西安市某高校春夏季空气颗粒物与微生物污染特性分析

孔德龙,狄育慧,陈 希,王继前,蒋 昊

(西安工程大学 环境与化学工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

空气既是人类生存的必要物质,又是传播疾病的主要媒介[1].空气中的颗粒物和微生物与人体健康息息相关.研究表明[2-4],大气颗粒物对人体健康的危害主要表现在对呼吸系统、心血管系统、生殖与遗传毒性、中枢神经系统致病性和免疫系统等方面的影响.不论大气颗粒物浓度是否低于国家控制标准,它对人群发病率与死亡率都有着显著的影响[5].空气中的微生物包括细菌、真菌和病毒等，除了具有极其重要的生态系统功能外,还与生存环境质量以及人体健康休戚相关[6-7]，这些微生物能够通过空气向周围扩散,导致人体患病[8].

广大师生长期学习和生活在校园中,校园空气质量的优劣直接影响着师生的身体健康,所以对校园空气污染特性的研究是很有必要的.目前,常以菌落数和颗粒物来评价空气品质[9].不少学者已对校园空气颗粒物和微生物污染评价及其影响因素分别进行了相关研究,但对于校园颗粒物与微生物之间的研究较少.本文通过对某高校教室、食堂、宿舍和室外的空气颗粒物及其微生物进行采样分析,测出相应的温湿度、CO2浓度等,探究影响校园空气环境的主要因素以及这些因素之间的相关性,同时对校园空气的污染特性作出评价,并给出一些建议,以期为校园空气品质的评价及改善起到一定的指导作用.

1 实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料 细菌培养基(琼脂固体培养基):称取牛肉膏3 g,蛋白胨10 g,氯化钠5 g,琼脂20 g,加入盛有1 000 mL蒸馏水的烧杯中,调整pH至7.2～7.6,将烧杯放在电炉上加热并搅拌,待琼脂熔化后将溶液平均倒入3个500 mL的锥形瓶中,然后在0.1 MPa,121.5 ℃条件下灭菌30 min;真菌培养基(沙氏葡萄糖固体培养基):称取葡萄糖40 g,蛋白胨10 g,琼脂20 g,加入盛有1 000 mL蒸馏水的烧杯中,调整pH至5.5～6.0,将烧杯放在电炉上加热,并不断搅拌,待琼脂熔化后,倒入3个500 mL的锥形瓶中,然后在0.1 MPa,115 ℃条件下灭菌20 min.将灭菌的培养基在无菌操作条件下迅速倒入培养皿中,每皿约倒10～30 mL,当培养基凝固后,将培养皿反转过来,倒扣在实验台上备用.

1.1.2 仪器 YHG-9055A台式电热恒温鼓风干燥箱(上海姚氏仪器设备厂);Hirayama HVE-50高压灭菌锅(广州市深华生物技术有限公司);Q-Trak室内空气品质监测仪(深圳市普利通电子科技有限公司);Aerocet 831型四通道PM值检测仪(上海益朗仪器有限公司);LHP-500H恒温恒湿培养箱(金坛区华城润华实验仪器厂).

1.2 实验方法

1.2.1 样品的采集和培养 在校园中设置了教室、食堂、宿舍和室外4个采样点,春分和夏至前后每3天采样一次,每个季节采样3天,采样避开雾霾天、大风天和阴雨天.采用对角线布点法,每个采样点设置3个平行样品组,并设置空白对照组.PM值检测仪测试采样点的PM值,用室内空气品质监测仪测试采样点的温湿度和CO2浓度,用自然沉降法[10]采集空气中微生物样品.采样时将配制好的分别装有琼脂固体培养基和沙氏葡萄糖固体培养基的培养皿放置于取样点处,打开皿盖,扣放于培养皿边缘,放置5 min后盖上皿盖.为防止水分散失,用Parafilm封口膜密封皿盖边缘.在恒温培养箱中将盛有琼脂固体培养基的培养皿置于37 ℃下培养48 h,将盛有沙氏葡萄糖固体培养基的培养皿置于28 ℃下培养72 h,观察计数.

1.2.2 微生物浓度 采用奥梅梁斯基公式[10]计算空气微生物浓度，即

式中:C为空气微生物浓度,CFU/m3;A为捕集面积,cm2;T为暴露时间,min;N为培养皿菌落数.

1.2.3 空气微生物评价 依据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(表1)[11]对各采样点的空气微生物污染情况进行评价.

表 1 空气微生物评价标准Table 1 Airborne microbial evaluation criteria 103CFU·m-3

2 结果与讨论

2.1 颗粒物污染评价及其影响因素分析

图1是校园内各采样点春夏季颗粒物浓度的均值.可以看出,校园各点颗粒物浓度大致为食堂>教室>宿舍>室外,按照PM2.5空气品质标准,食堂、宿舍、教室均存在一定程度的轻度污染,室外空气质量较优.由于食堂人员密集程度高,且存在大量油烟,导致颗粒物浓度较高；而教室和宿舍人员密集,人员活动易产生粉尘.大量的实验和模型研究表明,控制室内环境中大气悬浮颗粒物的主要方法有:建筑通风换气、过滤器过滤、控制大气悬浮颗粒物对建筑围护结构的穿透作用及其在室内环境中的沉积和重新悬浮[12],因此平时应注意室内的清洁卫生与通风换气.

