武漢市某居民區典型場所微生物氣溶膠調查及健康風險評價

夏宇翔, 孫 霞, 陶瑞東, 張 萌, 鄭明明, 梅運軍

武漢輕工大學化學與環境工程學院, 湖北 武漢 430023

微生物氣溶膠是指懸浮于大氣或附著于顆粒物表面的細菌、真菌、病毒和動植物碎片等形成的膠體體系[1-3]，粒徑在0.01～100 μm之間[4]，含量約為大氣氣溶膠總量的25%[5]. 微生物氣溶膠不僅是生態系統的重要組成部分，也是評價城市空氣環境質量的重要指標[6]. 由于其粒徑小，可被人體吸入，因此可對人體健康造成一定的風險.

微生物氣溶膠的采樣方法、氣溶膠來源、時空特征、粒徑分布、與環境因子的相關性及對其風險評估一直為研究者所關注. 各地微生物氣溶膠粒徑分布存在一定差異，Nasir等[7]對不同居住環境中細菌氣溶膠研究發現，室內細菌氣溶膠粒徑主要分布在3.3～4.7 μm之間；Zuraimi等[8]對新加坡室外環境空氣中真菌氣溶膠進行研究時發現，真菌氣溶膠粒徑在2.1～3.3 μm的范圍內；許鵬程等[9]研究表明，西安市不同功能區域的細菌氣溶膠粒徑分布在前4級(粒徑>2.1 μm)，而真菌氣溶膠粒徑分布在第3、4、5級(粒徑為1.1～4.7 μm). 微生物氣溶膠還受到環境因素的影響，Fang等[10]闡述了人流量和植被覆蓋率是影響微生物氣溶膠濃度的因素之一；路瑞等[11]研究顯示，微生物氣溶膠受到不同天氣狀況的影響；韓晨等[12]研究顯示，可培養生物氣溶膠分布特征不僅受到溫度、相對濕度、風速等氣象因素影響，還受到顆粒物和氣體污染物的影響. 在微生物氣溶膠風險評估方面，邱雄輝等[13]利用暴露風險評價模型，對污水處理廠工人及周圍居民進行了健康風險評價；趙煒等[14]研究發現，男性經呼吸和皮膚感染的風險均大于女性，不同區域的風險熵值表現不同.

目前關于大型居民區典型功能場所微生物氣溶膠的研究報道較少，尤其在新冠肺炎疫情防控常態化情勢下，微生物氣溶膠監測更應該常態化. 該研究以武漢市東西湖區常青花園居民區6個典型場所(生鮮市場、地下停車場、美食街、中心籃球場、綠地亭和中心廣場)為例，重點研究微生物氣溶膠濃度分布特征、可吸入顆粒物分布特征和典型場所的暴露風險系數，以期為評估典型場所微生物氣溶膠引起的環境效應和健康風險提供參考依據.

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

常青花園居民區位于武漢市漢口北端，交通便利、人口密集，常住居民接近13萬人. 采樣點選取武漢市常青花園居民區的主要公共區域，包含生鮮市場、地下停車場、美食街、中心籃球場、綠地亭和中心廣場等6場所.

采樣時間為2020年10—12月，氣溫范圍為1～23 ℃，平均值為14.4 ℃；相對濕度范圍為26%～96%，平均值為67.8%(見表1)，采樣點空氣溫度和相對濕度用溫濕度計(MBS-330，縉云縣偉創電子有限公司)檢測.

表1 采樣點溫濕度信息

1.2 試驗方法

1.2.1采樣方法

采用Andersen-6級空氣微生物采樣器(BY-300，常州普森電子儀器廠)收集微生物氣溶膠樣品，其主要性能見表2. 微生物氣溶膠樣品監測載體為LB固體培養基，具體組分為蛋白胨10 g/L、酵母提取物5 g/L、氯化鈉10 g/L、瓊脂粉12 g/L，調節pH至7.2，1.034×105Pa滅菌20 min，冷卻至50 ℃左右后倒入90 mm一次性平皿后待用.

表2 BY-300空氣微生物采樣器技術參數

采樣時空氣流量為28.3 L/min，采樣高度距離地面1.3～1.5 m，對應不同年齡段居民的呼吸高度. 室內采樣時間5 min，室外采樣時間8 min. 各典型場所在10—12月內，每月采樣1次，每一場所設置3個采樣點，每一采樣點做3個平行樣. 采樣前后，使用75%的酒精對采樣器各層級進行擦拭.

1.2.2試驗質控和微生物菌落監測

采樣完成后立即將培養皿從采樣器中取出、標記且密封，并于2 h內將培養皿運回實驗室，于30 ℃恒溫培養箱內倒置培養，60 h后進行菌落計數.

