员活动和平时一样，不发生改变。采样流量为28.3 L/min，采样时间为5 min，采样器距周围障碍物1 m以上。空气细菌采样使用普通营养琼脂平板(NA)，空气真菌采样使用马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)。采样前培养皿密封保存，采样后细菌培养皿在温度37 ℃环境中培养48 h后计数，真菌培养皿置于温度28 ℃、相对湿度60%的培养箱中5 d，并于第3天开始计数。计数结果校正公式见文献[22]。

1.4 微生物气溶胶浓度及各级带菌粒子百分比计算

根据校正后各级菌落数的计数结果计算微生物气溶胶浓度和各级带菌粒子百分比，计算公式如下[27-28]：

(1)

(2)

式(1)、(2)中c为微生物气溶胶浓度，cfu/m3；T为校正后6级带菌粒子总数，cfu；t为采样时间，min；F为采样流量，L/min；m为各级带菌粒子百分比。

1.5 记录环境相关参数

除南京医院外，其余建筑每次采样时检测并记录采样点环境空气的相关参数：CO2浓度、甲醛浓度、PM2.5浓度、TVOC浓度。每次采样的同时记录采样点温度和相对湿度。南京、昆明采样房间详细信息如表2、3所示。

采用SPSS 20软件进行数据统计分析。

表2 南京采样点环境参数

表3 昆明采样点环境参数

2 研究结果

2.1 空气微生物浓度特征

图1显示了南京、昆明不同类型公共建筑中微生物浓度对比。南京办公楼中的细菌浓度、真菌浓度均值分别为226、260 cfu/m3，医院中的细菌和真菌浓度均值分别为151、167 cfu/m3，办公楼室内空气细菌和真菌浓度均高于医院。昆明办公楼中的细菌浓度、真菌浓度均值分别为369、520 cfu/m3，医院中的细菌和真菌浓度均值分别为520、316 cfu/m3，采样结果和南京有区别，医院室内空气细菌浓度高于办公楼，而真菌浓度却低于办公楼。

2.2 南京、昆明微生物浓度对比

由图1可以得出，昆明医院和办公楼室内空气细菌、真菌浓度均值均高于南京。其中，昆明医院室内空气细菌浓度均值为520 cfu/m3，约为南京医院室内空气细菌浓度的3.4倍；昆明医院的真菌浓度均值为316 cfu/m3，约为南京医院室内空气真菌浓度的1.9倍。昆明办公楼室内空气细菌浓度均值为369 cfu/m3，约为南京医院室内空气细菌浓度的1.6倍；昆明办公楼的真菌浓度均值为520 cfu/m3，约为南京医院室内空气真菌浓度的2倍。

2.3 空气微生物粒径分布特征对比

南京、昆明医院办公楼中室内空气微生物粒径分布如图2、3所示。南京、昆明公共建筑室内空气细菌粒径基本呈单峰分布，峰值都出现在Ⅳ级(2.1～3.3 μm)和Ⅴ级(1.1～2.1 μm)。

图2 不同城市建筑室内空气细菌粒径分布

图3 不同城市建筑室内空气真菌粒径分布

使用SPSS软件对数据进行单因素方差分析后可得表4所示结果。

表4 Andersen分级浓度差异性比较

在Ⅱ～Ⅳ级，南京办公楼细菌浓度显著大于南京医院(P<0.05)；在Ⅰ级、Ⅴ级、Ⅵ级，南京办公楼、医院中细菌浓度没有显著差异(P>0.05)；昆明医院、办公楼室内空气细菌粒径主要分布在Ⅰ级、Ⅳ级和Ⅴ级；在Ⅰ～Ⅵ级，昆明办公楼、医院中细菌浓度没有显著差异(P>0.05)。

南京、昆明公共建筑室内空气真菌粒径基本呈单峰分布，峰值都出现在Ⅳ级(2.1～3.3 μm)和Ⅴ级(1.1～2.1 μm)。在Ⅴ级，南京办公楼真菌浓度显著大于南京医院(P<0.05)；在Ⅰ～Ⅳ级、

Ⅵ级，南京办公楼、医院中真菌浓度没有显著差异(P<0.05)。昆明医院、办公楼室内空气真菌粒径主要分布在Ⅰ级、Ⅳ级和Ⅴ级；在Ⅳ级，昆明办公楼真菌浓度均显著大于昆明医院(P<0.05)；在Ⅰ～Ⅲ级、Ⅴ级、Ⅵ级，昆明办公楼、医院中真菌浓度没有显著差异(P>0.05)。

在Ⅰ～Ⅴ级，昆明医院细菌、真菌浓度均显著高于南京医院(P<0.05)；在Ⅵ级，昆明、南京医院中细菌、真菌浓度没有显著差异(P>0.05)。

在Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅵ级，昆明办公楼细菌浓度显著高于南京办公楼(P<0.05)；在Ⅰ级、Ⅳ级、Ⅴ级，昆明、南京办公楼中细菌浓度没有显著差异(P>0.05)。在Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅳ级、Ⅵ级，昆明办公楼细菌浓度显著高于南京办公楼(P<0.05)；在Ⅲ级、Ⅴ级，昆明、南京办公楼中细菌浓度没有显著差异(P>0.05)。

2.4 室内环境参数与微生物浓度的相关性

对各公共建筑室内环境参数与空气微生物浓度进行Spearman相关性分析，结果如表5所示。昆明医院中的温度与细菌和真菌浓度均存在显著负相关(P<0.05)，南京办公楼、昆明医院、昆明办公楼内的相对湿度和真菌浓度之间的相关系数为1。

