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微生物气溶胶在空气纤维滤料上的繁殖和次生污染分析.pdf

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experimental data and actual engineeringthe experimental data from our study canon microbial protection.date to modified them,but the theory andprovide the consult of the further researchKeywordsFilter material,Survival and growth of microorganisms,MVOC,Antibacterial property of filter material with silver ion第一章绪论1.1课题研究背景第一章绪论室内空气污染物包括化学性污染物、物理性污染物和生物性污染物11】。而生物性污染物中的病原微生物气溶胶污染可能带来大规模传染病的爆发。近200年来爆发的几次大流感和肺结核,尤其是近几年来爆发的非典型肺炎SARS和H1NI等都提醒着我们空气微生物污染的控制及预防势在必行【21。本课题是国家自然科学基金微生物气溶胶颗粒在高效空气过滤器上过滤收集和繁殖规律的研究的一部分,基金号50978180。1.1.1微生物颗粒物对人类的危害气溶胶aeros01的定义是固态或液态的微粒在气体介质中悬浮而形成的分散体系【31。广义的讲,气溶胶是胶体体系的一种,其微粒物质称为分散相,分散介质称为连续相。胶体体系的分散相和连续相均有三种存在形式固、液、气,从而构成多种形式的物质。微生物气溶胶的定义是微生物颗粒悬浮在空气中从而形成的胶体体系。它由微生物粒子和空气介质组成。由于微生物粒子是分散相的,而空气是连续相的,因此微生物气溶胶是两相的。由于土壤和水体存在有大量的微生物,因此任意物体的表面都可能有大量的微生物,而微生物只怕火或极高的温度。所以,当空气流动时自然就携带大量的粉尘和小液滴,而大量微生物可以被这些微粒携带,从而形成了微生物气溶胶。微生物污染物可分为活性颗粒和非活性生物污染物。它包括病毒,细菌和真菌及真菌孢子三类活性颗粒物【31。其大小和作用见表1.1。表1.1大气中各种生物气溶胶粒子的大小和作用【4】由表1.1可知,大多数病毒的体积很小,按其尺寸能通过细菌过滤器,难以第一章绪论被过滤器过滤,但是因为病毒并不是单独的病毒体,一起散发的还包括包裹它的介质[51,因此有部分病毒颗粒可以被滤除。但是,由于病毒毒性大,并且所有的病毒仅能在获得细胞内生长,不能用人工培养基培养【71。因此,本课题并不研究含病毒的气溶胶造成的污染,而以造成污染的含有细菌和真菌的微生物气溶胶为研究对象。室内空气中由于不含有微生物生长所需要的营养物质以及充足的水分,因此它不是其生长的自然环境,而微生物也不能够在空气中繁殖生长,空气中也没有固有的微生物群系【41。但由于人们的生产和生活活动,悬浮于室内空气中的尘埃可以暂时携带微生物,使空气中存在的来自土壤、江河湖海、动植物、灰尘以及人类本身散发的一些微生物,有可能成为以空气为传播介质的传染病的病原体【6】。同时,有些孢子、细菌芽孢、真菌和某些病毒都可以由大气输送很远的距离。因此,微生物气溶胶在一定程度上会对人类的健康甚至生命产生重大威胁。据调查,全世界由于室内的微生物气溶胶污染而引起的呼吸道疾病的感染率高达20%。同时,世界上以气溶胶为传播途径的致病菌最少有一百多种,占五百多种致病菌的20%以上【6|,占各种传播途径的首位。室内空气中的微生物气溶胶严重的危害着人类的健康,它对于人体的感染包括【6】a.微生物气溶胶对切口造成的感染在切口上发现的细菌中有30%直接来自于空气,另外还有68%间接来自空气。b.微生物气溶胶对创伤的感染。微生物粒子有可能在创口上定植、繁殖,从而造成伤口感染。c.呼吸道微生物气溶胶感染。