室內空氣中微生物時空分布特性

1 概述

根據國際標準化組織公布的《建筑環境設計—室內空氣質量— 人居環境室內空氣質量的表述方法（》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菌、真菌、病毒、代謝毒素，與這些生物體、內毒素相關的顆粒，以及其他動植物顆粒等，它們以氣溶膠形式存在或沉積于物體表面。空氣中的微生物不會單獨存在，一般都是與空氣中的顆粒結合在一起，以氣溶膠的形式存在于空氣中，組成所謂的菌群。空氣微生物來源廣泛，土壤（固體）、水（液體）、大氣（氣體）、動物、植物、人體是其6大來源。已知存在空氣中的細菌及放線菌有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 微生物對人體的影響

科學家已經就微生物對人體健康的影響進行了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。國內外大量的調查研究證實，空氣微生物是引發各種中毒、感染和過敏疾病的主要原因之一。引發的疾病包括頭痛、發燒、哮喘、過敏性肺炎、過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構特殊、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，總面積有70 m²（人體體表面積的 40 倍）。呼吸系統的這些生理結構特征導致人體容易受到空氣傳播疾病的感染。同時，空氣的高度流動性和擴散性使病原微生物氣溶膠在空氣中四處擴散，可在短時間內產生大量病例。

2.2 非傳染性疾病

2.2.1 過敏性疾病

過敏性疾病與室內空氣品質有關，像過敏性鼻炎、過敏性哮喘、支氣管肺部曲霉菌病，它們都能夠影響到下呼吸道和肺泡。哮喘主要對病毒、塵螨、霉菌和動物皮屑敏感。

2.2.2 中毒反應

當人體暴露于微生物污染的室內空氣中，微生物的代謝副產物（細菌內毒素，真菌毒素和大量的各種揮發性有機物）能引起機體中毒。己經分離出來的能引起機體中毒反應的微生物有曲霉菌、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律

氣溶膠微粒的運動除與空氣動力學特性有關外，還與顆粒物本身所受各種力場有關。氣溶膠是個非常復雜的運動著的粒子體系，在這個體系中粒子受到各種力場的作用，經歷著復雜的物理、化學變化。粒子之間，粒子與周圍氣體之間不斷地發生著相互作用。作用于微粒上的力，可以大致歸納為質量力、分子作用力、場力、粒子間的吸引力及氣流力5種。

3.1 單個氣溶膠微粒的運動方程

單個氣溶膠微粒的運動方程可以從牛頓第二定律直接推導出來。

其中：m 為單個氣溶膠微粒的質量，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 氣溶膠顆粒擴散模型

微生物氣溶膠按三維空間規律播散到一切空氣可達到的環境中去。由于影響擴散過程的條件很多，所以該擴散過程非常復雜。微生物學家建立和發展了許多擴散模型，其中應用較多的是高斯擴散模型。

高斯擴散模型是在大量實測資料分析的基礎上，應用湍流統計理論得到的正態分布假設下的擴散模式。一般把氣溶膠源在地面上的投影點作為坐標原點，x 軸正向沿平均風向水平延伸；y 軸在水平面上垂直于 x 軸，x 軸左側為正；z 軸垂直于水平面，向上為正，形成右手坐標系。任一點（x,y,z）的濃度分布函數為：

式中：C 為空間點（x,y,z）的氣溶膠濃度；Q 為連續點源濃度；u 為平均風速；為水平面上氣溶膠的標準差；為垂直面上氣溶膠的標準差。

3.3 空調系統風管內氣溶膠微粒的沉降

隨著建筑物的密閉程度越來越高，室內的通風換氣主要依靠通風空調系統。通風空調系統由于長期運行、設計管理不當等原因，系統風管污染嚴重，其主要的污染物是懸浮顆粒和微生物。顆粒粒徑、紊流強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，經驗公式被認為是預測氣溶膠微粒沉降的較好方法。這些公式是根據實驗數據調整而來，因此通常能很好地反映實驗數據；但當流場條件不同時，這些公式不能幫助我們了解氣溶膠微粒的行為或預測氣溶膠微粒的沉降。對于3種不同的沉降情況下垂直表面的沉降最常見的經驗公式表示如下（Papavergos & Hedley，1984）：