表5 室内环境参数与微生物浓度的相关系数

3 讨论

3.1 微生物浓度特征对比

研究发现，温和气候区室内空气中微生物浓度整体上高于夏热冬冷气候区，其原因可能与气候区的地理环境及气候环境有关。相同季节，不同气候区的温湿度及CO2浓度存在差异性，而温湿度和CO2均会对微生物浓度产生影响[29-32]。温和地区温湿度变化较小，因此比夏热冬冷气候区更适宜微生物生长[33]。夏热冬冷气候区医院内测得的真菌浓度低于办公楼，与温和气候区测量结果相反，其原因可能与所选的采样房间类型有关，南京医院采样房间多为值班室或病房，人流量较小，而昆明医院采样房间基本都为诊室，空间小且人流量和人流密度较大。因此，建筑物室内微生物浓度在一定程度上受人流量影响，与文献[29-30]中的研究结论一致。夏热冬冷地区办公楼采样点的人流量高于医院，导致办公楼内的微生物浓度水平高于医院。温和气候区医院采样点人流量和人流密度远高于办公楼的采样房间，办公楼内细菌浓度低于医院，而真菌浓度却高于医院浓度水平，其原因可能是办公楼中的真菌源强度大于医院中的真菌源强度。南京医院、办公楼和昆明办公楼采样房间外面均有大面积绿化带，昆明医院采样房间周围都是高楼，绿化面积较少，而绿化面积对室内环境来说是很强的真菌源[22,31]。人流量和人流密度不同时，细菌浓度也不同，细菌浓度在一定程度上受人流量和人流密度影响，Hwang等人研究表明细菌浓度会随人口密度的增大而增大[32]。而真菌浓度则与建筑周围的绿化情况有关，Qi等人研究表明，在设置的采样点中，树叶表面的真菌浓度最高[31]，因此推测，绿化水平越高，绿化区域周围真菌浓度越高。细菌浓度是否受建筑周围绿化影响，影响程度如何，真菌浓度是否受人流量及人流密度影响，仍需后续设置相关试验进行验证。

此次2个气候区的采样均是在冬季进行，而有研究表明，室内空气微生物浓度有季节性差异[33-35]。笔者后续会考虑多季节、多气候区、多公共建筑类型的微生物浓度对比研究。

3.2 室内微生物粒径分布特征

有研究指出，居住建筑环境中粒径小于3.88 μm的颗粒均可被人员吸入[36]。Andersen采样器Ⅲ级捕获粒子直径为3.3～4.7 μm，根据Andersen采样器分级粒径情况，此处认为建筑物室内颗粒直径小于4.7 μm(Ⅲ～Ⅵ级)的均可被人吸入[37]。本研究中，南京医院、南京办公楼、昆明医院、昆明办公楼室内粒径小于4.7 μm的细菌所占比例分别为68.21%、68.44%、83.08%、68.29%，真菌所占比例分别为70.66%、80.70%、79.75%、88.85%。除昆明医院中Ⅲ～Ⅵ级细菌总占比高于真菌总占比外，其余3个测试建筑室内空气中真菌粒子含量高于细菌粒子。其原因可能为采样建筑室内环境中特有的真菌菌种粒子直径本就小于此空间中的细菌菌种粒子直径，但是否如此还需要作后续的测序研究，得到这几处的具体菌种才可确定。

南京、昆明医院及办公楼室内空气微生物粒径分布模式基本相同，粒径为1.1～3.3 μm的微生物占比最多。推测其原因可能与室内人员干扰有关，在采样时，室内人员行为和往常一样，其行为会使室内环境发生扰动，进而在一定程度上使室内微生物脱离现有状态，发生扰动，大粒径的微生物粒子会在重力作用下很快下沉，而小粒径的微生物粒子会在空中保持较长时间运动状态。而粒径为0.65～1.1 μm和粒径≥3.3 μm的微生物较少的另一个原因可能为，采样建筑内粒子直径在此范围的微生物种类原本就少。

昆明医院、办公楼内微生物浓度均分别高于南京，其原因可能是，相比于夏热冬冷气候区，温和气候区的环境更有利于微生物生长。

3.3 环境参数与微生物浓度的相关性

室内空气温湿度对微生物的生长繁殖至关重要[8,31]。本研究结果表明，昆明医院的室内温度和微生物浓度存在显著的负相关性。但昆明医院细菌、真菌浓度关系不同于南京医院，除人流量这一影响因素外，另一个原因可能为不同气候区相同建筑类型内微生物种类也有差别。昆明办公楼室内相对湿度和真菌浓度有确定关系，这一结果与前人研究结果[8]一致。

4 结论

1) 不同气候区和不同类型公共建筑的室内空气微生物浓度均存在差异。

2) 室内细菌浓度受人流量的影响较大，人流量越大，细菌浓度越高，因此人流量较大的场所应定期消毒；除室内人流量外，真菌浓度受室外污染源的影响也较大。

3) 不同气候区公共建筑室内空气微生物粒径分布模式相似，粒径为1.1～3.3 μm的微生物颗粒占比最高。

4) 不同气候区公共建筑室内空气真菌浓度和相对湿度存在确定关系，昆明医院测得的微生物浓度与室内温度存在显著相关性。