经调查我国的呼吸道感染例数占医院总感染例数的23.3~42.1%,并且有很高的病死率,是十分突出的医院疾病感染。而呼吸道传染病的主要污染源就是含有病菌的微生物气溶胶。同时气溶胶粒子在人体呼吸器官的沉积分布与其粒子大小有关【6】。如表1.2所示。第一章绪论表1.2微生物气溶胶粒径对人体的作用【5】因此,为了控制气载微生物气溶胶污染,达到洁净的要求,需要有效的空气控菌抑菌方法。1.1.2控制微生物气溶胶污染的主要方法人类活动会产生一些呼吸传染病的病原微生物粒子,例如打喷嚏、咳嗽、说话等,而这些粒子被各种气溶胶携带到在空气中传播。由于粒子的粒径很小,约为1-59m,可以由正常的气流较长的时间携带,并且能够远距离扩散。当这些被携带的病原微生物颗粒被易感人群恰巧接触到的时后,这些颗粒就可能在人体内沉积然后造成疾病。有研究表明,微生物气溶胶浓度的上升会造成被这些颗粒物感染的危险性的上升。因此,为了控制空气微生物传染病的蔓延,保护易感人群,可以降低微生物气溶胶的浓度或者降低人群在其中的暴露时间,甚至完全的隔绝微生物与易感人群的接触。到目前为止,有很多方法可以控制具有传染性的微生物气溶胶扩散,其中除了隔离病源或者易感人群还有一些其它的工程手段。工程手段控制微生物气溶胶是指利用人工方法,去除空气中具有传染性的微生物颗粒或在微生物颗粒被人体接触到之前杀灭其中的致病微生物。对于微生物气溶胶的控制工程,是一个全方位的、综合性的、系统性的工程。其控制方法可以分为软件和硬件两种方式。软件部分指的是管理系统,主要的是指依靠调查,制定计划以及对人员的培训来更加科学地,完整地,实用地控制污染。而硬件部分主要是指去除或者杀灭微生物的具体方法,也是研究空气品质的主要侧重研究内容。气载微生物污染控制方法可以分为物理法和化学法。第一章绪论物理法有通风、纤维深层过滤除菌、静电除菌法、紫外辐射照消毒法、臭氧消毒法、纳米光催化,电离辐射灭菌法等。但是,各种方法都不是十全十美,都是各有优缺点,例如通风不能满足洁净环境的需要,过滤除菌又有滤料上微生物繁殖的情况,静电除菌法其应用很受限制,而紫外线和臭氧除菌法会对环境造成影响【51。化学消毒法由于其毒性问题和消毒后有毒产物的遗留问题而使它的应用范围受到很大限制。化学消毒剂的无毒全部都是相对的,几乎全部的化学消毒剂都有一定的毒性,在有人存在的场合很少能够进行使用。同时,化学消毒剂可以和其他物质反应,消毒后遗留下来的产物或者残留物都有可能对人体或环境造成影响,不能达到安全使用的目的。因此,纤维过滤法仍然是目前为止最常用的除菌方法。但是,对于过滤法,微生物能在滤料生长也使它的缺点尤为明显。本研究的目的在于寻找微生物在过滤器滤料上的生长规律,以期在其失效之前更换过滤器,取得最大的经济效益和环境效益,同时寻找提高滤料抗菌性的方法。1.2国内外相关研究现状分析1.2.1室内气载微生物污染由于微生物污染已经越来越受到关注。为了有效控制病原微生物气溶胶污染,一般采用空气过滤器来过滤去除微生物颗粒污染物。常见的室内空气过滤技术可以分为用于大型建筑的集中式空气处理设备以及在室内空气净化机中使用的空气过滤器。集中式空气处理设备使用集中布置的过滤器滤除空气中的微生物气溶胶颗粒,然后将洁净无微生物的空气送入室内。而空气净化机通常设置在净化面积较小或者相对独立的空间内,其原理也是以过滤通风的方式净化室内空气。因此,无论哪种空气净化方式都是将微生物颗粒过滤在过滤器上。一些研究发现通风空调系统中的微生物污染可以在水分和尘土存在的任何情况下发生。同时由于过滤器特殊的环境空调送风口,湿度较高,微生物可以在滤料上生长繁殖,过多的微生物繁殖会造成二次污染。Hamada和FujitaE 7J的研究显示对于49个家庭空调系统使用的过滤器,就真菌浓度而言,有空调系统房间与没有空调系统房间相比,其真菌浓度大两倍,而这些真菌主要是枝孢菌和青霉菌。同时,他们的调查数据显示空调系统在刚启动时真菌浓度会迅速增加,然后随时问延长而逐渐降低【71。