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公司动态

室内环境污染中传染病原的空气传播

来源:    发布时间:2020/3/16 16:46:53    点击量:

       新冠肺炎疫情爆发以来,我们先后听到了很多可能性:“飞沫传播”、“接触传播”以及“气溶胶传播”等。这些不同的传播途径具有怎样的区别和联系呢?与室内环境和室内空气又有着怎样的关系?

 

从粘膜到口鼻:传播发生的源头

       当我们呼气、说话、咳嗽、打喷嚏时,会呼出或喷出大大小小的液态微粒(这里简称液滴)。打一个喷嚏可以产生4万多个的液滴,而一声咳嗽大约产生3000个液滴。对于患有呼吸系统传染性疾病的人,呼出的部分液滴可能携带有病原体(病毒、细菌等致病微生物)。这些由呼吸道排向环境的含病原体液滴是呼吸系统疾病传播的主要源头(有的病原体还可通过粪便等排泄物进入环境,例如非典病毒),而飞沫、接触和气溶胶只是对应三个不同的传播途径。接下来,我们简要了解一下对这些液滴在人体内的产生方式、粒径分布特征及病毒含量的现有认识。

 

 

图1 呼出气中液滴的来源与产生机理示意图。(A)气道内壁黏液的不稳定性,(B)口腔模型(根据Morawska中描述的雾化机制绘制),(C)液膜破裂。

如图1所示,按照粒径分布,呼出气中的液滴大致分为三个模态,对应于不同的液滴产生部位与机制:(1)细支气管液膜破裂模态:在正常呼吸时末端细支气管周期性开闭导致在轴向上液膜形成后破裂而产生的液滴,粒径 ≤ 1 μm;(2)喉模态,当气流与呼吸道内壁粘液间的剪切力足够大时使黏液飞溅而产生的液滴,粒径 ≥ 1 μm,根据黏液厚度、黏度及表面张力的不同需要不同的临界气流流速,主要在说话、咳嗽与打喷嚏时产生;(3)口腔模态,在大声说话、咳嗽与打喷嚏时唾液雾化产生的液滴,粒径或 ≥ 100 μm。咳嗽时气管中产生的较大粒径液滴可能不会直接释放到环境中,因为它们很容易在头部呼吸道沉积。研究发现直径大于20 μm的液滴或许只产生于口腔。


我们先来比较一下不同方式产生的液滴的量。有研究显示,单次咳嗽在口罩上收集到的唾液量为1.1-6.7 mg,从1数到100为18.7 mg。正常呼吸时呼出气中液滴数浓度为1-320个/升,说话时为4-600个/升,而咳嗽时为24-23600个/升。所报道的数值间的差异可能来源于个体差异与测量方法的不同。


我们再来看一下致病微生物在这些液滴中的分布。病毒的尺寸在0.02-0.3 μm之间(注:新型冠状病毒为0.06-0.14 μm),而细菌为0.5-10 μm。病原体,特别是病毒,可能存在于呼出气携带的不同粒径段的液滴中。而液滴中病原体含量很大程度上取决于液滴在呼吸道中生成的位置和病人当时情况。致病性微生物多见于呼吸系统的某些特定部位,比如扁桃体、喉部和肺部等,而口腔前部产生很少。有研究者通过NIOSH采样器(采样上限约10 μm)测定了流感患者咳嗽产生液态微粒中流感病毒的含量,发现35%的流感病毒分布在空气动力学直径≥4 μm的微粒上,23%在1-4 μm 的微粒上,42%在≤ 1 μm的微粒上。

 

                                                从口鼻到室内环境:呼出气流的影响

 

呼吸道产生的液滴随呼出气进入环境空气,其中粒径较大的常被称为“飞沫”。一般文献认为飞沫指5 μm以上的液滴(原作者注:我们近年研究发现飞沫界限直径在50-75 μm之间)。


首先,我们看一下携带有液滴的呼出气的动力学特征。呼吸、讲话和咳嗽时气流随时间的变化可以分别用正弦函数、常数和Gamma函数来描述。呼吸时气流峰值流速约为1-5 m/s,而咳嗽时达到6-22 m/s (平均>10 m/s),打喷嚏时达50 m/s。咳嗽和打喷嚏时呼出气的高速涡旋特性特别有助于液滴向远处散布。当呼出气流较弱时,气流方向会受到身体热羽流的影响,如图2所示的戴口罩的情景。


液滴一旦随从高温高湿的呼吸道进入环境空气,水分就会迅速蒸发。在干燥的室内环境下,1 μm的液滴水分蒸发至与周围环境平衡只需要不到1毫秒,10 μm的液滴需要不到0.1秒,而100 μm的大液滴需要接近10秒;在潮湿环境下,完全蒸发时间要延长约30倍。所以, 50-75 μm以下的小飞沫进入环境空气后很快失去大部分水变成“飞沫核”,水分流失可能对身处其中的微生物的活性产生很大影响,而粒径的缩小则影响其空气动力学特性。


除了失水,进入环境空气的液滴会在通过不同机制向室内表面沉降。对于大飞沫,重力沉降尤为显著。10 μm的微粒从3 m高的空中沉降到地面需要17分钟,20 μm的微粒需要4分钟,而100 μm的微粒只需要10秒钟。因此,呼出气流速和沉降作用共同决定着大飞沫的传播距离。对于100 μm的飞沫,呼出气流速50 m/s时(打喷嚏)传播距离大于6 m,10 m/s时(咳嗽)传播距离大于2 m,而1 m/s时(呼吸)不足1 m。沉降在室内各种表面的飞沫(特别在未完全失水前沉降)为接触传播提供了可能性。


