室内空气中微生物污染控制方法研究进展

2022-01-05 10:29:59  微生物基本知识

室内空气中微生物污染控制方法研究进展

微生物菌种技术及应用

摘要:室内空气中细菌、真菌、病毒等微生物,容易引发人体健康问题。科学合理控制室内空气中微生物,有利于提升公共卫生防疫能力与提高室内空气质量。通过总结近年来室内空气中微生物污染控制方法,包括通风换气、过滤除菌、紫外辐照、等离子体、光催化、臭氧消毒、过氧乙酸消毒、二氧化氯消毒、中药消杀等,提出新型材料推进消毒灭菌技术发展,开发高效的细菌病毒过滤材料、原位灭活技术与装置,并将其应用在暖通空调新风及空气净化系统是未来的发展方向。

关键词:室内空气微生物污染控制

空气中病毒、细菌、真菌等活体,附着于细微颗粒物如尘埃粒子、水蒸气等载体上,以气溶胶的形式存在于空气中,被称为空气微生物。病毒、细菌和真菌等均会危害人体健康。目前,还在肆虐的新型冠状病毒是典型的空气传播致病微生物,对疫情的控制已成为全世界的热点问题。掌握室内微生物的来源并科学合理控制室内微生物,有利于提升公共卫生防疫能力与提高室内空气质量。

1 微生物来源

土壤、水体、大气等自然环境中的微生物是室内微生物来源之一。微生物附着在细微颗粒物如尘埃、水蒸气等载体上悬浮于大气中形成气溶胶,通过室内外空气交换进入室内。

室内环境相对湿度大的区域如卫生间、厨房等区域,以及加湿器、空调等电器设备中湿度大的模块,均容易滋生细菌和真菌等微生物。室内人员及饲养宠物的活动等都可能造成室内微生物污染。地毯、布艺沙发、窗帘等纺织品在使用过程中产生的絮状物则为微生物繁殖提供了场所。

2 室内空气中微生物污染控制方法

2.1 通风换气法

通风换气通过物理稀释有效降低了室内空气微生物浓度。常用的通风方式有自然通风和机械通风两种。

李锦卉比较了手术室两种消毒方案效果:第一组为手术后先开窗通风一定时间再密闭门窗进行空气消毒,第二组为手术后直接密闭门窗进行空气消毒,两种消毒方案密闭门窗后消毒时间相同,各统计20例进行分析。数据显示,第一组灭菌后的空气达标率明显高于第二组。于丹等测试了新风系统开启前后的教室空气中细菌和真菌浓度。结果显示,开启新风系统1.5~2.0h后,教室空气中细菌浓度平均降低82.10%,真菌浓度平均降低86.64%。随着新风量的增大,室内气溶胶污染状况有明显改善。

通风换气法本质是采用物理转移的方法降低室内微生物浓度。该法操作简单,但不能灭杀微生物,可结合其他消毒方法净化室内空气。

2.2 过滤除菌方法

空气过滤是空气流经过滤器时,其中的微生物气溶胶由于尺寸大于过滤器滤膜孔径而被拦截在过滤器上,从而去除微生物的方法。空气过滤器可以过滤病毒、细菌和颗粒物。病毒通常寄生于其他微生物上,空气中病毒及其寄生体尺寸远大于病毒本身;细菌经常以群体团聚形式存在,与其载体共存。

徐庆华等研究层流过滤除菌、空气消毒机消毒、紫外辐照3种消毒方法对手术室空气的消毒效果,数据显示,手术室无人员活动时,消毒120 min后,层流过滤法处理、空气净化机处理、紫外辐照处理后空气中自然菌消亡率分别为100%、94.47%、82.82%。在人员活动情况下,净化后污染回升率高低顺序为:紫外线消毒>空气净化机>层流过滤法,层流过滤法的空气除菌净化效果最佳。徐国洋等测试了多种空气过滤器的过滤效率。结果显示,传统空气过滤器拦截去除微生物和颗粒物效率都比较高;而紫外线(臭氧)型过滤器对微生物的拦截和原位灭杀效果更强。

较高低阻的空气过滤材料研发和应用是人们关注的焦点。驻极体纤维除具有低阻、较高的过滤作用外,还有很好的抗菌性能。纳米纤维是通过引入纳米纤维和微米纤维制备的叠层和混合结构复合材料,具有较高的微细颗粒物捕集能力,过滤性能较高。贺玮等制备出改性大豆蛋白-BC复合材料(MSPI-BC、M7S-BC和M11S-BC),该材料具有较高的过滤效率。

