室内空气中微生物时空分布特性

1 概述

根据国际标准化组织公布的《建筑环境设计—室内空气质量— 人居环境室内空气质量的表述方法（》Building environment design-indoor air qual-ity-methods of expressing the quality of indoor air forhuman occupancy）（ISO/DIS 16814）的定义，微生物污染物主要包括细菌、真菌、病毒、代谢毒素，与这些生物体、内毒素相关的颗粒，以及其他动植物颗粒等，它们以气溶胶形式存在或沉积于物体表面。空气中的微生物不会单独存在，一般都是与空气中的颗粒结合在一起，以气溶胶的形式存在于空气中，组成所谓的菌群。空气微生物来源广泛，土壤（固体）、水（液体）、大气（气体）、动物、植物、人体是其6大来源。已知存在空气中的细菌及放线菌有1200 种，真菌有40000 种。微生物气溶胶的大小各不相同，病毒粒子径为0.15 μm~0.45μm，细菌粒子径为 0.3 μm~15 μm，真菌和真菌孢子的粒子径为1μm~100μm。图1是不同微生物气溶胶的直径示意图。

2 微生物对人体的影响

科学家已经就微生物对人体健康的影响进行了100多年的研究。有一部分微生物能引起人生病，称为病原微生物。国内外大量的调查研究证实，空气微生物是引发各种中毒、感染和过敏疾病的主要原因之一。引发的疾病包括头痛、发烧、哮喘、过敏性肺炎、过敏性皮炎以及传染性疾病。

2.1 传染性疾病

由于呼吸道的生理结构特殊、表面积大，故从鼻、咽、喉、气管、支气管到肺泡，被阻留在任何部位的病原微生物粒子都可以在该处引起感染。以成人为例，肺泡约有3亿个，总面积有70 m²（人体体表面积的 40 倍）。呼吸系统的这些生理结构特征导致人体容易受到空气传播疾病的感染。同时，空气的高度流动性和扩散性使病原微生物气溶胶在空气中四处扩散，可在短时间内产生大量病例。

2.2 非传染性疾病

2.2.1 过敏性疾病

过敏性疾病与室内空气品质有关，像过敏性鼻炎、过敏性哮喘、支气管肺部曲霉菌病，它们都能够影响到下呼吸道和肺泡。哮喘主要对病毒、尘螨、霉菌和动物皮屑敏感。

2.2.2 中毒反应

当人体暴露于微生物污染的室内空气中，微生物的代谢副产物（细菌内毒素，真菌毒素和大量的各种挥发性有机物）能引起机体中毒。己经分离出来的能引起机体中毒反应的微生物有曲霉菌、青霉菌、金丝菌素的芽体、红酵母和酵母等，主要症状有伤风流感、咽喉疼痛、腹泻、头痛、疲惫、皮炎、以及身体不适等。

3 微生物气溶胶传播规律

气溶胶微粒的运动除与空气动力学特性有关外，还与颗粒物本身所受各种力场有关。气溶胶是个非常复杂的运动着的粒子体系，在这个体系中粒子受到各种力场的作用，经历着复杂的物理、化学变化。粒子之间，粒子与周围气体之间不断地发生着相互作用。作用于微粒上的力，可以大致归纳为质量力、分子作用力、场力、粒子间的吸引力及气流力5种。

3.1 单个气溶胶微粒的运动方程

单个气溶胶微粒的运动方程可以从牛顿第二定律直接推导出来。

其中：m 为单个气溶胶微粒的质量，kg；u_Pi为气溶胶微粒在 i 方向上的速度，m/s；F_i为作用在气溶胶微粒上 i 方向上所有外力之和，kg/m·s²。

3.2 气溶胶颗粒扩散模型

微生物气溶胶按三维空间规律播散到一切空气可达到的环境中去。由于影响扩散过程的条件很多，所以该扩散过程非常复杂。微生物学家建立和发展了许多扩散模型，其中应用较多的是高斯扩散模型。