图2是对春夏两季校园各采样点空气颗粒物浓度取均值的结果,可以看出,校园春季颗粒物污染程度明显大于夏季,春季空气存在中度污染,夏季空气质量良好.研究表明,室内外颗粒物浓度总是处于同一个数量级[13],室外大气对室内空气质量有着重要作用,说明西安市夏季空气质量优于春季,这是因为春季降雨少风速小,夏季降雨多风速大,而颗粒物浓度与降雨量和风速呈负相关[14].

表2是校园PM与温湿度和CO2浓度之间相关关系的显著性分析结果(春夏季各采样点综合分析见表5，6).可以看出,温度对PM1、PM2.5和PM4影响显著,这也与夏季降雨多、风速大有关；相对湿度对PM4、PM10和TSP有显著的影响,且颗粒物粒径越大,相关性越显著.林俊[15]等对大气气溶胶与气象因素关系的研究表明,相对湿度对细气溶胶有凝聚作用，并促进粗气溶胶的产生,所以相对湿度与粗气溶胶呈正相关.

图 1 各采样点PM均值 图 2 春夏两季校园PM均值 Fig.1 Average value of PM at each sample point Fig.2 Average value of PM in the spring and summer

表 2 PM与各因素间的P-value值及显著性Table 2 P-value between PM and various factors and significance

注: “P-value”表示t检验偏回归系数不显著的概率.P-value<0.01,表明相应变量之间的影响非常显著,**;0.010.05,表明相应变量之间影响不显著，没有*

2.2 微生物污染评价及其影响因素分析

表3是校园内各采样点的微生物浓度(春夏季平均值)及其评价.可以看出,微生物浓度宿舍>食堂>教室>室外,宿舍和食堂存在一定程度的轻度污染,室外空气清洁.这是因为宿舍空间拥挤,且存在生活垃圾和未清洗的衣袜,而食堂人员流动大,做饭产生大量油烟以及饭桌和餐具残存有油渍,这些都有利于微生物大量滋生.所以应注意宿舍食堂的清洁,宿舍常开窗通风,食堂常通风排烟,营造健康良好的校园环境．

表4是春夏两季校园微生物浓度(各采样点平均)及其评价.可以看出春季微生物污染程度明显大于夏季,春季微生物存在轻度污染,夏季比较清洁.表5是对校园微生物浓度与各因素相关关系的显著性分析.可以看出,温度对细菌浓度和总微生物浓度的影响非常显著,对真菌浓度的影响显著,都呈负相关.而相对湿度对微生物浓度无明显影响.CO2浓度对细菌浓度的影响非常显著,对总微生物浓度的影响显著,对真菌浓度无明显影响.人员密集程度在定量上可用CO2浓度表征,人员越密集的地方,CO2浓度越高,越易产生细菌和微生物.

表 3 各采样点微生物浓度及污染评价Table 3 Microorganism concentration and pollution evalu-ation at each sampling point 103CFU·m-3

表 4 春夏两季校园微生物浓度及污染评价Table 4 Campus microbial concentration and pollution assessment in spring and summer 103CFU·m-3

表 5 微生物浓度与各因素间的P-value值及显著性Table 5 P-value between microorganism concentration and various factors and significance

2.3 空气颗粒物与微生物相关性分析

表6是对校园颗粒物与微生物浓度相关关系的显著性分析.可以看出,PM1和PM2.5对细菌浓度的影响非常显著,PM4对总微生物浓度的影响非常显著,PM1、PM2.5和PM10对总微生物浓度影响显著,而颗粒物浓度与真菌浓度无明显相关关系.细颗粒物携带细菌的能力很强,且更易进入人体呼吸道,对身体健康有着很大的潜在危害,应引起足够的重视.

表6 PM与微生物浓度间的P-value值及显著性

Table 6P-value and significance between PM and microorganism concentration

颗粒物细菌真菌总微生物颗粒物细菌真菌总微生物PM10 0006∗∗0 5470 025∗PM100 3920 1190 013∗PM2 50 008∗∗0 1060 025∗TSP0 4290 1300 169PM40 1550 0860 006∗∗

2.4 室内污染物控制的建议与对策

针对校园室内颗粒物与微生物污染状况,建议加强室内通风换气(包括自然通风和机械通风);对室内空气进行过滤[16](包括空调系统新回风过滤、空气净化器净化等);紫外线杀菌;定期喷消毒液消毒,定时监测空气微生物浓度;保持室内清洁;在室内种植或摆放一些绿色植物,净化室内空气[17];植树种草,绿化校园,提高室外空气质量;同时校方应加强卫生检查,提高师生环保意识,注意个人卫生,营造良好的学习生活环境．

3 结 论

(1) 校园颗粒物浓度为食堂>教室>宿舍>室外,校园微生物浓度为宿舍>食堂>教室>室外,食堂、宿舍、教室均存在一定程度的轻度污染,校园室外空气质量较优.校园春季颗粒物与微生物污染程度明显大于夏季,春季存在一定程度的污染,夏季空气质量良好.

