室內(nèi)空氣中微生物時(shí)空分布特性

1 概述

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織公布的《建筑環(huán)境設(shè)計(jì)—室內(nèi)空氣質(zhì)量— 人居環(huán)境室內(nèi)空氣質(zhì)量的表述方法（》Building environment design-indoor air qual-ity-methods of expressing the quality of indoor air forhuman occupancy）（ISO/DIS 16814）的定義，微生物污染物主要包括細(xì)菌、真菌、病毒、代謝毒素，與這些生物體、內(nèi)毒素相關(guān)的顆粒，以及其他動(dòng)植物顆粒等，它們以氣溶膠形式存在或沉積于物體表面?？諝庵械奈⑸锊粫?huì)單獨(dú)存在，一般都是與空氣中的顆粒結(jié)合在一起，以氣溶膠的形式存在于空氣中，組成所謂的菌群。空氣微生物來(lái)源廣泛，土壤（固體）、水（液體）、大氣（氣體）、動(dòng)物、植物、人體是其6大來(lái)源。已知存在空氣中的細(xì)菌及放線菌有1200 種，真菌有40000 種。微生物氣溶膠的大小各不相同，病毒粒子徑為0.15 μm~0.45μm，細(xì)菌粒子徑為 0.3 μm~15 μm，真菌和真菌孢子的粒子徑為1μm~100μm。圖1是不同微生物氣溶膠的直徑示意圖。

2 微生物對(duì)人體的影響

科學(xué)家已經(jīng)就微生物對(duì)人體健康的影響進(jìn)行了100多年的研究。有一部分微生物能引起人生病，稱為病原微生物。國(guó)內(nèi)外大量的調(diào)查研究證實(shí)，空氣微生物是引發(fā)各種中毒、感染和過(guò)敏疾病的主要原因之一。引發(fā)的疾病包括頭痛、發(fā)燒、哮喘、過(guò)敏性肺炎、過(guò)敏性皮炎以及傳染性疾病。

2.1 傳染性疾病

由于呼吸道的生理結(jié)構(gòu)特殊、表面積大，故從鼻、咽、喉、氣管、支氣管到肺泡，被阻留在任何部位的病原微生物粒子都可以在該處引起感染。以成人為例，肺泡約有3億個(gè)，總面積有70 m²（人體體表面積的 40 倍）。呼吸系統(tǒng)的這些生理結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致人體容易受到空氣傳播疾病的感染。同時(shí)，空氣的高度流動(dòng)性和擴(kuò)散性使病原微生物氣溶膠在空氣中四處擴(kuò)散，可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量病例。

2.2 非傳染性疾病

2.2.1 過(guò)敏性疾病

過(guò)敏性疾病與室內(nèi)空氣品質(zhì)有關(guān)，像過(guò)敏性鼻炎、過(guò)敏性哮喘、支氣管肺部曲霉菌病，它們都能夠影響到下呼吸道和肺泡。哮喘主要對(duì)病毒、塵螨、霉菌和動(dòng)物皮屑敏感。

2.2.2 中毒反應(yīng)

當(dāng)人體暴露于微生物污染的室內(nèi)空氣中，微生物的代謝副產(chǎn)物（細(xì)菌內(nèi)毒素，真菌毒素和大量的各種揮發(fā)性有機(jī)物）能引起機(jī)體中毒。己經(jīng)分離出來(lái)的能引起機(jī)體中毒反應(yīng)的微生物有曲霉菌、青霉菌、金絲菌素的芽體、紅酵母和酵母等，主要癥狀有傷風(fēng)流感、咽喉疼痛、腹瀉、頭痛、疲憊、皮炎、以及身體不適等。

3 微生物氣溶膠傳播規(guī)律

氣溶膠微粒的運(yùn)動(dòng)除與空氣動(dòng)力學(xué)特性有關(guān)外，還與顆粒物本身所受各種力場(chǎng)有關(guān)。氣溶膠是個(gè)非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)著的粒子體系，在這個(gè)體系中粒子受到各種力場(chǎng)的作用，經(jīng)歷著復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。粒子之間，粒子與周圍氣體之間不斷地發(fā)生著相互作用。作用于微粒上的力，可以大致歸納為質(zhì)量力、分子作用力、場(chǎng)力、粒子間的吸引力及氣流力5種。

