武汉市某居民区典型场所微生物气溶胶调查及健康风险评价

夏宇翔, 孙 霞, 陶瑞东, 张 萌, 郑明明, 梅运军

武汉轻工大学化学与环境工程学院, 湖北 武汉 430023

微生物气溶胶是指悬浮于大气或附着于颗粒物表面的细菌、真菌、病毒和动植物碎片等形成的胶体体系[1-3]，粒径在0.01～100 μm之间[4]，含量约为大气气溶胶总量的25%[5]. 微生物气溶胶不仅是生态系统的重要组成部分，也是评价城市空气环境质量的重要指标[6]. 由于其粒径小，可被人体吸入，因此可对人体健康造成一定的风险.

微生物气溶胶的采样方法、气溶胶来源、时空特征、粒径分布、与环境因子的相关性及对其风险评估一直为研究者所关注. 各地微生物气溶胶粒径分布存在一定差异，Nasir等[7]对不同居住环境中细菌气溶胶研究发现，室内细菌气溶胶粒径主要分布在3.3～4.7 μm之间；Zuraimi等[8]对新加坡室外环境空气中真菌气溶胶进行研究时发现，真菌气溶胶粒径在2.1～3.3 μm的范围内；许鹏程等[9]研究表明，西安市不同功能区域的细菌气溶胶粒径分布在前4级(粒径>2.1 μm)，而真菌气溶胶粒径分布在第3、4、5级(粒径为1.1～4.7 μm). 微生物气溶胶还受到环境因素的影响，Fang等[10]阐述了人流量和植被覆盖率是影响微生物气溶胶浓度的因素之一；路瑞等[11]研究显示，微生物气溶胶受到不同天气状况的影响；韩晨等[12]研究显示，可培养生物气溶胶分布特征不仅受到温度、相对湿度、风速等气象因素影响，还受到颗粒物和气体污染物的影响. 在微生物气溶胶风险评估方面，邱雄辉等[13]利用暴露风险评价模型，对污水处理厂工人及周围居民进行了健康风险评价；赵炜等[14]研究发现，男性经呼吸和皮肤感染的风险均大于女性，不同区域的风险熵值表现不同.

目前关于大型居民区典型功能场所微生物气溶胶的研究报道较少，尤其在新冠肺炎疫情防控常态化情势下，微生物气溶胶监测更应该常态化. 该研究以武汉市东西湖区常青花园居民区6个典型场所(生鲜市场、地下停车场、美食街、中心篮球场、绿地亭和中心广场)为例，重点研究微生物气溶胶浓度分布特征、可吸入颗粒物分布特征和典型场所的暴露风险系数，以期为评估典型场所微生物气溶胶引起的环境效应和健康风险提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 采样点布设

常青花园居民区位于武汉市汉口北端，交通便利、人口密集，常住居民接近13万人. 采样点选取武汉市常青花园居民区的主要公共区域，包含生鲜市场、地下停车场、美食街、中心篮球场、绿地亭和中心广场等6场所.

采样时间为2020年10—12月，气温范围为1～23 ℃，平均值为14.4 ℃；相对湿度范围为26%～96%，平均值为67.8%(见表1)，采样点空气温度和相对湿度用温湿度计(MBS-330，缙云县伟创电子有限公司)检测.

表1 采样点温湿度信息

1.2 试验方法

1.2.1采样方法

采用Andersen-6级空气微生物采样器(BY-300，常州普森电子仪器厂)收集微生物气溶胶样品，其主要性能见表2. 微生物气溶胶样品监测载体为LB固体培养基，具体组分为蛋白胨10 g/L、酵母提取物5 g/L、氯化钠10 g/L、琼脂粉12 g/L，调节pH至7.2，1.034×105Pa灭菌20 min，冷却至50 ℃左右后倒入90 mm一次性平皿后待用.

表2 BY-300空气微生物采样器技术参数

采样时空气流量为28.3 L/min，采样高度距离地面1.3～1.5 m，对应不同年龄段居民的呼吸高度. 室内采样时间5 min，室外采样时间8 min. 各典型场所在10—12月内，每月采样1次，每一场所设置3个采样点，每一采样点做3个平行样. 采样前后，使用75%的酒精对采样器各层级进行擦拭.

1.2.2试验质控和微生物菌落监测

采样完成后立即将培养皿从采样器中取出、标记且密封，并于2 h内将培养皿运回实验室，于30 ℃恒温培养箱内倒置培养，60 h后进行菌落计数.