高斯扩散模型是在大量实测资料分析的基础上，应用湍流统计理论得到的正态分布假设下的扩散模式。一般把气溶胶源在地面上的投影点作为坐标原点，x 轴正向沿平均风向水平延伸；y 轴在水平面上垂直于 x 轴，x 轴左侧为正；z 轴垂直于水平面，向上为正，形成右手坐标系。任一点（x,y,z）的浓度分布函数为：

式中：C 为空间点（x,y,z）的气溶胶浓度；Q 为连续点源浓度；u 为平均风速；为水平面上气溶胶的标准差；为垂直面上气溶胶的标准差。

3.3 空调系统风管内气溶胶微粒的沉降

随着建筑物的密闭程度越来越高，室内的通风换气主要依靠通风空调系统。通风空调系统由于长期运行、设计管理不当等原因，系统风管污染严重，其主要的污染物是悬浮颗粒和微生物。颗粒粒径、紊流强度以及沉降面的粗糙程度和朝向（水平或垂直）决定着气溶胶微粒的沉降速度。

由于缺乏物理意义上满意的气溶胶微粒沉降模型，经验公式被认为是预测气溶胶微粒沉降的较好方法。这些公式是根据实验数据调整而来，因此通常能很好地反映实验数据；但当流场条件不同时，这些公式不能帮助我们了解气溶胶微粒的行为或预测气溶胶微粒的沉降。对于3种不同的沉降情况下垂直表面的沉降最常见的经验公式表示如下（Papavergos & Hedley，1984）：

扩散区（t^＋< ~ 0.1）：v_d⁺=k₁Sc^-2/3

扩散－碰撞区（~0.1<t^＋< ~10）：v_d+=k₂t＋2

惯性缓冲区（~10<t^＋）：v_d+= k₃

其中 k₁，k₂，k₃是经验常数，Sc 是气溶胶微粒斯密特数。

4 微生物分布规律

4.1 室内空气微生物分布规律

a）粒径特征

微生物气溶胶在空气中的行为与其粒径、密度和形态密切相关，而空气微生物的中值直径是衡量其粒径大小的重要标准。特定的空气微生物具有特定的动力学粒径：风媒传粉的植物花粉为 17μm~58 μm，真菌孢子为 1μm~30μm，细菌为0.25μm~8μm，病毒则小于0.3μm。空气细菌的粒径主要在0.3 μm~15.0 μm 间变化，室内 84%或更多的微生物气溶胶的粒径≥2.1 μm，并且其中值直径接近于3.6 μm。Bovallius研究表明，瑞典各种室内约 50% 空气微生物的粒径大于>8.0μm 。

b）类型特征

空气中的自然微生物主要是非病原性腐生菌。据 Wright报道各种球菌占66%，芽孢菌占 25%，还有霉菌、放线菌、病毒、蕨类孢子、花粉、微球藻类、原虫及少量厌氧芽孢菌。Mancinelli和Shel-ton等在研究空气微生物的群落结构和物种组成上得到有意义的结论：空气中的优势细菌属为芽孢杆菌属、微球菌属、葡萄球菌属、假单胞菌属等；优势真菌属为枝孢菌属、链格孢属、无孢菌、青霉属和曲霉属等。在病人集中的医院，空气中除了自然的微生物外，还有各种病原菌，细菌有结核杆菌、肺炎双球菌和绿脓杆菌等约 160 种，真菌有球孢子菌、组织胞桨菌、隐球酵母、青霉和曲霉等约600多种，病毒有鼻病毒、腺病毒等约几百种，此外还有支原体、衣原体等。

c）时空分布特征

Shaffer 等研究表明，一年中冬季空气微生物浓度最低，一天中空气微生物浓度在8：00―10：00 出现高峰，在 2：00 ― 4：00 或者 12：00―14：00 出现低峰；在乡村地区室内空气微生物浓度在日出时增加，正午时开始降低，之后持续增加到日落，在 21：00 和 5：00 空气微生物浓度最低。