3.1 單個(gè)氣溶膠微粒的運(yùn)動(dòng)方程

單個(gè)氣溶膠微粒的運(yùn)動(dòng)方程可以從牛頓第二定律直接推導(dǎo)出來(lái)。

其中：m 為單個(gè)氣溶膠微粒的質(zhì)量，kg；u_Pi為氣溶膠微粒在 i 方向上的速度，m/s；F_i為作用在氣溶膠微粒上 i 方向上所有外力之和，kg/m·s²。

3.2 氣溶膠顆粒擴(kuò)散模型

微生物氣溶膠按三維空間規(guī)律播散到一切空氣可達(dá)到的環(huán)境中去。由于影響擴(kuò)散過(guò)程的條件很多，所以該擴(kuò)散過(guò)程非常復(fù)雜。微生物學(xué)家建立和發(fā)展了許多擴(kuò)散模型，其中應(yīng)用較多的是高斯擴(kuò)散模型。

高斯擴(kuò)散模型是在大量實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用湍流統(tǒng)計(jì)理論得到的正態(tài)分布假設(shè)下的擴(kuò)散模式。一般把氣溶膠源在地面上的投影點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，x 軸正向沿平均風(fēng)向水平延伸；y 軸在水平面上垂直于 x 軸，x 軸左側(cè)為正；z 軸垂直于水平面，向上為正，形成右手坐標(biāo)系。任一點(diǎn)（x,y,z）的濃度分布函數(shù)為：

式中：C 為空間點(diǎn)（x,y,z）的氣溶膠濃度；Q 為連續(xù)點(diǎn)源濃度；u 為平均風(fēng)速；為水平面上氣溶膠的標(biāo)準(zhǔn)差；為垂直面上氣溶膠的標(biāo)準(zhǔn)差。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)管內(nèi)氣溶膠微粒的沉降

隨著建筑物的密閉程度越來(lái)越高，室內(nèi)的通風(fēng)換氣主要依靠通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由于長(zhǎng)期運(yùn)行、設(shè)計(jì)管理不當(dāng)?shù)仍?，系統(tǒng)風(fēng)管污染嚴(yán)重，其主要的污染物是懸浮顆粒和微生物。顆粒粒徑、紊流強(qiáng)度以及沉降面的粗糙程度和朝向（水平或垂直）決定著氣溶膠微粒的沉降速度。

由于缺乏物理意義上滿意的氣溶膠微粒沉降模型，經(jīng)驗(yàn)公式被認(rèn)為是預(yù)測(cè)氣溶膠微粒沉降的較好方法。這些公式是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整而來(lái)，因此通常能很好地反映實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；但當(dāng)流場(chǎng)條件不同時(shí)，這些公式不能幫助我們了解氣溶膠微粒的行為或預(yù)測(cè)氣溶膠微粒的沉降。對(duì)于3種不同的沉降情況下垂直表面的沉降最常見的經(jīng)驗(yàn)公式表示如下（Papavergos & Hedley，1984）：

擴(kuò)散區(qū)（t^＋< ~ 0.1）：v_d⁺=k₁Sc^-2/3

擴(kuò)散－碰撞區(qū)（~0.1<t^＋< ~10）：v_d+=k₂t＋2

慣性緩沖區(qū)（~10<t^＋）：v_d+= k₃

其中 k₁，k₂，k₃是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Sc 是氣溶膠微粒斯密特?cái)?shù)。

