内嵌型净化系统对室内环境的净化效果＊

刘甜恬，易思奇，郭玉冰，周 荣

（1.广东药科大学公共卫生学院，广东 广州 510310；2.呼研所生物安全科技（广州）股份有限公司，广东 广州 510180）

自20 世纪70年代以来，新发突发传染性疾病频频爆发，严重危害着人类健康安全，阻碍社会经济的发展[1]。例如，2003年爆发的SARS（严重急性呼吸综合征）导致8 000 多人发病，774 人死亡[2-3]；2012年爆发的MERS（中东呼吸综合征冠状病毒）导致1 100 多人发病，400 多人死亡[4]；2016年的H7N9 禽流感导致721 人发病，285 人死亡[5]；2019年爆发了新型冠状病毒肺炎，自2019年新型冠状病毒大流行开始以来，截至2020-12-20，已有7 500 多万人发病，160 多万人死亡[6]。

2019年12月底，由严重急性呼吸综合征冠状病毒-2（SARS-CoV-2）引起的新型冠状病毒肺炎全球大流行爆发后，再次引起了人们对于病毒在空气中传播的可能性的探讨[7]。有研究证明，SARS-CoV-2 在室内环境中有通过空气进行传播的潜力[8]，若室内空气污染，则会导致更为严重的疾病爆发。室内活动，如北方冬天燃煤取暖、室内吸烟、点蚊香等活动均会引起室内空气质量下降。室内空气质量差已成为多种疾病的诱因，对人体健康造成巨大影响，是危害人类健康的“隐形杀手”[9]，其中，室内空气微生物的质量浓度升高将引起人们（特别是免疫力低下的老人和婴幼儿）出现呼吸道感染、过敏等症状[10-11]。例如白血病患者在化疗期间免疫功能紊乱，导致免疫力下降[12]，若室内空气质量下降则易导致患者出现化疗后感染，而化疗后感染多发生于呼吸道、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气气溶胶引起。空气中存在的大量携带各种生物特质的颗粒物，被称作生物气溶胶，颗粒物携带的病毒、细菌和毒素等，将对人类的身体健康造成巨大的影响[14-15]。《2002年世界卫生报告》指出，全球约50%的人处于室内空气污染环境中，室内环境污染已引起35.7%的呼吸道疾病，22%的慢性肺炎和15%的气管炎、支气管炎和肺癌[9]。因此，室内空气的净化对居民的公众卫生健康具有非常重要的作用。

此项研究的目的是确定内嵌型净化系统是否对室内颗粒物和室内微生物有净化效果。因此，在房间中开启内嵌型净化系统并测定房间里的空气含菌量和悬浮粒子的质量浓度，计算其净化率，评价内嵌型净化系统的空气净化效果。研究的结果有望为室内空气污染的感染防控提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 内嵌型净化系统

内嵌型净化系统主要由初效过滤网和高效过滤网组成。室内空气经由床内风机吸入进风道，空气经过初效过滤网，空气中的悬浮粒子或微生物被过滤网有效阻挡在摺与摺之间，洁净空气从另一面流出经过高效过滤网，空气中细小的悬浮粒子或微生物再一次被有效阻挡在过滤网的纤维表面上，洁净空气排出、循环，达到净化空气效果。内嵌型净化系统床体结构和净化系统工作原理如图1所示。

图1 内嵌型净化系统床体的结构和工作原理

1.2 实验试剂与设备

选择的实验试剂与设备如下：大豆酪蛋白琼脂培养基（广东环凯微生物）、电热恒温培养箱（DHP-9082B）、高压蒸汽灭菌锅，Y09-301 型激光尘埃粒子计数器（苏信环境科技有限公司）、CMI-1600微生物鉴定质谱仪（广州禾信康源医疗科技有限公司）。

1.3 采样点

在4.37 m×4.12 m×2.7 m（长×宽×高）的房间中进行实验，内嵌型净化系统净化效果实验采用五点采样法[16]，如图2所示。在房间的对角和中央离墙面水平距离大于0.5 m，垂直距离与地面约1.4 m 处设置5个采样点，采样点分布如图2（a）所示，悬浮粒子净化实验采样如图2（b）所示，微生物净化实验采样如图2（c）所示。

图2 实验采样点图

1.4 室内空气采集

选择广州大学城某高校大小、面积相同的9 间宿舍，每间宿舍居住4 人。在20：00—21：30 时间段，用Y09-301 型激光尘埃粒子计数器在房间中心处采样测定，流速为2.83 L/min，采样20 s，每点连续采样3次，取平均值为该点颗粒物的质量浓度，连续采样15 min，连续测量7 d。

在选择的9间宿舍里按照采样点的顺序依次放置、打开平板，采样30 min，然后把采集完的平板倒置在恒温培养箱（36±1）℃培养48～72 h。观察结果，并记录各平板菌落数，通过公式计算对照组的空气含菌量，并使用CMI-1600 全自动微生物质谱仪对所采集的样本进行细菌鉴定。