过滤除菌法操作简单,但只能起到过滤的作用,不能杀灭微生物,还可能为微生物繁殖提供温床,造成二次污染。现有空气净化设备和空调粗效或中效过滤材料对直径较小的病毒滤除效果不高,建议采用高效过滤材料和紫外、臭氧、室温高效催化剂等相结合的复合技术,实现对病毒的高效滤除和原位灭杀。

2.3 紫外辐照方法

紫外辐照有效的杀菌方法,波长范围是200~270 nm,此波长范围为核酸吸收光谱范围。UVC作用于微生物(病毒、细菌等),破坏其细胞组成物质核酸、蛋白质的分子结构,引起两者的交联破裂,造成细胞死亡,达到灭菌目的。

KIM等研究UVC-LED对多种细菌、真菌和病毒分别进行灭活测试,发现对UVC抵抗能力强弱为:病毒>真菌>细菌。紫外消毒可运用在多种场所。目前,大规模使用的紫外光源是汞灯,逐渐占领市场的是紫外发光二极管(UV-LED)器件。

紫外辐照消杀微生物的效果取决于环境的相对湿度、辐照剂量以及密闭空间的大小。紫外辐照具有良好灭菌效果,在病房、手术室、无菌实验室等场所应用广泛。紫外辐照消毒技术的应用相对纯熟,但紫外辐照对人体有害,不被推荐用于普通家庭室内空气的消毒净化。

2.4 等离子体技术

等离子体是在高压作用下发生的一种气体部分或完全电离产生的电子、原子、高能粒子、受激分子、活性氧等物质的集合体,这种离子化气体正、负电荷数相等,整体呈电中性,是物质存在的第四种状态。在高能紫外线光子、高能粒子、高能活性自由基团等共同作用下,微生物体内核酸和蛋白质变性失活,进而造成微生物死亡。

朱天乐等研究结果表明:直流电晕放电等离子体对室内空气中微生物和粗颗粒物(TSP和PM10)的去除效率较高,对细颗粒物(PM2.5)的去除效率略低;正极性电晕放电对微生物的去除效果高,负极性电晕放电对微生物的去除效果相对较低;等离子体对真菌灭杀效率高,对细菌灭杀效率相对较低。于龙等研究结果显示,低温等离子体空气消毒机对室内气溶胶的除菌率为:金黄色葡萄球菌为99.98%、藤黄微球菌为99.98%、噬菌体Phi X174为99.95%。李笑颜等对大巴车、小卧车、学生宿舍空气和物体表面用低温等离子体消毒机进行消毒,并进行检测与评价,数据显示,该消毒机对室内空气中自然菌的灭杀率均在90%以上,消毒效果较好,对物体表面自然菌的灭杀效果略低。

在等离子体作用下,微生物被电场捕集时会直接被灭杀。等离子空气消毒机灭杀空气微生物的同时还可以除尘,缺点是需要定期清洗滤网。

2.5 光催化方法

光催化杀菌技术主要是利用光催化剂在光的作用下产生活性氧(ROS)和自由基氧化微生物达到杀灭效果。Ti O2光催化技术灭杀微生物具有效果好、作用迅速等特点。由于Ti O2带隙较宽,只能利用占太阳光不到5%的紫外光,活性受光照强度等条件影响。

胡爱清等比较两种空气消毒器的消毒效果,结果显示,光催化空气消毒器与紫外线循环风空气消毒器的灭菌效果无明显差异。孔亚东等将制作成的Zn O/g-C3N4光催化系统用于处理密闭室内的病毒气溶胶。结果表明,制成的光催化系统对Phi X174噬菌体、MS2噬菌体及大肠杆菌气溶胶均有很好的去除效果。

光催化消毒杀菌方法可减少二次污染,可连续工作。研发性能稳定持久的紫外光驱动光催化材料和性能较好的可见光催化材料,以及将光催化氧化技术与物理吸附法、等离子体技术等结合使用已成为研究新趋势。