1.2.3微生物气溶胶总浓度的计算

安德森各筛孔的微生物粒子超过一定数量后，导致通过同一筛孔撞击在同一点上的微生物粒子发生重叠，所以采集的菌落数需经过Positive-hole法(Anderson, 1958)校正处理[15]，校正公式：

(1)

式中：Pr和r分别为校正后的菌落数和实际的菌落数，CFU；N为采样器各级采样孔的个数.

根据采样时间和气体流量，利用式(2)计算各级微生物气溶胶总浓度：

C=Pr/(t×F)×1 000

(2)

式中：C为微生物气溶胶浓度，CFU/m3；t为采样时间，min；F为采样时的气体流量，L/min.

1.2.4各层级细菌、真菌在微生物气溶胶中的比例

各层级细菌、真菌所占浓度百分比分别按式(3)(4)计算：

Bi=Cbi/Cb×100%

(3)

Fi=Cfi/Cf×100%

(4)

式中：Bi为各级细菌的占比，%；Cbi为第i级细菌的浓度，CFU/m3；Cb为细菌的总浓度，CFU/m3；Fi为各级真菌的占比，%；Cfi为第i级真菌的浓度，CFU/m3；Cf为真菌的总浓度，CFU/m3.

1.2.5微生物气溶胶中可吸入颗粒物所占的比例

Pastuszka等[16]将可吸入颗粒定义为空气动力学直径小于4.7 μm的粒子，其可进入下呼吸道、细支气管和肺泡，从而导致过敏性支气管炎、过敏性肺泡炎及其他更为严重的疾病. 该研究所提及的可吸入颗粒物主要是指5 μm以下部分，对应采样器第3～6级. 细菌和真菌气溶胶可吸入部分的占比分别按式(5)(6)计算：

Rb=(Cb3+Cb4+Cb5+Cb6)/Cb×100%

(5)

Rf=(Cf3+Cf4+Cf5+Cf6)/Cf×100%

(6)

式中：Rb为细菌气溶胶可吸入部分的占比，%；Rf为真菌气溶胶可吸入部分的占比，%.

1.2.6典型场所微生物气溶胶的中值粒径

中值粒径(count median diameter，CMD)是指微生物气溶胶粒子在某一标定值左右，分布于该粒径上下的粒子数均占50%时的粒径大小. 首先将采样数据代入式(3)(4)，分别计算每一采样点分布在不同粒径处的细菌、真菌粒子所占百分比，即Bi和Fi；然后按照采样器层级(stage 1～ 6)顺序累加，计算各级的累计百分比；再根据各级累计百分比和相应的有效截留粒径(7.0、4.7、3.3、2.1、1.1和0.65 μm)，求得对数回归方程，累计百分比为50%时对应的粒径值即为微生物气溶胶菌落粒子的中值粒径[17]. 按式(7)(8)进行相关计算：

yx=a+blnx

(7)

(8)

式中：yx为小于某分级粒径(x)的各级累积百分比，%；x为某分级粒径，μm；a为截距；b为斜率.

1.2.7人群暴露健康风险评价方法

在已采集的常青花园居民区典型室内场所空气微生物气溶胶中，只有少数菌种具有致病风险且浓度较低，因此可认为微生物整体为非致癌物. 在健康风险评价中，人体经呼吸道对污染物的日均暴露剂量通过式(9)进行计算.

(9)

式中：ADDW为呼吸系统平均暴露值，CFU/(kg·d)；c为微生物气溶胶的浓度，CFU/m3；IR为呼吸速率，m3/d；EF为暴露频率，d/a；EDI为呼吸吸入途径的暴露时间，a；BW为人体质量，kg；AT为平均暴露时间，d. 暴露因子参数根据《中国人群暴露参数手册(成人卷)》进行选取，参数值见表3.

表3 暴露量计算参数[18-19]

通过式(10)计算人体健康暴露风险系数(HQ)，从而评估微生物粒子通过空气传播的危险系数.

HQ=ADDW/RfD

(10)

式中：HQ为人体健康暴露风险系数，当HQ<1时，认为微生物气溶胶风险较小或可以忽略，当HQ>1时，认为该条件下的微生物气溶胶风险较高；ADDW为平均暴露值；RfD为日暴露健康风险参考剂量，CFU/(kg·d)；该研究中RfD取值为500 CFU/(kg·d)，该值引自美国政府工业卫生工作者会议提出的健康暴露风险参考剂量[20-22].

1.2.8统计分析

利用Microsoft Excel 2010软件对数据进行统计分析.