4 微生物分布規(guī)律

4.1 室內(nèi)空氣微生物分布規(guī)律

a）粒徑特征

微生物氣溶膠在空氣中的行為與其粒徑、密度和形態(tài)密切相關(guān)，而空氣微生物的中值直徑是衡量其粒徑大小的重要標(biāo)準(zhǔn)。特定的空氣微生物具有特定的動(dòng)力學(xué)粒徑：風(fēng)媒傳粉的植物花粉為 17μm~58 μm，真菌孢子為 1μm~30μm，細(xì)菌為0.25μm~8μm，病毒則小于0.3μm?？諝饧?xì)菌的粒徑主要在0.3 μm~15.0 μm 間變化，室內(nèi) 84%或更多的微生物氣溶膠的粒徑≥2.1 μm，并且其中值直徑接近于3.6 μm。Bovallius研究表明，瑞典各種室內(nèi)約 50% 空氣微生物的粒徑大于>8.0μm 。

b）類型特征

空氣中的自然微生物主要是非病原性腐生菌。據(jù) Wright報(bào)道各種球菌占66%，芽孢菌占 25%，還有霉菌、放線菌、病毒、蕨類孢子、花粉、微球藻類、原蟲及少量厭氧芽孢菌。Mancinelli和Shel-ton等在研究空氣微生物的群落結(jié)構(gòu)和物種組成上得到有意義的結(jié)論：空氣中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬為芽孢桿菌屬、微球菌屬、葡萄球菌屬、假單胞菌屬等；優(yōu)勢(shì)真菌屬為枝孢菌屬、鏈格孢屬、無(wú)孢菌、青霉屬和曲霉屬等。在病人集中的醫(yī)院，空氣中除了自然的微生物外，還有各種病原菌，細(xì)菌有結(jié)核桿菌、肺炎雙球菌和綠膿桿菌等約 160 種，真菌有球孢子菌、組織胞槳菌、隱球酵母、青霉和曲霉等約600多種，病毒有鼻病毒、腺病毒等約幾百種，此外還有支原體、衣原體等。

c）時(shí)空分布特征

Shaffer 等研究表明，一年中冬季空氣微生物濃度最低，一天中空氣微生物濃度在8：00―10：00 出現(xiàn)高峰，在 2：00 ― 4：00 或者 12：00―14：00 出現(xiàn)低峰；在鄉(xiāng)村地區(qū)室內(nèi)空氣微生物濃度在日出時(shí)增加，正午時(shí)開始降低，之后持續(xù)增加到日落，在 21：00 和 5：00 空氣微生物濃度最低。

d）微生物群落特征

空氣微生物群落結(jié)構(gòu)和物種組成及其濃度很不穩(wěn)定，隨著各種環(huán)境因素及污染因子的變化，空氣微生物的種類和數(shù)量均有很大的變化?？諝馕⑸锊粌H受到溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、光照、霧滴等各種氣象因素的影響，還受到一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、碳水化合物、二氧化硫等各種污染因子的影響。Di Giorgi 等證實(shí)空氣細(xì)菌濃度隨著溫度的增加而增加。Tong 等研究發(fā)現(xiàn)，光照對(duì)室內(nèi)空氣細(xì)菌有明顯的致死作用，其致死程度與光照劑量線性相關(guān)；夏天正午由于光輻射很強(qiáng)，空氣細(xì)菌的濃度最低；在有遮蓋物取樣的條件下，空氣細(xì)菌比無(wú)遮蓋物條件下生長(zhǎng)更多的群落。Fuzzi等研究表明，霧滴可作為空氣微生物氣溶膠的天然培養(yǎng)基，空氣細(xì)菌濃度在有霧的條件下比潔凈空氣更高，并且空氣細(xì)菌的濃度受到霧滴溫度、化學(xué)組成和酸堿度的影響，不產(chǎn)孢細(xì)菌的濃度與霧滴的溫度（r=0.93）和 pH（r=0.86）呈正相關(guān)。Lighthart在實(shí)驗(yàn)室研究了一氧化碳和二氧化硫?qū)Σ煌諝馕⑸锏挠绊懀Y(jié)果表明，它們能夠減少空氣細(xì)菌的濃度。