然而不是呼出所有的液滴都很快发生沉降,粒径为1-3 μm左右的飞沫核可以在室内空气中长时间悬浮。在大气科学中,凝聚态微粒悬浮在空气中被称为“气溶胶”。

 

 

 

 

图2 从(A)戴口罩和(B)不戴口罩的感染者体内逸出的微生物气溶胶受身体羽流的影响以及附近(C)未戴口罩和(D)戴口罩个体吸入传染性物质的情况。



呼出液滴在室内空气中的传播: “气场”的作用


呼出液滴的传播分为两部分:随呼出气流的传播及后续飞沫核通过室内气流进行的二次扩散。上部分已经讲过了,这里主要介绍后者。室内风速一般低于0.25 m/s(考虑到热舒适),气流受到送风系统、家具摆设、人体气流场以及人体交谈活动等因素的影响,如图3。文中详细介绍了走动和人体热羽流对飞沫核二次扩散的影响,这里我们着重介绍一下人体热羽流。

 

 

图3 隔离室内,呼出液滴通过呼气、人体热羽、门漩涡、行走、双向浮力气流和通风气流进行输送。


由于人体体温高于室内环境且室内风速较低,站立人体的热羽流从脚部开始形成,沿人体向上由层流逐渐转化为湍流,速度和厚度也不断增加。热羽流在呼吸区的厚度可达15 cm,吸气时约三分之二的气流来自人体下部。一方面,热羽流能起到空气屏障的作用,保护个体少受他人呼出气流的影响。另一方面,当污染源在地面时,上升热羽流可以把污染物携带到呼吸区,导致微环境中污染物浓度升高。一旦患者咳嗽的气流穿透另一人下半身的气流场屏障,热羽流就会将小的飞沫核向上带到呼吸区。人的姿势、衣着、桌子的阻挡以及人的移动都会影响热羽流。当人以大于0.2 m/s的速度行走时,人体的空气动力尾流会取代热羽流成为主导影响。另外,其他热源引起的羽流也会加剧污染物的传输。在德国梅谢德,一个窗户半开的患者房间暖气所产生的向上羽流就导致了天花的传播。



暴露的发生:不同的传播路径


与感染者同处一室的人可能直接或间接暴露于感染者口鼻呼出的含病原体液滴而被传染。文中定义了四种可能的暴露途径:直接飞沫途径、短距离空气途径、长距离空气途径与间接接触途径(如图4所示);空气途径即借由气溶胶(小液滴或飞沫核)传播的途径。对于近距离接触者,感染者呼出的部分液滴穿透近距离接触者的热羽层,中等和较大液滴(飞沫)可能直接沉降于其鼻腔(或眼睛等)黏膜上,小液滴(气溶胶)可以随吸入气流进入呼吸道深部。由于液滴粒径与沉降器官的不同,文中将这两者分别称之为直接飞沫途径与短距离空气途径。而长距离空气途径是指与感染者有一定距离的人吸入了漂浮在室内空气中的飞沫核。(注:根据第六版新冠肺炎诊疗方案中的描述,其中的“呼吸道飞沫传播”与“气溶胶传播”分别对应于本文中的直接飞沫途径与长距离空气途径,短距离空气途径未被足够重视。)


无论是近距离还是远距离,吸入飞沫核(气溶胶)引发感染的风险取决于活性病原体的吸入量及其沉降部位。通过惯性碰撞、沉降、布朗运动、拦截等作用,吸入的飞沫核因粒径不同沉积在头部呼吸道、气管、支气管、肺部等不同区域。其中,粒径>10 μm的微粒基本无法穿过头部气道。


在定义某一病原体的传播途径时,需要考虑该病原体的危害性及感染剂量,多种传播途径可能并存。即便对于常见的流感病毒,不同路径的相对重要性仍有争议。一些研究的结论是主要靠近距离传播,远距离传播的可能性很小;但也有研究认为气溶胶传播也有一定贡献,还有研究认为飞沫、接触和气溶胶三个途径都重要。

 

  

图4  呼出液滴暴露的主要途径。大液滴呼出后会快速沉积,可通过直接飞沫途径和间接接触途径引起感染;小液滴(粒径<5μm)形成气溶胶,可能通过空气途径和间接接触途径引起感染。


传染的控制:多管齐下


根据以上对传染病原释放、传播及暴露的认识,作者提出了一系列针对性的举措来控制传染:(1)从源头上改变粘液的性质以减少飞沫的释放,已有研究表明吸入雾化的生理盐水可以有效减少“超级传播者”的飞沫的呼出量;(2)佩戴口罩,抑制感染者飞沫从其口鼻向室内环境传播,减低易感者的飞沫暴露量;(3)加强通风以降低室内空气中致病气溶胶浓度,从而降低长距离空气传播的风险,另外考虑到大飞沫主要发生重力沉降,加强地面清洁也很重要;(4)如有条件,通过使用个人通风系统降低短距离空气传播的风险。

原文信息(文末点击阅读原文可直接跳转):

Wei J, Li Y. Airborne spread of infectiousagents in the indoor environment. Am J Infect Control. 2016; 44:S102–S108. https://doi.org/10.1016/j.ajic.2016.06.003


文献引用自 环境科学学会室内环境与健康分会

                                   

 空气治理的技术应用             

                               

 

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