2 结果与讨论

2.1 典型场所微生物气溶胶浓度

所有场所均检测出细菌、真菌气溶胶，其气溶胶浓度如图1所示. 由图1可知，生鲜市场微生物气溶胶总浓度最大，其次是地下停车场和美食街；绿地亭及中心广场微生物气溶胶浓度最小，且绿地亭和中心广场的浓度值差距不明显. 各采样点细菌气溶胶浓度从高到低依次为生鲜市场〔(1 525.32±1 311.31)CFU/m3〕、地下停车场〔(1 329.8±175.18)CFU/m3〕、中心篮球场〔(854.24±290.54)CFU/m3〕、美食街〔(781.8±315.46)CFU/m3〕、绿地亭〔(351.15±110.95)CFU/m3〕、中心广场〔(320.23±50.54)CFU/m3〕；真菌气溶胶浓度从高到低的顺序表现为美食街〔(1 296.82±113.84)CFU/m3〕、生鲜市场〔(842.17±165.61)CFU/m3〕、地下停车场〔(770.32±416.26)CFU/m3〕、中心篮球场〔(591.87±279.52)CFU/m3〕、中心广场〔(580.83±143.64)CFU/m3〕、绿地亭〔(554.33±305.81)CFU/m3〕.

图1 采样点微生物气溶胶浓度分布

生鲜市场细菌气溶胶浓度最高，与采样点人流量大、生鲜产品种类、交易环境有关[23-24]. 地下停车场细菌气溶胶浓度仅次于生鲜市场，分析其浓度变化可能与车流量大小有关[9]；且地下停车场为密闭场所，空气流通不畅，场内为水泥硬质路面，车流带动地面携带微生物的灰尘粒子，因此细菌气溶胶浓度较高. 真菌气溶胶浓度最高为美食街，推测其原因是美食街附近人员流动大且地理位置靠近中心公园，且已有研究[25-26]认为，真菌气溶胶与人群、植物、生产活动和自然环境有关.

对典型场所微生物气溶胶浓度进行t检验发现：存在显著差异(P<0.05)的场所为生鲜市场与绿地亭、地下停车场与中心篮球场、地下停车场与中心广场、美食街与绿地亭和中心广场；存在非常显著差异(P<0.01)的场所为地下停车场与绿地亭；其余场所差异不显著(P>0.05).

2.2 典型场所微生物气溶胶分布特征

空气颗粒物动力学粒径是决定人类暴露以及后续危害评价的重要参数，不同粒径的微生物气溶胶粒子会沉降在人体呼吸道的不同部位[27].

2.2.1细菌气溶胶可吸入颗粒物分布特征

典型场所细菌气溶胶可吸入颗粒物粒径频率分布和浓度层级分布如图2所示. 细菌气溶胶可吸入颗粒物粒径频率分别为52.05%(生鲜市场)、74.58%(地下停车场)、76.78%(美食街)、67.63%(中心篮球场)、58.91%(绿地亭)、72.41%(中心广场).

图2 各采样点细菌气溶胶可吸入颗粒物粒径频率分布

细菌气溶胶可吸入颗粒物粒径最高浓度分布于第四层级(2.1～3.3 μm)，与路瑞等[11]研究结果一致；从细菌气溶胶粒径分布上地下停车场、中心篮球场、绿地亭和中心广场较相似，第三、四、五层级(1.1～4.7 μm)较均匀，第六层级(0.65～1.1 μm)较少；而美食街细菌溶胶第六层级(0.65～1.1 μm)可吸入颗粒物占比最大，达到43.8%；生鲜市场细菌气溶胶在第六层级(0.65～1.1 μm)可吸入颗粒物占比最小，仅为4.48%.

2.2.2真菌气溶胶可吸入颗粒物分布特征

典型场所的真菌气溶胶可吸入颗粒物粒径频率分布和浓度层级分布如图3所示. 真菌气溶胶可吸入颗粒物粒径频率分布为90.63%(生鲜市场)、92.05%(地下停车场)、92.57%(美食街)、87.83%(中心篮球场)、86.59%(绿地亭)、89.23%(中心广场).