西安建筑科技大学的李安桂等对陕西历史博物馆中使用的集中式通风空调系统进行了调查实测,发现4第一章绪论对于积尘伴生微生物以及空气微生物而言,机组中使用的粗效过滤器对细菌的去除效果要好于真菌;另外在空气处理机组的内部发现有真菌滋生的现象,其最大浓度能够达到200.3cfu/rtrl,并且微生物的浓度与相对湿度具有显著的正相关性;青霉属、曲霉属和枝孢霉属为空调机组的真菌优势菌属【8】。综上研究表明,空调系统中最大的微生物产生源是空调机组t91。而作为空调机组中起到除菌作用的过滤器所能接触和拦截的微生物粒子最多,也最容易成为微生物污染的来源。1.2.2空气过滤器微生物污染研究经以上研究发现,空调系统是室内微生物污染的来源之一。而过滤器作为除菌的主要部件,所能接触和拦截的微生物最多。同时,由于其过滤作用,能够对微生物粒子以外的粒子进行拦截。这些粒子沉积在滤料中,为微生物生长提供了营养物质。正因为滤料能够为微生物生长提供环境,并能接触到微生物,因此,微生物能够在其上繁殖,而产生二次污染【10】。前人的研究大多关注了微生物尤其是真菌在室内建筑材料上的生长繁殖问题【1¨。与微生物在建筑材料上的生长相比,关注微生物在滤料上生长的研究不多。一些研究对滤料上微生物浓度进行了调查研究。Simmons等人【12】对从美国东部的医院收集来的带式过滤器进行了检测。虽然这些过滤器都没有超过规定的使用时间,但是在这11个过滤器中仍然有8个上面能够检测到真菌形成的菌落,仅有的三个没有菌落的过滤器中还有两个被化学试剂进行过抗菌处理。Ahearn[13]等观察检测了办公建筑中使用的二级通风过滤器的污染状况,结果发现枝孢霉和青霉菌在过滤器的两测都可以检测得到。陈悦等对上海6个区的中央及非中央两种类型的空调系统进行横断面调查,发现中央空调过滤网上的菌浓度高于非中央空调但是都低于交换器菌浓度,并且随季节变化而变化【14】。Price等人051从1996年开始到2003年这8八年间总共观察检测了来自美国医院和办公建筑的总共188个过滤器,其研究结果如表1.3所示。表1.3 Price对188个过滤器长霉菌情况的检测结剁15】说明过滤器效率是对lla m的颗粒物的过滤效率。第一章绪论从表1.3可以看出,没被处理过的过滤器其真菌菌落检出情况要比被处理过的过滤器严重,甚至有两个没被处理过的在医院使用的HEPA过滤器甚至出现了霉菌生长透过过滤器的现象。同时,一些研究不仅表明微生物在滤料上的生长情况,也显示其在空气纤维过滤器上能够繁殖的两个必要条件是充足的营养物质和适宜的环境条件,因此,对于这两个条件的控制成为了微生物繁殖实验中需要注意的重点。Maus[16】的研究对于未使用和使用后的滤料上进行的真菌和细菌生长情况调查对比,发现试验菌种枯草芽孢杆菌的生长没有明显区别,但是另一种菌种一一霉菌,在相对湿度大于98%时,其可以在两种滤料上旺盛的生长。这说明湿度对微生物生长有至关重要的作用。而对微生物在滤料上生长的营养物质,也有很多研究人员对其进行了相应的研究。一些研究表明化纤滤料和玻纤滤料1 71,其本身就可以为微生物生长提供营养物质。另外,过滤在滤料上的其它物质也可以为过滤在滤料上的微生物生长提供营养物质。Simmons和Crow研究【18】与Kemp等研耕1。7】的结果,都可以证明微生物在滤料上的生长繁殖情况会被滤料种类的不同而影响,但是,当使用过一段时间后,滤料上会有一些其他的颗粒物的富集,为微生物生长提供营养物质,因此滤料种类的不同所带来的影响就会被减弱。由此可知,滤料材料本身以及过滤器上拦截的其他类型的颗粒物都可能成为微生物生长繁殖所必须的营养物质。另外空气微生物在滤料上生长并不仅仅带来微生物污染,同时微生物可以在滤料上进行繁殖,而繁殖时会释放大量的代谢产物。这些产物中除了有各种酶还有一些生物可挥发性有机物MVOC。Menetrez对于室内常见的六种真菌微生物和一种细菌微生物进行了相关研究,发现在培养基上培养24小时,这些微生物能散发33.51ag/m2到5151ag/m2的VOCt旧】。Ahearn等在观察研究办公建筑中使用的二级通风过滤器上微生物生长状况的同时,还研究了生物VOC的散发情况,通过对不含微生物的滤料和含有微生物的滤料进行VOC量检测的对比,发现有微生物附着的滤料可以检测到更多的VOC散发,并且散发VOC的量很大其散发种类也很多【13】。