1.2.3微生物氣溶膠總濃度的計算

安德森各篩孔的微生物粒子超過一定數量后，導致通過同一篩孔撞擊在同一點上的微生物粒子發生重疊，所以采集的菌落數需經過Positive-hole法(Anderson, 1958)校正處理[15]，校正公式：

(1)

式中：Pr和r分別為校正后的菌落數和實際的菌落數，CFU；N為采樣器各級采樣孔的個數.

根據采樣時間和氣體流量，利用式(2)計算各級微生物氣溶膠總濃度：

C=Pr/(t×F)×1 000

(2)

式中：C為微生物氣溶膠濃度，CFU/m3；t為采樣時間，min；F為采樣時的氣體流量，L/min.

1.2.4各層級細菌、真菌在微生物氣溶膠中的比例

各層級細菌、真菌所占濃度百分比分別按式(3)(4)計算：

Bi=Cbi/Cb×100%

(3)

Fi=Cfi/Cf×100%

(4)

式中：Bi為各級細菌的占比，%；Cbi為第i級細菌的濃度，CFU/m3；Cb為細菌的總濃度，CFU/m3；Fi為各級真菌的占比，%；Cfi為第i級真菌的濃度，CFU/m3；Cf為真菌的總濃度，CFU/m3.

1.2.5微生物氣溶膠中可吸入顆粒物所占的比例

Pastuszka等[16]將可吸入顆粒定義為空氣動力學直徑小于4.7 μm的粒子，其可進入下呼吸道、細支氣管和肺泡，從而導致過敏性支氣管炎、過敏性肺泡炎及其他更為嚴重的疾病. 該研究所提及的可吸入顆粒物主要是指5 μm以下部分，對應采樣器第3～6級. 細菌和真菌氣溶膠可吸入部分的占比分別按式(5)(6)計算：

Rb=(Cb3+Cb4+Cb5+Cb6)/Cb×100%

(5)

Rf=(Cf3+Cf4+Cf5+Cf6)/Cf×100%

(6)

式中：Rb為細菌氣溶膠可吸入部分的占比，%；Rf為真菌氣溶膠可吸入部分的占比，%.

1.2.6典型場所微生物氣溶膠的中值粒徑

中值粒徑(count median diameter，CMD)是指微生物氣溶膠粒子在某一標定值左右，分布于該粒徑上下的粒子數均占50%時的粒徑大小. 首先將采樣數據代入式(3)(4)，分別計算每一采樣點分布在不同粒徑處的細菌、真菌粒子所占百分比，即Bi和Fi；然后按照采樣器層級(stage 1～ 6)順序累加，計算各級的累計百分比；再根據各級累計百分比和相應的有效截留粒徑(7.0、4.7、3.3、2.1、1.1和0.65 μm)，求得對數回歸方程，累計百分比為50%時對應的粒徑值即為微生物氣溶膠菌落粒子的中值粒徑[17]. 按式(7)(8)進行相關計算：

yx=a+blnx

(7)

(8)

式中：yx為小于某分級粒徑(x)的各級累積百分比，%；x為某分級粒徑，μm；a為截距；b為斜率.

1.2.7人群暴露健康風險評價方法

在已采集的常青花園居民區典型室內場所空氣微生物氣溶膠中，只有少數菌種具有致病風險且濃度較低，因此可認為微生物整體為非致癌物. 在健康風險評價中，人體經呼吸道對污染物的日均暴露劑量通過式(9)進行計算.

(9)

式中：ADDW為呼吸系統平均暴露值，CFU/(kg·d)；c為微生物氣溶膠的濃度，CFU/m3；IR為呼吸速率，m3/d；EF為暴露頻率，d/a；EDI為呼吸吸入途徑的暴露時間，a；BW為人體質量，kg；AT為平均暴露時間，d. 暴露因子參數根據《中國人群暴露參數手冊(成人卷)》進行選取，參數值見表3.

表3 暴露量計算參數[18-19]

通過式(10)計算人體健康暴露風險系數(HQ)，從而評估微生物粒子通過空氣傳播的危險系數.

HQ=ADDW/RfD

(10)

式中：HQ為人體健康暴露風險系數，當HQ<1時，認為微生物氣溶膠風險較小或可以忽略，當HQ>1時，認為該條件下的微生物氣溶膠風險較高；ADDW為平均暴露值；RfD為日暴露健康風險參考劑量，CFU/(kg·d)；該研究中RfD取值為500 CFU/(kg·d)，該值引自美國政府工業衛生工作者會議提出的健康暴露風險參考劑量[20-22].

1.2.8統計分析

利用Microsoft Excel 2010軟件對數據進行統計分析.