图3 各采样点真菌气溶胶可吸入颗粒物粒径频率分布

真菌气溶胶最高浓度分布于第五层级(1.1～2.1 μm)，各采样点真菌气溶胶粒径频率分布趋势比较相似，从第三层级到第五层级(>1.1 μm)逐级上升，第六层级(0.65～1.1 μm)急剧下降，与许鹏程等[9]研究结果一致. 具体而言，生鲜市场真菌可吸入颗粒物第五层级(1.1～2.1 μm)占比最大，为46.71%. 地下停车场真菌可吸入颗粒物在第六层级(0.65～1.1 μm)占比最小，仅为0.92%. 不同场所真菌气溶胶的差异性不明显，可吸入颗粒物占比均在85%～92%之间，且真菌可吸入颗粒物主要集中在第四、五层级，这些真菌粒子在呼吸系统中多沉降在二级支气管和三级支气管，对下支气管的影响较大.

2.2.3典型场所微生物气溶胶的中值粒径分布

中值粒径越小，说明粒子可被吸入的几率越高. 如图4所示，采样点微生物气溶胶中值粒径从大到小表现为美食街(3.27 μm)>中心广场(2.86 μm)>地下停车场(2.78 μm)>中心篮球场(2.64 μm)>绿地亭(2.62 μm)>生鲜市场(2.29 μm). 典型场所细菌、真菌气溶胶中值粒径统计结果(见表4)表明：除美食街外，其他场所真菌气溶胶中值粒径大于细菌气溶胶中值粒径；生鲜市场细菌和真菌气溶胶中值粒径总体较小，说明生鲜市场粒子可被吸入的几率较高，人群受感染风险较大.

表4 各采样点细菌、真菌气溶胶的中值粒径

图4 各采样点微生物气溶胶中值粒径分布

2.3 典型场所健康风险评价

参照《中国人群暴露参数手册(成人卷)》对常青花园典型场所空气中微生物进行健康风险评价. 由于受呼吸造成的健康风险要远高于皮肤接触，该试验主要以呼吸系统暴露评价来进行健康风险评估.

根据健康风险评估方法计算得出室内场所健康风险系数，结果如图5所示. 总体来说，生鲜市场暴露风险略高于地下停车场，但生鲜市场和地下停车场的风险系数均小于1；健康风险系数表明，健康风险表现为11月>12月>10月. 对于生鲜市场，由于经营者长期处于室内工作环境，可通过佩戴口罩，注意空气流通，降低呼吸系统的暴露风险[28-29].

图5 室内场所呼吸系统吸入的健康风险系数

室外场所健康风险系数如图6所示，可见健康风险表现为10月>11月>12月，说明气温逐步转冷，暴露风险指数也随之下降. 但相对于室内场所，室外场所的暴露风险明显较低，且绿地亭和中心广场的暴露风险更低，说明空旷开阔的公园绿地和中心广场空气状况较好，适合居民休闲活动[30-31].

图6 室外场所呼吸系统吸入的健康风险系数

居民区健康暴露风险指数在性别上也呈现差异，成年男性健康暴露风险指数高于成年女性，男性风险指数约为成年女性的1.2～1.3倍；但室内外健康暴露风险指数值均小于1，表明常青花园居民区微生物气溶胶引起的健康风险较小.

2.4 常青花园典型场所环境评价

采用中国科学院生态环境研究中心推荐的空气微生物评价标准[32]对常青花园典型场所空气质量进行评价，结果如表5所示. 由表5可见：美食街为轻度污染；生鲜市场和地下停车场为轻微污染；中心篮球场、绿地亭和中心广场为较清洁水平. 可见，美食街污染指数较高，建议加强环境卫生管理，生鲜市场和地下停车场为室内密闭场所，建议加强通风.

表5 常青花园典型场所空气微生物评价结果

3 结论

a) 通过对常青花园居民区典型场所微生物气溶胶调查发现，细菌和真菌气溶胶浓度最大值分别出现在生鲜市场〔(1 525.32±1 311.31)CFU/m3〕和美食街〔(1 296.82±113.84)CFU/m3〕. 以典型场所空气微生物浓度作为评价标准，得出中心篮球场、绿地亭和中心广场较为清洁，生鲜市场和地下停车场存在轻微污染，美食街污染程度较重，属轻度污染.

b) 除美食街外，不同场所真菌气溶胶中值粒径大于细菌气溶胶中值粒径，且各场所微生物气溶胶中值粒径均小于4.7 μm，反映了微生物气溶胶中可吸入颗粒较多，且易被吸入到人体下呼吸道中.

c) 10—12月健康暴露风险指数值情况较好，室内场所健康暴露风险指数值大于室外场所健康暴露风险指数值；且成年男性健康暴露风险指数大于成年女性，但所有场所健康暴露风险指数值均小于1，常青花园居民区微生物气溶胶健康暴露风险比较小.