4.2 室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)微生物分布規(guī)律

為了了解集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的衛(wèi)生狀況，國(guó)內(nèi)不少單位對(duì)各地區(qū)公共場(chǎng)所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)。筆者結(jié)合前人的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。所有分析依據(jù)衛(wèi)生部頒布的《公共場(chǎng)所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》等規(guī)范進(jìn)行。

4.2.1 微生物污染部件

在集中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，管道、過(guò)濾器、換熱器、冷卻盤管、以及冷卻塔、凝結(jié)水盤等是容易產(chǎn)生微生物污染的設(shè)備。

4.2.2 分布規(guī)律

a）總體污染狀況

通過(guò)文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)得到國(guó)內(nèi)部分省市公共場(chǎng)所集中通風(fēng)空調(diào)管道系統(tǒng)的污染程度，如圖2所示。

通風(fēng)管道的污染與室外大氣環(huán)境、氣象條件、通風(fēng)管道的室內(nèi)使用情況、系統(tǒng)運(yùn)行年限、維護(hù)管理等多個(gè)因素有關(guān)，不同建筑空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)污染狀況差異較大。從整體上分析，污染的程度呈現(xiàn)一定的地域特征。相對(duì)濕度較高的地區(qū)，微生物污染較嚴(yán)重，如上海、遼寧（樣本大部分地處大連市）和浙江。單位面積風(fēng)管內(nèi)表面積塵量、細(xì)菌總數(shù)、真菌總數(shù)隨系統(tǒng)使用年限的增加而增加。從整體上看，我國(guó)公共場(chǎng)所空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的污染相當(dāng)嚴(yán)重，其中32.9% 為嚴(yán)重污染，49.3% 為中等污染，17.8% 為輕度污染。

b）菌譜分析

風(fēng)管內(nèi)表面菌類主要包括枝孢霉菌、青霉菌、曲霉菌、鏈格霉菌、無(wú)孢菌、細(xì)菌（分為革蘭氏陽(yáng)性菌 G+，革蘭氏陰性菌 G- 兩種）。其中，枝孢霉菌、青霉菌在每個(gè)系統(tǒng)中普遍存在，是主要的成分；革蘭氏陽(yáng)性、陰性菌在風(fēng)道中均存在。各種主要菌種檢測(cè)結(jié)果見表1。

c）空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備污染情況

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的污染調(diào)查多為對(duì)風(fēng)管污染的測(cè)試，對(duì)過(guò)濾器、表冷器等部件的污染狀況進(jìn)行調(diào)查和研究的甚少。對(duì)上海2棟建筑進(jìn)行調(diào)查得到的結(jié)果（見表2）結(jié)果（見表2）顯示，這些部位的微生物污染狀況比風(fēng)管內(nèi)表面更加嚴(yán)重。

5 結(jié)論

空氣中的微生物大多附著在灰塵顆粒上，以氣溶膠的形式存在于空氣中。本文介紹了室內(nèi)空氣中微生物的時(shí)空分布規(guī)律，包括其微生物氣溶膠傳播規(guī)律和分布規(guī)律。空氣中懸浮微生物的存在與室內(nèi)的環(huán)境狀況緊密相關(guān)，影響其分布的因素主要包括溫度、濕度、風(fēng)速及氣象條件等方面。

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是容易滋生微生物的場(chǎng)所，微生物的生長(zhǎng)與建筑本身和空調(diào)系統(tǒng)有極大的關(guān)系。不同地區(qū)、不同建筑、不同通風(fēng)系統(tǒng)的微生物特性差異較大，對(duì)室內(nèi)微生物污染進(jìn)行分析和控制應(yīng)根據(jù)建筑的特點(diǎn)和微生物特性綜合考慮。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的顆粒物在各種力的作用下懸浮釋放,微生物附著在顆粒上以氣溶膠的形式進(jìn)入空氣中，并通過(guò)多次的沉降和懸浮被送入室內(nèi)環(huán)境中，加重了室內(nèi)微生物污染?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)的污染程度與空調(diào)通風(fēng)的各個(gè)過(guò)程有密切的關(guān)系，需要進(jìn)一步的研究。