2 結果與討論

2.1 典型場所微生物氣溶膠濃度

所有場所均檢測出細菌、真菌氣溶膠，其氣溶膠濃度如圖1所示. 由圖1可知，生鮮市場微生物氣溶膠總濃度最大，其次是地下停車場和美食街；綠地亭及中心廣場微生物氣溶膠濃度最小，且綠地亭和中心廣場的濃度值差距不明顯. 各采樣點細菌氣溶膠濃度從高到低依次為生鮮市場〔(1 525.32±1 311.31)CFU/m3〕、地下停車場〔(1 329.8±175.18)CFU/m3〕、中心籃球場〔(854.24±290.54)CFU/m3〕、美食街〔(781.8±315.46)CFU/m3〕、綠地亭〔(351.15±110.95)CFU/m3〕、中心廣場〔(320.23±50.54)CFU/m3〕；真菌氣溶膠濃度從高到低的順序表現為美食街〔(1 296.82±113.84)CFU/m3〕、生鮮市場〔(842.17±165.61)CFU/m3〕、地下停車場〔(770.32±416.26)CFU/m3〕、中心籃球場〔(591.87±279.52)CFU/m3〕、中心廣場〔(580.83±143.64)CFU/m3〕、綠地亭〔(554.33±305.81)CFU/m3〕.

圖1 采樣點微生物氣溶膠濃度分布

生鮮市場細菌氣溶膠濃度最高，與采樣點人流量大、生鮮產品種類、交易環境有關[23-24]. 地下停車場細菌氣溶膠濃度僅次于生鮮市場，分析其濃度變化可能與車流量大小有關[9]；且地下停車場為密閉場所，空氣流通不暢，場內為水泥硬質路面，車流帶動地面攜帶微生物的灰塵粒子，因此細菌氣溶膠濃度較高. 真菌氣溶膠濃度最高為美食街，推測其原因是美食街附近人員流動大且地理位置靠近中心公園，且已有研究[25-26]認為，真菌氣溶膠與人群、植物、生產活動和自然環境有關.

對典型場所微生物氣溶膠濃度進行t檢驗發現：存在顯著差異(P<0.05)的場所為生鮮市場與綠地亭、地下停車場與中心籃球場、地下停車場與中心廣場、美食街與綠地亭和中心廣場；存在非常顯著差異(P<0.01)的場所為地下停車場與綠地亭；其余場所差異不顯著(P>0.05).

2.2 典型場所微生物氣溶膠分布特征

空氣顆粒物動力學粒徑是決定人類暴露以及后續危害評價的重要參數，不同粒徑的微生物氣溶膠粒子會沉降在人體呼吸道的不同部位[27].

2.2.1細菌氣溶膠可吸入顆粒物分布特征

典型場所細菌氣溶膠可吸入顆粒物粒徑頻率分布和濃度層級分布如圖2所示. 細菌氣溶膠可吸入顆粒物粒徑頻率分別為52.05%(生鮮市場)、74.58%(地下停車場)、76.78%(美食街)、67.63%(中心籃球場)、58.91%(綠地亭)、72.41%(中心廣場).

圖2 各采樣點細菌氣溶膠可吸入顆粒物粒徑頻率分布

細菌氣溶膠可吸入顆粒物粒徑最高濃度分布于第四層級(2.1～3.3 μm)，與路瑞等[11]研究結果一致；從細菌氣溶膠粒徑分布上地下停車場、中心籃球場、綠地亭和中心廣場較相似，第三、四、五層級(1.1～4.7 μm)較均勻，第六層級(0.65～1.1 μm)較少；而美食街細菌溶膠第六層級(0.65～1.1 μm)可吸入顆粒物占比最大，達到43.8%；生鮮市場細菌氣溶膠在第六層級(0.65～1.1 μm)可吸入顆粒物占比最小，僅為4.48%.

2.2.2真菌氣溶膠可吸入顆粒物分布特征

典型場所的真菌氣溶膠可吸入顆粒物粒徑頻率分布和濃度層級分布如圖3所示. 真菌氣溶膠可吸入顆粒物粒徑頻率分布為90.63%(生鮮市場)、92.05%(地下停車場)、92.57%(美食街)、87.83%(中心籃球場)、86.59%(綠地亭)、89.23%(中心廣場).

