超声波加湿后室内沉降微生物的浓度与分布.pdf
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1、第4 9卷 第3期2 0 2 3年6月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.3J u n.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 3-0 0 9 7-0 7 D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 1.0 7 0 1收稿日期:2 0 2 1-1 2-2 1基金项目:国家自然科学基金(5 2 0 0 8 0 7 8);上海市科技英才扬帆计划(1 9 Y F 1
2、 4 0 1 8 0 0);中央高校基本科研业务费专项资金(2 2 3 2 0 1 8 D 3-3 6)通信作者:杨自力,男,副教授,研究方向为室内控湿与建筑防霉,E-m a i l:z i l i y d h u.e d u.c n引用格式:杨自力,赵子恒,陈露安,等.超声波加湿后室内沉降微生物的浓度与分布J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(3):9 7-1 0 3.YAN G Z L,Z HAO Z H,C HE N L A,e t a l.C o n c e n t r a t i o n a n d d i s t r i b u t i o n o f m i c
3、 r o b e s s e t t l e d i n d o o r s a f t e r u l t r a s o n i c h u m i d i f i c a t i o n J.J o u r n a l o f D o n g h u a U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(3):9 7-1 0 3.超声波加湿后室内沉降微生物的浓度与分布杨自力,赵子恒,陈露安,唐慧妍,李诗彤,安妮睿(东华大学 环境科学与工程学院,上海 2 0 1 6 2 0)摘要:为明确冬季供暖室内在超声波加湿后沉降的
4、微生物浓度与空间分布,以实际办公房间为原型,通过试验模拟与群落分析,探究不同加湿水平(不加湿以及相对湿度为4 0%、5 5%、7 0%)下室内沉降的微生物以及加湿器存水中的微生物的浓度变化情况。结果表明:超声波加湿后室内沉降的微生物浓度大幅增加,其浓度增量与加湿水平密切相关,中等加湿水平下沉降的微生物浓度增量最大;在中等目标相对湿度(5 5%)下加湿1 0 d后,室内沉降的细菌浓度(8.81 04 C F U/g)、真菌浓度(5.91 04 C F U/g)分别增大至加湿前的1 3倍与5倍,远超微生物浓度标准限值(51 04 C F U/g)。沉降的微生物分布具有显著的空间分布特征,主要积聚在
5、地面,其次为加湿器的背风面、迎风面与侧面。沉降微生物中的细菌浓度与加湿器存水中的细菌浓度显著相关,加湿后后者群落中的短波单胞菌、不动杆菌、军团菌等致病菌的相对丰度增大。关键词:沉降微生物;超声波加湿;细菌;真菌;暴露风险中图分类号:TU 8 3 4 文献标志码:AC o n c e n t r a t i o n a n d d i s t r i b u t i o n o f m i c r o b e s s e t t l e d i n d o o r s a f t e r u l t r a s o n i c h u m i d i f i c a t i o nY ANG Z
6、 i l i,ZHA O Z i h e n g,CHEN L u a n,T ANG H u i y a n,L I S h i t o n g,AN N i r u i(C o l l ege o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e a n d E ngi n e e r i ng,D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i 2 0 1 6 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c o n c e n t r a t i o n o f m i c r o b e
7、 s s e t t l e d i n r o o m s a t d i f f e r e n t h u m i d i f i c a t i o n l e v e l s(n o n e-h u m i d i f i c a t i o n,r e l a t i v e h u m i d i ty i s 4 0%,5 5%a n d 7 0%)a n d i n t h e h u m i d i f i e r s t o r age w a t e r w e r e i n v e s t iga t e d t h r o ugh e xpe r i m e n
8、t a l s i m u l a t i o n s a n d c o mm u n i ty a n a lys i s u s i ng a r e a l o f f i c e r o o m a s a pr o t o ty pe,t o c l a r i fy t h e c o n c e n t r a t i o n a n d spa t i a l d i s t r i b u t i o n o f m i c r o b e s s e t t l e d i n w i n t e r h e a t i ng r o o m s a f t e r u