1.5 宿舍条件下内嵌型净化系统净化效果探究

采用五点法采样[16]，关闭房间门窗，采样过程内嵌型净化系统床体门帘处于拉开状态。用Y09-301 型激光尘埃粒子计数器在5个采样点处采样测定，流速为2.83 L/min，采样20 s，每点连续采样3 次，取平均值为该点的颗粒物的质量浓度。测定房间初始的质量浓度，记为0 min，然后分别开启床体内嵌型净化系统低挡、高挡，每隔10 min、30 min、120 min 后对各点进行采样，并计算净化系统各挡位对空气中悬浮粒子的净化率。

采用五点法采样[16]，采样过程中内嵌型净化系统床体门帘处于拉开状态。将配制好的平板，放在采样点处，按照采样点的顺序依次放置、打开平板，使平板暴露1.5 h；另取3个待用平板置于测试区内，无需摆放打开，作为本次测试的空白对照平板。采样完成，将平板放在（36±1）℃恒温培养箱中倒置培养48～72 h，观察结果，并记录各平板菌落数，通过公式计算对照组的空气含菌量。然后分别开启床体内嵌型净化系统低挡、高挡100 min，重复对照组的操作，记录各平板菌落数，计算净化系统各挡位对空气中微生物的净化率，并使用CMI-1600 全自动微生物质谱仪对所采集的样本进行细菌鉴定。

1.6 计算公式

净化率的公式为：

式（1）中：K为净化率，%；C0为0 时粒子的质量浓度；Ct为t时粒子的质量浓度。

式（2）中：C为每立方米菌落数，cfu/m3；N为平均菌落数；A为平皿面积，cm2；T为平皿暴露时间，min。

2 结果

2.1 室内环境空气

9 间宿舍室内粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子颗粒数如图3所示。在监测的7 d内，粒径大于等于0.3 μm的悬浮粒子颗粒数最高可达121 511.8个/L；最低可达13 548个/L。当空气质量指数AQI 为优、良时（AQI为34～80），室内空气粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子颗粒数低于50 000；而当空气质量指数AQI 为轻度污染（2021-04-06，AQI 为122）时，室内空气粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子颗粒数可高达10 万以上。空气质量指数AQI 与室内空气颗粒物数密切相关。在监测的7 d 内，空气质量指数AQI 没有中度污染到严重污染的情况，但就目前的结果可知，当空气污染更为严重时，室内空气颗粒物数将会更高。

图3 宿舍粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子颗粒数随时间的变化情况

9 间宿舍室内微生物及致病菌占比情况如表1所示。9 间宿舍空气含菌量平均值为160.10～643.3 cfu/m3，按照GB/T 17093—1997《室内空气中细菌总数卫生标准》中的标准，学生宿舍内的空气含菌量没有超过限值，但9 间宿舍的微生物致病菌占比平均值为5.67%～36.24%，虽然室内空气处于洁净状态，但其空气中致病菌占比较高。宿舍是学生休息、学习的场所，学生每天在宿舍的时间达到50%以上[17-18]，甚至更长时间。所以长期处在微生物致病菌高的室内空气中，对学生的身体健康有着严重影响。

表1 大学宿舍中空气含菌量及致病菌占比

空气中的颗粒物具有疏松多孔的物理结构，很容易携带病毒、细菌、花粉等过敏原[19]，形成生物气溶胶，容易引起过敏等症状，会引起呼吸道疾病[20]。细菌是空气气溶胶中的重要组成部分之一，在空气悬浮颗粒物的生物组成部分中，细菌占80%以上[21]。而空气质量与室内空气颗粒数密切相关，所以室内空气质量对长期生活在室内的人们的身体健康有着直接影响。

2.2 宿舍条件下内嵌型净化系统净化效果

以5个采样点的均值计算，净化系统低挡、高挡开启120 min 后粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子的净化率情况如表2所示。净化系统低挡、高挡开启120 min后粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子计数随时间的变化情况如图4所示，从图中可以看出，0～10 min 时悬浮粒子数下降明显，10～30 min 后粒子数下降比较缓慢，30 min 后基本达到平衡状态。

图4 悬浮粒子粒径大于等于0.3 μm 颗粒物随时间变化情况

表2 净化系统低、高挡开启120 min 后粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子净化率

净化系统开启120 min 后，低挡、高挡对粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子的净化率可达87.23%及90.61%。净化系统的低挡与高挡相比，对粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子净化率没有统计学差异（P＞0.05）。净化系统能显著降低空气中的悬浮粒子的质量浓度，对室内空气有明显的净化作用。

净化系统低挡、高挡开启100 min，平板暴露1.5 h后，房间空气含菌量如图5所示。在没有开启净化系统时，室内空气的含菌量为975.31 cfu/m3，开启净化系统低挡及高挡后，室内空气的含菌量降至61.73 cfu/m3及37.04 cfu/m3。净化系统各挡位开启100 min 后，室内空气含菌量明显降低，床体净化系统低挡及高挡对室内微生物净化率分别达到了93.67%及96.20%。净化系统的低挡与高挡相比，其对空气微生物的净化率没有统计学差异（P＞0.05）；净化系统的低挡、高挡与关闭挡相比，均有统计学差异（P＜0.05）。由此可见，净化系统能显著杀灭空气中的微生物，明显改善房间里的空气质量。