Schleibinger和Rfiden[20]对比了两组HVAC处理前后的VOC含量,结果显示某些VOC,如甲醛、丙酮等的浓度会在通过过滤器后有显著的升高,另外测试的结果还显示对于布置有预热器的机组,空气处理前后VOC并没有很明显的增多,其原因在于使用空气预热器来提高空调系统温度的同时会降低相对湿度,改变了利于微生物生长的环境,这也为滤料上微生物的生长会增加MVOC的散发量的提供了一个侧面证明。这个结果使他们认为生物VOC可能是室内VOC污染的一个来源。另外,一般情况下对于滤料上面微生物数量的方法都是“入侵式”的,这样滤料就在检测过后遭到了破坏,不能够再继续进行使用。6第一章绪论相比之下,通过建立MVOC浓度与微生物浓度的相关关系,检测MVOC浓度就可以知道微生物浓度的方法就不会破坏滤料,因此是一种“非入侵式”的检测方法。由以上对于前人的研究结果的总结可以看出,微生物在适宜的温湿度条件下,能够在滤料上进行大量的生长,并且伴随有次生产物MVOC的释放,同样污染环境。1.2.3滤料上微生物生长规律研究对于空气微生物在滤料上生长以致对室内空气品质造成污染的情况,需要研究微生物在滤料上的生长规律。而微生物生长曲线能够很好的体现出微生物数量与生长时间的关系以及微生物在不同的生长阶段的生长特性【21】。而对于特定环境下的微生物生长可以使用预测微生物学进行预测以及规律研究。预测微生物学旨在用数学语言描述微生物在特定的环境下的生长与死亡【221。微生物建模开始于19世纪,科学家对罐头食物内德微生物的热致死时间进行计算。发展到现在,在食品和其他领域已经有人做了相关的模型预测研究。最常用的两个预测模型是由Verhulst提出的Logistic模型和Gompertz提出的Gompertz模型【23】。张立奎等使用Gompertz模型预测微生物在鲜切生菜贮藏期间的微生物生长模型【24】;杨红菊等用改良的Gompertz模型和Ratkowsky模型进行冷却猪肉主要腐败微生物生长模型的拟合【2 51。在空气微生物在滤料上生长方面,天津大学的李全鹏【10】和韩贵媛【26】对滤料上微生物的生长做过相关研究,他们分别用Logistic模型和Gompertz模型拟合过微生物生长的调整期,对数期和稳定期三个时期滤料上微生物数量与时间的关系,均得到了前期研究的结果,但是没有对微生物生长的衰亡期进行深入分析,无法获得微生物生长全周期预测模型。综上所述,国外对于过滤器过滤微生物的研究开始于上个世纪四十年代,但是对于微生物气溶胶在滤料上生长的研究还不成熟,因此需要进一步研究。1.2.4空气滤料抗菌方法研究空气过滤除菌是目前主流的去除空气微生物颗粒的方法,但是它的弊端也越来越明显,为了达到更好的除菌,抑菌效果,人们尝试着使用具有抗菌功能的纤维材料作为过滤器的过滤材料。抗菌滤料是有杀灭和抑制微生物特别是病原微生物生长的一类滤料。目前,对于滤料的抗菌处理在于用某些抗菌剂有机酸、酚、醇等浸泡或熏蒸滤料,以破坏过滤收集下来的微生物的细胞膜,以蛋白质变性、代谢受阻等为抗菌机理,来达到灭菌的目的。这些抗菌剂杀菌力强、即效第一章绪论好、来源广泛,但缺点是毒性大,会产生微生物耐药性、耐热性较差、易迁移等,对于环境有一定的影响,因此需要更高效更安全的抗菌滤料【51,而银离子技术的发展给了我们新的希望。人类对于银灭菌功能的利用却早有记录。在遥远的古代,智慧的古人早就发现了银的杀菌作用并将其应用于日常生活中,例如,在基督诞生之前,古希腊就用银器保存饮用水,用以防止细菌的生长;古代的腓尼基人在航海时会使用银器来作为盛水、酒、醋等的器皿,以保持其新鲜度;地中海居民在古代就已经会把银币放到木水桶中,用来阻止细菌或者海藻等腐败微生物在水中的生长繁殖;古埃及人在两千多年前,就已经知道把银片覆盖在伤口上,可以用来杀菌。近代,1884年,医生F.Crede使用硝酸银来预防新生儿结膜炎导致的失明,直到今天,许多国家仍在使用Crede预防法【271。吴跃辉等【281总结1927年德国Krause用实验的方法检测了银离子的杀菌作用,发现当水中存在0.01mg/L的银离子时就具有杀菌的作用。