擴散區（t^＋< ~ 0.1）：v_d⁺=k₁Sc^-2/3

擴散－碰撞區（~0.1<t^＋< ~10）：v_d+=k₂t＋2

慣性緩沖區（~10<t^＋）：v_d+= k₃

其中 k₁，k₂，k₃是經驗常數，Sc 是氣溶膠微粒斯密特數。

4 微生物分布規律

4.1 室內空氣微生物分布規律

a）粒徑特征

微生物氣溶膠在空氣中的行為與其粒徑、密度和形態密切相關，而空氣微生物的中值直徑是衡量其粒徑大小的重要標準。特定的空氣微生物具有特定的動力學粒徑：風媒傳粉的植物花粉為 17μm~58 μm，真菌孢子為 1μm~30μm，細菌為0.25μm~8μm，病毒則小于0.3μm。空氣細菌的粒徑主要在0.3 μm~15.0 μm 間變化，室內 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 Wright報道各種球菌占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構和物種組成上得到有意義的結論：空氣中的優勢細菌屬為芽孢桿菌屬、微球菌屬、葡萄球菌屬、假單胞菌屬等；優勢真菌屬為枝孢菌屬、鏈格孢屬、無孢菌、青霉屬和曲霉屬等。在病人集中的醫院，空氣中除了自然的微生物外，還有各種病原菌，細菌有結核桿菌、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 出現高峰，在 2：00 ― 4：00 或者 12：00―14：00 出現低峰；在鄉村地區室內空氣微生物濃度在日出時增加，正午時開始降低，之后持續增加到日落，在 21：00 和 5：00 空氣微生物濃度最低。

d）微生物群落特征

空氣微生物群落結構和物種組成及其濃度很不穩定，隨著各種環境因素及污染因子的變化，空氣微生物的種類和數量均有很大的變化。空氣微生物不僅受到溫度、濕度、風速風向、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 等證實空氣細菌濃度隨著溫度的增加而增加。Tong 等研究發現，光照對室內空氣細菌有明顯的致死作用，其致死程度與光照劑量線性相關；夏天正午由于光輻射很強，空氣細菌的濃度最低；在有遮蓋物取樣的條件下，空氣細菌比無遮蓋物條件下生長更多的群落。Fuzzi等研究表明，霧滴可作為空氣微生物氣溶膠的天然培養基，空氣細菌濃度在有霧的條件下比潔凈空氣更高，并且空氣細菌的濃度受到霧滴溫度、化學組成和酸堿度的影響，不產孢細菌的濃度與霧滴的溫度（r=0.93）和 pH（r=0.86）呈正相關。Lighthart在實驗室研究了一氧化碳和二氧化硫對不同空氣微生物的影響，結果表明，它們能夠減少空氣細菌的濃度。

4.2 室內空調系統微生物分布規律

為了了解集中空調通風系統的衛生狀況，國內不少單位對各地區公共場所集中空調通風系統進行了檢測。筆者結合前人的實測數據，對其分布規律進行總結。所有分析依據衛生部頒布的《公共場所集中空調通風系統衛生規范》等規范進行。

4.2.1 微生物污染部件

在集中通風空調系統中，管道、過濾器、換熱器、冷卻盤管、以及冷卻塔、凝結水盤等是容易產生微生物污染的設備。

4.2.2 分布規律

a）總體污染狀況

通過文獻中數據得到國內部分省市公共場所集中通風空調管道系統的污染程度，如圖2所示。

通風管道的污染與室外大氣環境、氣象條件、通風管道的室內使用情況、系統運行年限、維護管理等多個因素有關，不同建筑空調通風系統污染狀況差異較大。從整體上分析，污染的程度呈現一定的地域特征。相對濕度較高的地區，微生物污染較嚴重，如上海、遼寧（樣本大部分地處大連市）和浙江。單位面積風管內表面積塵量、細菌總數、真菌總數隨系統使用年限的增加而增加。從整體上看，我國公共場所空調通風系統的污染相當嚴重，其中32.9% 為嚴重污染，49.3% 為中等污染，17.8% 為輕度污染。

b）菌譜分析

風管內表面菌類主要包括枝孢霉菌、青霉菌、曲霉菌、鏈格霉菌、無孢菌、細菌（分為革蘭氏陽性菌 G+，革蘭氏陰性菌 G- 兩種）。其中，枝孢霉菌、青霉菌在每個系統中普遍存在，是主要的成分；革蘭氏陽性、陰性菌在風道中均存在。各種主要菌種檢測結果見表1。

c）空調系統設備污染情況

目前，國內對空調通風系統的污染調查多為對風管污染的測試，對過濾器、表冷器等部件的污染狀況進行調查和研究的甚少。對上海2棟建筑進行調查得到的結果（見表2）結果（見表2）顯示，這些部位的微生物污染狀況比風管內表面更加嚴重。

5 結論

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。本文介紹了室內空氣中微生物的時空分布規律，包括其微生物氣溶膠傳播規律和分布規律。空氣中懸浮微生物的存在與室內的環境狀況緊密相關，影響其分布的因素主要包括溫度、濕度、風速及氣象條件等方面。

通風空調系統是容易滋生微生物的場所，微生物的生長與建筑本身和空調系統有極大的關系。不同地區、不同建筑、不同通風系統的微生物特性差異較大，對室內微生物污染進行分析和控制應根據建筑的特點和微生物特性綜合考慮。通風空調系統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入空氣中，并通過多次的沉降和懸浮被送入室內環境中，加重了室內微生物污染。空調通風系統對室內的污染程度與空調通風的各個過程有密切的關系，需要進一步的研究。