图5 净化系统开启100 min，平板暴露1.5 h 后各挡位空气含菌量变化情况

对细菌进行菌种鉴定，不开启净化系统和开启床体净化系统的微生物菌属的分布及构成比如表3所示。在对照房间中，细菌种类较多，共鉴定出9个菌属46种细菌， 前4 位优势菌属依次为微球菌属（Micrococcus）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、芽孢杆菌属（Bacillus）和莫拉菌属（Moraxella），分别占43.64%、11.82%、8.18%和8.18%。相比之下，在实验房间中，开启内嵌型净化系统后，共鉴定出3个菌属8种细菌，环境中细菌种类明显减少；开启低挡，前3位优势菌属依次为微球菌属（Micrococcus）、芽孢杆菌属（Bacillus）和葡萄球菌属（Staphylococcus），分别占33.33%、33.33%和16.67%。开启高挡，前3 位优势菌属依次为芽孢杆菌属（Bacillus）、微球菌属（Micrococcus）和葡萄球菌属（Staphylococcus），分别占45.45%、27.27%和9.09%。

表3 开启净化系统的细菌菌落菌属比例

3 讨论

由实验结果可知，该床体内嵌型净化系统在室内环境中对空气微生物和悬浮粒子均有净化效果。有研究表明，空气污染是导致呼吸道疾病的重要因素，全球因空气污染每年大约有700 万人死亡[22-23]。随着科技的发展，成年人约90% 的时间是在室内度过的[24-25]，生活在城市中的一些老人、婴儿等人群在室内生活的时间甚至高达95%[10]。2019年爆发的新型冠状病毒肺炎使人们居家隔离，但居家隔离仍存在病毒传播的风险，且易导致感染发生。更有研究表明，室内空气污染导致的发病率和死亡率比环境空气污染风险更高[26]。室内空气污染，可能会引起人们产生头痛、头晕、胸闷、各种呼吸道传染类疾病等症状，甚至影响消化系统，损害肝脏和造血系统，严重时会导致癌症，严重影响人们的身体健康，甚至可威胁到人们的生命安全[27-29]。

本研究发现，空气质量指数AQI 与室内空气颗粒数密切正相关。生物气溶胶是颗粒物的重要组成部分，对人们的健康有很大影响，如呼吸系统、心血管疾病、过敏、癌症和过早死亡等[30]。现在市场上空气净化器对空气的净化是热门话题，但随着空气净化器的种类繁多，选购不当或使用不当，不仅达不到净化空气的目的，反而会带来二次污染[31]。

由于室内空气质量与室内颗粒物密切相关，居住在室内的人们将存在感染风险，针对这一现状，团队自主研发了一款新型内嵌型净化系统，对室内空气有净化作用。本研究发现该内嵌型净化系统开启低挡、高挡120 min 后对粒径大于等于0.3 μm 的悬浮粒子净化率达到87%以上。有研究表明，颗粒物粒径越小，在人体中穿透越深[32]。当空气中粒子粒径小于10 μm时，它可进入人体的呼吸系统，沉着于小支气管内；当粒子粒径小于2.5 μm 时，能穿过肺泡；当粒子粒径小于1 μm时，会对细胞组织或循环系统造成影响[32-33]。本实验中内嵌的净化系统对粒径大于等于0.3 μm 的颗粒物有明显的净化效果，能降低颗粒物的质量浓度，减少疾病传播。

美国疾病控制预防中心调查显示，空气中浮游菌数大于500 cfu/m3时，就存在感染风险[34]。空气中微生物质量浓度过高会导致呼吸道感染和肺功能下降[35]。本研究发现，9 间宿舍的空气含菌量平均在160.10～643.31 cfu/m3，有一间宿舍空气细菌含菌量明显高于500 cfu/m3，且9 间宿舍微生物致病菌占比在5.67%～36.24%，长期居住在这样的室内环境中，对身体健康有着严重影响。

本研究发现，内嵌型净化系统对空气中病原微生物有明显的净化效果，使用净化系统后，空气中微生物的质量浓度明显降低，能降低感染的危险性。本文还对细菌种类进行了鉴定，结果发现，对照房间和实验房间大多是以微球菌属、葡萄球菌属、芽孢杆菌属等为主，它们很少通过空气传播对人类产生致病，该菌属细菌常作为条件致病菌，在免疫力低下的患者中可能会引发一系列感染。且对照房间中细菌种类繁多，条件致病菌更容易与之结合一起增加感染的风险，而实验房间中细菌数量和种类都明显减少，降低了感染风险。该床体内嵌的净化系统开启低挡和高挡100 min 后对空气微生物的净化率均可大于等于93%，说明净化系统能有效杀灭空气中的微生物，提高房间空气质量，减少空气气溶胶传播，从而降低疾病发生的可能性。总而言之，内嵌型净化系统对空气中颗粒物和微生物有明显的净化效果，能有效过滤室内环境空气中可吸入颗粒物，同时对空气微生物具有可观的消杀净化作用，能为室内空气污染的感染防控提供理论依据。