我国的学者也用试验表明,0.005mg/L为最小的有效剂量。Goetz以一种酵母菌作为指示菌种而进行实验,发现只要1 04个银离子就可以杀死此菌。因此假设这种细菌在水中的浓度为5x106个/ml,那么只要有1013个银离子能有杀菌的作用,而这些银离子浓度仅仅为0.0001mg/L。日本Sawamura等报告,银离子浓度为0.001~0.108mg/L水中,仅仅用30分钟就可以把水中存在的大肠杆菌全部杀灭。苏联有关单位研究发现,使用浓度为0.10.2mg/L的银溶液与含有大量的痢疾杆菌以及伤寒杆菌的悬浮物接触,在30分钟内,就能够达到使细菌完全失去活动能力的目的。由此可见银离子的杀菌能力十分强大,是十分理想的灭菌材料。但是因为银的高造价和抗生素时代的到来,人们立刻弃用了银。但是抗生素加速了细菌的进化,越来越多以前抗生素能控制的细菌开始和抗生素斗争,反过来出现了所谓的“超细菌”。在这种情况下,人们不得不寻求其它方法,于是又想到了银这种强大的广谱杀菌物质,人们对银的兴趣增加了。近年来,有研究表明【28】“银能杀灭650种不同的病原体,较之一般的抗生素平均只能对6种病菌起到作用,银可以说是“均等机会的破坏者”,它不加区分地有效杀灭各种细菌如真菌/酵母菌、病毒、支原体和寄生虫等,银对目前所知的几乎所有细菌和胞外病毒的存在都产生抑制的作用,而且它不会提高微生物的抗药性”。同时,因为浓度较低对人体无害,实验表明每日摄取银25mg的试验用大白鼠,在两个月之后仍无任何变化【2引。现代科学不断地证实银离子的功效,美国宇航局NASA把银认定为最安全的灭菌剂,并以银作为主要材质制作宇宙船饮水容器和净化器[29】。银离子作为最新一代的天然抗菌剂具有以下特点【30】第一章绪论1.广谱抗菌;2.强效杀菌;3.渗透性强;5.抗菌持久;6.安全无毒;7.无耐药性。由于银离子的上述特点,各个领域都加强对银离子及化合物的抗菌性的研究,并得到广泛应用。在医学上,今天人们常将含有银离子的硝酸银溶液作为眼睛的消炎、收敛用药。在有些医院里,也广泛使用着一种银纱布和银药棉,在这些纱布和药棉上,涂有一层银或撒上极细的胶态银粉,用它们敷在伤El上,有很好的杀菌作用。在化妆品领域,2002年在韩国,纳米银离子成功地嫁接到了化妆品行业,填补了纳米银离子化妆品的行业空白。兼具化妆品的美白保湿等功能和保健品排毒养颜功能的纳米银离子化妆品一经问世,就得到了众多消费者的青睐。随着纳米银离子技术的成熟,其优异品质和优惠的价格,也给更多的纳米银抗菌产品的普及和产业化生产创造了越来越有利的条件。因此,随着银离子技术的发展尤其是纳米银技术的发展,将银离子运用于纤维滤料杀菌是完全有可能的,但是需要基础实验研究数据证明其在室内空气环境下的可靠性。1.3课题的研究内容及意义1.3.1课题研究内容以上研究表明微生物能够在滤料上生长,这给室内空气质量造成了很大的影响,因此对于微生物在滤料上生长规律的研究显得颇为重要。作为微生物生长的最后一个时期,衰亡期依然对微生物的影响有着重要作用。有研究表明,在微生物的衰亡期,细胞普遍衰老,代谢物累积,液泡出现,枝孢类菌会产生并释放芽孢,有部分细胞会产生自溶‘31。341。这时,细胞会累积或释放一些代谢产物,对室内环境造成影响。同时,衰亡期仅仅意味着活细菌数减少,而总菌数是增加的,而死亡的菌落可能会脱落形成颗粒物而进入室内。虽然目前国内外滤料上微生物的繁殖有了一定的研究,但是大部分都是针对与微生物生长的前三个阶段【lo]【26】,而对微生物生长的衰亡期研究较少。因此,衰亡期的研究也至关重要,,需要同其他领域一样,对其进行生长规律研究,主要是预测模型研究。同时各种研究仅仅对微生物的数量进行了研究,对其伴生产物的研究比较少。另外,对于银离子抗菌滤料的研究更是罕见,但是各种对于微生物研究的目的都是在于抑菌和控菌。因此本课题主要从以下几个方面进行分析、讨论1.在实验室条件下,对三种微生物在没有营养的滤料上的生长进行监测,
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