9、l t r a s o n i c h u m i d i f i c a t i o n.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n c e n t r a t i o n o f m i c r o b e s s e t t l e d i n d o o r s i n c r e a s e s m a r k e d ly a f t e r u l t r a s o n i c h u m i d i f i c a t i o n a n d i s c l o s e ly r e l a t e d t o t h e
10、h u m i d i f i c a t i o n l e v e l.T h e c o n c e n t r a t i o n i s t h e l a rge s t u n d e r t h e m e d i u m h u m i d i f i c a t i o n l e v e l.A f t e r 1 0-d ay h u m i d i f i c a t i o n a t m e d i u m t a rge t r e l a t i v e h u m i d i ty(5 5%),t h e c o n c e n t r a t i o n
11、o f t h e s e t t l e d b a c t e r i a(8.81 04 C F U/g)a n d f u ngi(5.91 04 C F U/g)r o a r e s t o 1 3 t i m e s a n d 5 t i m e s o f t h e i r o r igi n a l c o n c e n t r a t i o n s,r e spe c t i v e ly,f a r e x c e e d i ng t h e s t a n d a r d s l i m i t a t i o n(51 04 C F U/g)f o r m
12、i c r o b e s c o n c e n t r a t i o n s.T h e d i s t r i b u t i o n o f s e t t l e d m i c r o b e s s h o w s s ign i f i c a n t spa t i a l d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s,m a i n ly a c c u m u l a t e d o n t h e f l o o r 东华大学学报(自然科学版)第4 9卷 a n d f o l l o w e d by t
13、 h e h u m i d i f i e r spr aye r s l e e w a r d s i d e,w i n d w a r d s i d e,a n d f l a n k s i d e.T h e pa t h oge n i c b a c t e r i a l ge n e r a,s u c h a s B r e v u n d o m o n a s sp p.,L egi o n e l l a sp p.,e xpa n d f a s t i n t h e w a t e r o f t h e h u m i d i f i e r r e s
14、 e r v o i r a n d a r e s ign i f i c a n t ly c o r r e l a t e d w i t h t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e b a c t e r i a s e t t l e d i n d o o r s.K e y w o r d s:s e t t l e d m i c r o b e;u l t r a s o n i c h u m i d i f i c a t i o n;b a c t e r i a;f u ngi;e xpo s u r e r i s k
15、便携式超声波加湿器具有加湿迅速、能耗低、噪声小等优点,被广泛用于解决冬季供暖期间室内空气干燥的问题1。然而,研究2发现,使用超声波加湿器会增大室内细菌、真菌暴露风险并诱发“加湿器肺炎”等呼吸道疾病。这是由于加湿器水槽中存放的净水(简称“加湿器存水”)容易滋生微生物3。据调查4,7 7%8 9%的家用加湿器都会受到细菌、真菌等微生物的污染,这些微生物混于净水中一同被超声波加湿器雾化后送往室内,危害室内空气的品质。Y a n g等5研究发现,加湿后空气中诸如假单胞菌、不动杆菌、军团菌等具有潜在危害的细菌增多,加大了加湿室内人员的健康风险6。研究人员主要关注了超声波加湿器散发的生物气溶胶对室内空气品
16、质的直接影响,但加湿后室内沉降的微生物(简称“沉降微生物”)在人员活动等扰动下容易发生再悬浮,同样增大了室内微生物气溶胶暴露的风险。H o s p o d s k y等7-8研究发现,人员活动后室内微生物气溶胶浓度大幅增加。Q i a n等9研究发现,由人员活动引起的沉降微生物再悬浮是室内微生物气溶胶增加的主要原因,其中再悬浮细菌和再 悬 浮 真 菌 分 别 约 占 各 自 气 溶 胶 总 增 量 的8 3%和6 6%。沉降微生物再悬浮的可能性在室内加湿后进一步增大。这是由于加湿器在释放水雾时也会释放微生物颗粒,虽然水雾加速了微生物气溶胶的沉降,但由于冬季供暖期间室内水分蒸发较快,沉降微生物的
17、再悬浮风险增大1。现有研究尚未厘清加湿后室内沉降微生物的浓度变化情况及其空间分布特征等基本问题,致使室内沉降微生物的二次气溶胶化以及人员的吸入风险难以得到有效评估。本研究通过试验模拟搭建对比试验舱,在不同加湿条件(不加湿,相对湿度分别为4 0%、5 5%、7 0%)下对比分析加湿后室内沉降细菌与真菌的浓度变化与分布,以明确:超声波加湿后室内表面细菌、真菌浓度的演变规律;沉降细菌、真菌的浓度增加时,增量的主要来源与群落;室内沉降微生物浓度的空间分布特征等问题。研究可为评估并降低加湿室内沉降微生物的再悬浮及二次暴露风险提供借鉴。1 试验系统与研究方法1.1 试验装置与工况设置 本试验于2 0 2