d）微生物群落特征

空气微生物群落结构和物种组成及其浓度很不稳定，随着各种环境因素及污染因子的变化，空气微生物的种类和数量均有很大的变化。空气微生物不仅受到温度、湿度、风速风向、光照、雾滴等各种气象因素的影响，还受到一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、碳水化合物、二氧化硫等各种污染因子的影响。Di Giorgi 等证实空气细菌浓度随着温度的增加而增加。Tong 等研究发现，光照对室内空气细菌有明显的致死作用，其致死程度与光照剂量线性相关；夏天正午由于光辐射很强，空气细菌的浓度最低；在有遮盖物取样的条件下，空气细菌比无遮盖物条件下生长更多的群落。Fuzzi等研究表明，雾滴可作为空气微生物气溶胶的天然培养基，空气细菌浓度在有雾的条件下比洁净空气更高，并且空气细菌的浓度受到雾滴温度、化学组成和酸碱度的影响，不产孢细菌的浓度与雾滴的温度（r=0.93）和 pH（r=0.86）呈正相关。Lighthart在实验室研究了一氧化碳和二氧化硫对不同空气微生物的影响，结果表明，它们能够减少空气细菌的浓度。

4.2 室内空调系统微生物分布规律

为了了解集中空调通风系统的卫生状况，国内不少单位对各地区公共场所集中空调通风系统进行了检测。笔者结合前人的实测数据，对其分布规律进行总结。所有分析依据卫生部颁布的《公共场所集中空调通风系统卫生规范》等规范进行。

4.2.1 微生物污染部件

在集中通风空调系统中，管道、过滤器、换热器、冷却盘管、以及冷却塔、凝结水盘等是容易产生微生物污染的设备。

4.2.2 分布规律

a）总体污染状况

通过文献中数据得到国内部分省市公共场所集中通风空调管道系统的污染程度，如图2所示。

通风管道的污染与室外大气环境、气象条件、通风管道的室内使用情况、系统运行年限、维护管理等多个因素有关，不同建筑空调通风系统污染状况差异较大。从整体上分析，污染的程度呈现一定的地域特征。相对湿度较高的地区，微生物污染较严重，如上海、辽宁（样本大部分地处大连市）和浙江。单位面积风管内表面积尘量、细菌总数、真菌总数随系统使用年限的增加而增加。从整体上看，我国公共场所空调通风系统的污染相当严重，其中32.9% 为严重污染，49.3% 为中等污染，17.8% 为轻度污染。

b）菌谱分析

风管内表面菌类主要包括枝孢霉菌、青霉菌、曲霉菌、链格霉菌、无孢菌、细菌（分为革兰氏阳性菌 G+，革兰氏阴性菌 G- 两种）。其中，枝孢霉菌、青霉菌在每个系统中普遍存在，是主要的成分；革兰氏阳性、阴性菌在风道中均存在。各种主要菌种检测结果见表1。

c）空调系统设备污染情况

目前，国内对空调通风系统的污染调查多为对风管污染的测试，对过滤器、表冷器等部件的污染状况进行调查和研究的甚少。对上海2栋建筑进行调查得到的结果（见表2）结果（见表2）显示，这些部位的微生物污染状况比风管内表面更加严重。

5 结论

空气中的微生物大多附着在灰尘颗粒上，以气溶胶的形式存在于空气中。本文介绍了室内空气中微生物的时空分布规律，包括其微生物气溶胶传播规律和分布规律。空气中悬浮微生物的存在与室内的环境状况紧密相关，影响其分布的因素主要包括温度、湿度、风速及气象条件等方面。

通风空调系统是容易滋生微生物的场所，微生物的生长与建筑本身和空调系统有极大的关系。不同地区、不同建筑、不同通风系统的微生物特性差异较大，对室内微生物污染进行分析和控制应根据建筑的特点和微生物特性综合考虑。通风空调系统中的颗粒物在各种力的作用下悬浮释放,微生物附着在颗粒上以气溶胶的形式进入空气中，并通过多次的沉降和悬浮被送入室内环境中，加重了室内微生物污染。空调通风系统对室内的污染程度与空调通风的各个过程有密切的关系，需要进一步的研究。