2.6 臭氧消毒方法

臭氧进攻微生物组成物质中的不饱和键,形成醛、酮或羰基类化合物,使核酸和蛋白质变性,从而使微生物失活。臭氧在空气中会分解产生有强氧化性的活性氧原子(O),O原子可氧化其周围存在的物质,这是臭氧杀菌的间接作用方式。臭氧在相对湿度较高的空气中杀菌效率会提高,原因是当空气的相对湿度较高时存在大量水蒸气,臭氧与H2O分子反应可生成氧化性更强的羟基自由基(·OH)。

Huang等对影响臭氧消毒效果的因素做了系统研究,发现臭氧浓度、室内相对湿度及消毒时间均对臭氧的消毒效果有显著影响。臭氧是室内环境,特别是医院环境中最有效和简单的消毒方法之一。唐燕萍等采用国产某品牌床单位臭氧消毒机以臭氧浓度≥500 mg/m3对使用中病房床单位消毒后,自然菌的平均杀灭率达到99.0%以上。

臭氧消毒主要采用高浓度臭氧,不仅危害人体健康,腐蚀建筑材料,还会对环境产生影响。较长的消毒时间,无人封闭的消毒方式限制了臭氧消毒的应用范围。探索臭氧与其他消毒方式的耦合消毒效果及其机理,提高消毒效果、降低副作用及提高消毒的经济性是未来的研究方向。

2.7 过氧乙酸、二氧化氯消毒方法

过氧乙酸是一种广谱的化学消毒剂,能灭杀大部分微生物。钱沂等研究过氧乙酸作用于空调系统时对其中微生物的灭杀效果,结果显示过氧乙酸对细菌有较好灭杀效果。尹进等试验结果显示,过氧乙酸消毒液能高效灭杀枯草杆菌芽孢、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色葡萄球菌。

二氧化氯作为消毒剂在食品、水质、室内空气等领域被广泛应用。方建龙等研究发现二氧化氯气体可灭杀室内空气中人工污染菌和自然菌。一定浓度下对白色葡萄球菌气溶胶的消除率可达到99.90%以上。贾海泉等研究不同消毒参数及实验条件对气体二氧化氯消毒效果的影响,结果显示灭菌率与气体二氧化氯浓度和作用时间呈显著正相关,在二氧化氯浓度为300×10-6,作用时间为4h条件下可完全灭杀室内空气中的微生物及其芽孢。二氧化氯消毒时适合的环境相对湿度是75%。王涛等研究发现在主动循环下气体二氧化氯可快速穿透高效空气过滤器,并有着良好的消毒效果。

过氧乙酸与二氧化氯等消毒方法为传统化学消毒技术,采用消毒剂喷洒方式进行消毒灭菌。化学试剂喷洒方法具有操作容易、成本低、应用广的特点,缺点是有残留、易腐蚀物体,对工作人员防护要求高。

2.8 中药消杀方法

中药消毒研究中常用药物有艾叶、苍术、诃子、桂枝、金银花等。艾叶含有挥发油、黄酮、甾醇及其他有机成分等,多项研究表明艾叶具有抑菌、抗病毒的作用,适用于空气消毒。应用苍术消毒具有方法简便、成本低、无毒副作用等优势。杨月娥等使用苍术挥发油喷雾剂、苍术挥发油熏蒸液,以及苍术烟熏剂进行房间消毒,结果发现在合适的剂量条件下3种类型的苍术抑菌剂对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌均有抑制作用。郭金鹏等研究发现,苍术的挥发油对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、铜绿假单胞等病原菌具有低浓度抑制和高浓度灭活作用。

中药空气消毒利用中药材植物中挥发性成分等对空气中细菌、病毒等微生物的抑制作用达到灭菌效果。中药空气消毒方法成本低廉,操作简单,克服了化学消毒剂的缺点,安全有效、对人无刺激、对物品无腐蚀,更适合在人员密度大、易污染的环境中使用。

3 研究展望

通过研究新型材料推进消毒灭菌方法,例如紫外杀菌方法,选用脉冲紫外光源照射可提升消毒效果,多波长协同照射消毒可提高紫外消毒对微生物的灭杀广谱性,222nm远紫外消毒技术具备更良好的消毒效果和良好的安全性。

开发高效的细菌病毒等微生物过滤、原位灭活技术与装置,并应用到暖通空调系统、新风系统、空气净化器等系统,实现对病原体的高效过滤和杀灭。如在空调机组及其系统内增加过滤装置和动态原位灭杀装置,对系统内的微生物载体进行过滤并使微生物灭活。


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