18、1年1月(冬季)在人工气候室内开展,试验装置布局如图1所示。为确保试验条件的一致性并排除背景环境干扰,采用模拟试验法按1 5比例缩放实际办公房间,共搭建4个完全相同的试验舱,其中:3个作为加湿组,用以在不同相对湿度下同时开展加湿试验;1个试验舱 作为对照组,试验 期 间 只 供 暖 不 加 湿,以 明 确 环 境 因 素 的干扰。试验舱通过辐射电加热膜供暖(见图1,膜表面温度3 0),使空气温度稳定至(2 31)。舱内设有1台 市 面 常 见 的 超 声 波 加 湿 器(1.7 MH z,3.5 L)。采用自来水作为加湿器用水。加湿器置于试验舱角落,沿舱内对角线方向喷雾加湿,喷雾流速根据相似准
19、则1 0-1 1设置为0.8 m/s。试验舱的内墙根据气流方向依次命名为背风面、迎风面、侧面、地面,各区域灰尘采样位置分布如图1所示。图1 试验舱设置与沉降微生物采样位置(俯视图)F i g.1 S e t u p o f t h e e x p e r i m e n t a l c h a m b e r a n d s a m p l i n g l o c a t i o n s f o r t h e s e t t l e d m i c r o b e s(t o p v i e w)试验舱均匀地排列在背景空气含湿量控制为3.95.3 g/k g的人工气候室内,试验时所有试验舱同
20、时启停,以同步探究不同加湿水平下室内沉降细89 第3期杨自力,等:超声波加湿后室内沉降微生物的浓度与分布菌与真菌浓度的变化情况。试验连续开展1 0 d,工况设置与运行时间如表1所示。表1 试验工况表T a b l e 1 E x p e r i m e n t a l w o r k i n g c o n d i t i o n s试验工况相对湿度/%温度/加湿器运行时间HH7 0MH5 5LH4 0NH(对照组)2 319:0 01 7:0 0 注:“”表示不加湿。1.2 试验流程 为保证初始条件一致,试验前将人工气候室与试验舱充分通风,随后通过调节使其背景温度稳定至(1 7.51.0),
21、相对湿度为(3 53)%。用非织造布轻拭试验舱内表面,消除各舱间可能的初始沉降微生物浓度差异并完成灰尘采样。将注满自来水的加湿器放入试验舱,并采集5 0 m L加湿器初始水样。试验舱的供热与加湿:每日9:0 0准时启动电热膜及加湿器营造试验工况,使用R o t r o n i c HC 2 A-S型传感器(最大允许误差为温度0.1,相对湿度0.8%)实时监测舱内温湿度数据,待温湿度开始稳定后(约9 0 m i n),通过继电器控制电热膜与加湿器的启停,使舱内温湿度稳定在设定的工况条件下,直至1 7:0 0停止供暖加湿。每日重复上述供暖加湿过程直至加湿器中的水几乎耗尽(约1 0 d),采集5 0
22、 m L加湿器内遗留的水样。1.3 沉降细菌/真菌的采样与培养 为探究超声波连续加湿对室内沉降微生物浓度的动态影响,分别在试验初期(试验舱充分通风后)、试验中期(第5 d试验停止后)和试验末期(第1 0 d试验停止后)采集裹挟有沉降微生物的室内各测试面表面的灰尘。使用高压灭菌的非织造布采集沉降微生物样本1 2。每次在试验舱内表面的6个位置(见图1)采样3个时期的采样点不重复但相近。用5 0 mm5 0 mm的无菌非织造布擦拭采样位置,尽可能收集测试面表面的灰尘;采样前后分别称量非织造布的质量,记其质量差为m(g),即灰尘样本质量;随后将采样后的非织造布先放入装有1 5 m L体积分数为0.0
23、1%的T w e e n 8 0溶液的无菌离心管中,充分振荡洗脱灰尘,取出洗脱后的非织造布平铺于无菌培养皿中,对非织造布上残存的部分细菌与真菌进行单独培养以确保计数准确。具体方法如下:将 非 织 造 布 平 铺 于 无 菌 培 养 皿 中,加 入1 5 m L液态培养基。其中,细菌用液态营养琼脂培养基(NA,成分为蛋 白胨1 0.0 g/L、牛 肉 浸 出 粉3.0 g/L、氯化钠5.0 g/L、琼脂1 4.0 g/L)均匀混合培养,真菌用沙氏葡萄糖琼脂培养基(S D A,成分为动物组 织 胃 蛋 白 酶 水 解 物 和 胰 酪 胨 等 量 混 合 物1 0.0 g/L、葡萄糖4 0.0 g/
24、L、琼脂1 5.0 g/L)培养。记非织造布培养的细菌数为Nb a c,布(C F U),真菌数为Nf u n,布(C F U)。通过平板培养法统计离心管内洗脱溶液(V(m L)中的沉降细菌与真菌的数量:取1 m L非织造布洗脱溶液在培养皿中与1 5 m L NA共培养,冷却凝固后于3 7 培养4 8 h,计数得到溶液中细菌的浓度,记为cb a c,液(C F U/m L)。真菌培养方法类似,于2 8 培养5 d计数,记溶液中真菌的浓度为cf u n,液(C F U/m L)。由L i u等1 2提出的计算方法可知,灰尘中裹挟的沉降微生物浓度即单位质量灰尘样本中的微生物数量。则洗脱后进入洗脱液
25、的细菌总数为cb a c,液V(C F U),残 留 在 无 纺 布 上 的 细 菌 总 数 为Nb a c,布(C F U),因此采样灰尘中的细菌总数为cb a c,液V+Nb a c,布。由此可得沉降细菌浓度(C F U/g)为cb a c,沉=cb a c,液V+Nb a c,布m(1)同理,可得沉降真菌浓度(C F U/g)为cf u n,沉=cf u n,液V+Nf u n,布m(2)1.4 加湿器存水中的细菌/真菌的采样培养 为分析加湿器存水中的微生物与室内沉降细菌、真菌的浓度关系,试验期间,每日加湿结束后采集加湿器中的存留水样,采用液体培养基分别培养所采水样中的细菌与真菌并计数,
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