圖3 各采樣點真菌氣溶膠可吸入顆粒物粒徑頻率分布

真菌氣溶膠最高濃度分布于第五層級(1.1～2.1 μm)，各采樣點真菌氣溶膠粒徑頻率分布趨勢比較相似，從第三層級到第五層級(>1.1 μm)逐級上升，第六層級(0.65～1.1 μm)急劇下降，與許鵬程等[9]研究結果一致. 具體而言，生鮮市場真菌可吸入顆粒物第五層級(1.1～2.1 μm)占比最大，為46.71%. 地下停車場真菌可吸入顆粒物在第六層級(0.65～1.1 μm)占比最小，僅為0.92%. 不同場所真菌氣溶膠的差異性不明顯，可吸入顆粒物占比均在85%～92%之間，且真菌可吸入顆粒物主要集中在第四、五層級，這些真菌粒子在呼吸系統中多沉降在二級支氣管和三級支氣管，對下支氣管的影響較大.

2.2.3典型場所微生物氣溶膠的中值粒徑分布

中值粒徑越小，說明粒子可被吸入的幾率越高. 如圖4所示，采樣點微生物氣溶膠中值粒徑從大到小表現為美食街(3.27 μm)>中心廣場(2.86 μm)>地下停車場(2.78 μm)>中心籃球場(2.64 μm)>綠地亭(2.62 μm)>生鮮市場(2.29 μm). 典型場所細菌、真菌氣溶膠中值粒徑統計結果(見表4)表明：除美食街外，其他場所真菌氣溶膠中值粒徑大于細菌氣溶膠中值粒徑；生鮮市場細菌和真菌氣溶膠中值粒徑總體較小，說明生鮮市場粒子可被吸入的幾率較高，人群受感染風險較大.

表4 各采樣點細菌、真菌氣溶膠的中值粒徑

圖4 各采樣點微生物氣溶膠中值粒徑分布

2.3 典型場所健康風險評價

參照《中國人群暴露參數手冊(成人卷)》對常青花園典型場所空氣中微生物進行健康風險評價. 由于受呼吸造成的健康風險要遠高于皮膚接觸，該試驗主要以呼吸系統暴露評價來進行健康風險評估.

根據健康風險評估方法計算得出室內場所健康風險系數，結果如圖5所示. 總體來說，生鮮市場暴露風險略高于地下停車場，但生鮮市場和地下停車場的風險系數均小于1；健康風險系數表明，健康風險表現為11月>12月>10月. 對于生鮮市場，由于經營者長期處于室內工作環境，可通過佩戴口罩，注意空氣流通，降低呼吸系統的暴露風險[28-29].

圖5 室內場所呼吸系統吸入的健康風險系數

室外場所健康風險系數如圖6所示，可見健康風險表現為10月>11月>12月，說明氣溫逐步轉冷，暴露風險指數也隨之下降. 但相對于室內場所，室外場所的暴露風險明顯較低，且綠地亭和中心廣場的暴露風險更低，說明空曠開闊的公園綠地和中心廣場空氣狀況較好，適合居民休閑活動[30-31].

圖6 室外場所呼吸系統吸入的健康風險系數

居民區健康暴露風險指數在性別上也呈現差異，成年男性健康暴露風險指數高于成年女性，男性風險指數約為成年女性的1.2～1.3倍；但室內外健康暴露風險指數值均小于1，表明常青花園居民區微生物氣溶膠引起的健康風險較小.

2.4 常青花園典型場所環境評價

采用中國科學院生態環境研究中心推薦的空氣微生物評價標準[32]對常青花園典型場所空氣質量進行評價，結果如表5所示. 由表5可見：美食街為輕度污染；生鮮市場和地下停車場為輕微污染；中心籃球場、綠地亭和中心廣場為較清潔水平. 可見，美食街污染指數較高，建議加強環境衛生管理，生鮮市場和地下停車場為室內密閉場所，建議加強通風.

表5 常青花園典型場所空氣微生物評價結果

3 結論

a) 通過對常青花園居民區典型場所微生物氣溶膠調查發現，細菌和真菌氣溶膠濃度最大值分別出現在生鮮市場〔(1 525.32±1 311.31)CFU/m3〕和美食街〔(1 296.82±113.84)CFU/m3〕. 以典型場所空氣微生物濃度作為評價標準，得出中心籃球場、綠地亭和中心廣場較為清潔，生鮮市場和地下停車場存在輕微污染，美食街污染程度較重，屬輕度污染.

b) 除美食街外，不同場所真菌氣溶膠中值粒徑大于細菌氣溶膠中值粒徑，且各場所微生物氣溶膠中值粒徑均小于4.7 μm，反映了微生物氣溶膠中可吸入顆粒較多，且易被吸入到人體下呼吸道中.

c) 10—12月健康暴露風險指數值情況較好，室內場所健康暴露風險指數值大于室外場所健康暴露風險指數值；且成年男性健康暴露風險指數大于成年女性，但所有場所健康暴露風險指數值均小于1，常青花園居民區微生物氣溶膠健康暴露風險比較小.