(2) 温度对微生物浓度的影响显著,相对湿度对微生物浓度无明显影响,CO2浓度对细菌浓度和总微生物浓度的影响显著;PM1和PM2.5对细菌浓度的影响非常显著,PM1，PM2.5，PM4和PM10对总微生物浓度有显著影响,而颗粒物浓度与真菌浓度无明显相关性.

参考文献(References)：

[1] 朱静鸿,白雪梅,王敏.长春市公共场所空气微生物的监测[J].中国卫生工程学,2006,5(5):285-286.

ZHU J H,BAI X M,WANG M.Airborne microbes monitoring in public places in Changchun city[J].Chinese Journal of Public Health Engineering,2006,5(5):285-286.

[2] TAO Y,MI S,ZHOU S,et al.Air pollution and hospital admissions for respiratory diseases in Lanzhou,China[J].Environmental Pollution,2014,185(4):196-201.

[3] RODOPOULOU S,CHALBOT M C,SAMOLI E,et al.Air pollution and hospital emergency room and admissions for cardiovascular and respiratory diseases in Dona Ana County,New Mexico[J].Environmental Research,2014,129:39-46.

[4] PAN G,ZHANG S,FENG Y,et al.Air pollution and children′s respiratory symptoms in six cities of Northern China[J].Respiratory Medicine,2010,104(12):1903-1911.

[5] DOCKERY D W,POPE A,XU X,et al.An association between air pollution and mortality in six U.S.cities[J].New England Journal of Medicine,1993,329(24):1753-1759.

[6] 方治国,欧阳志云,胡利锋,等.城市生态系统空气微生物群落研究进展[J].生态学报,2004,24(2):315-322.

FANG Z G,OUYANG Z Y,HU L F,et al.Progresses of airborne microbial communities in urban ecosystem[J].Acta Ecologica Sinica,2004,24(2):315-322.

[7] LACEY J,DUTKIEWICZ J.Bioaerosol and occupational lung disease[J].Journal of Aerosol Science,1994,25(8):1371-1404.

[8] ZHU H,PHELAN P E,DUAN T,et al.Experimental study of indoor and outdoor airborne bacterial concentrations in Tempe,Arizona,USA[J].Aerobiologia,2003,19(3-4):201-211.

[9] 张杏辉,罗燕群,周振明.校园空气微生物和悬浮物污染评价及相关性分析[J].中国环境监测,2011,27(4):71-75.

ZHANG X H,LUO Y Q,ZHOU Z M.Air micro-organisms and suspended particles pollution evaluation and correlation analysis on campus[J].Environmental Monitoring in China,2011,27(4):71-75.

[10] 于玺华,车凤翔.现代空气微生物学及采检鉴技术[M].北京：军事医学科学出版社,1998:172-174.

YU X H,CHE F X.Modern air microbiology and sampling detection and identification techniques[M].Beijing:Military Medical Science Press,1998:172-174.

[11] 谢淑敏.京津地区大气微生物本底研究[J].环境科学,1986，7(5):57-62.

XIE S M.Study on atmospheric microbes in Beijing and Tianjin area[J].Environmental Science,1986，7(5):57-62.

[12] 熊志明.大气悬浮颗粒物对室内空气品质影响的预测模拟研究[D].长沙：湖南大学,2004.

XIONG Z M.Atmospheric suspended particles on the indoor air quality prediction simulation study[D].Changsha:Hunan University,2004.

[13] WALLACE L.Indoor particles:A review[J].Journal of the Air & Waste Management Association,1996,46(2):98-126.

[14] 李晓红,李万伟,徐东群.西安市空气质量与气象因素的典型相关分析[J].环境卫生学杂志,2017,7(3):203-208.

LI X H,LI W W,XU D Q,et al.Relationship between meteorological factors and air quality in Xi′an city[J].Journal of Environmental Hygiene,2017,7(3):203-208.

[15] 林俊,刘卫,李燕,等.大气气溶胶粒径分布特征与气象条件的相关性分析[J].气象与环境学报,2009,25(1):1-5.

LIN J,LIU W,LI Y,et al.Relationship between meteorological conditions and particle size distribution of atmospheric aerosol[J].Journal of Meteorology and Environment,2009,25(1):1-5.

[16] 李建兴,涂光备,涂岱昕.室内微生物污染的三种工程控制方法[J].暖通空调,2004,34(12):29-33.

LI J X,TU G B,TU D X.Three engineering control methods of indoor airborne microbes[J].Heating Ventilating & Air Conditioning,2004,34(12):29-33.

[17] 夏秋良,张臣飞,尹乐斌,等.大学校园不同场所室内微生物污染调查及分析[J].农产品加工,2016(4):67-69.

XIA Q L,ZHANG C F,YIN L B,et al.Investigation and analysis of indoor microbial pollution of different locations in univeristy campus[J].Farm Products Processing,2016(4):67-69.