抗菌技术在室内空气净化中的应用研究

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<李丹，季君晖
（中国科学院 理化技术研究所，北京 100190）
 
摘要：室内微生物污染是造成不良建筑物综合征(Sick Building Syndrome，SBS)的主要原因之一，可引起人们出现眼刺激感、哮喘、过敏性皮炎、过敏性肺炎和传染性疾病，严重者可导致死亡。随着社会经济的飞速发展，室内空气微生物污染的程度有日益加重的趋势，家用电器和日常用品为微生物的繁殖提供了有利条件。消除室内空气微生物污染，净化室内空气质量，具有重要的社会效益。传统的抗菌技术紫外线灭菌、气体灭菌和臭氧灭菌等，虽然能在短期内能够有效抑制微生物的污染，但是这些技术手段都有着各自的缺点，未能从根本上解决室内空气微生物污染的问题。而采用有机和无机抗菌材料应用于空气净化系统，抑制细菌和真菌等微生物的生长，以减少室内空气微生物的潜在污染源，改善和提高了室内空气质量，具有广阔的前景。
关键词：  微生物；室内空气污染；空气净化；抗菌技术
 
Study of the Antimicrobial Technologies Application on Indoor Air Purification
 
Abstract: Indoor microbial pollution is a major reason of Sick Building Syndrome (SBS), while it can cause people a sense of eye irritation, asthma, atopic dermatitis, hypersensitivity pneumonitis, and infectious diseases, severe cases can lead to death. With the rapid socio-economic development, thousehold appliances and daily necessities provided favorable conditions for the propagation of microorganisms,  the degree of microbial contamination of indoor air has also been increasing. The elimination of indoor air microbial contamination has important social benefits. Although the traditional antibacterial technologies such as ultraviolet sterilization, gas sterilization and ozone sterilization, can effectively inhibit microbial contamination in the short term, but these techniques have their own shortcomings. The organic and inorganic antibacterial materials used in air purification system could improve indoor air quality.
Keyword：Microbial, Indoor Microbial Pollution, Air Purification, Antibacterial Technologies

1  概述
室内环境包括居室、教室、办公室、健身房、交通工具、食堂、超市、医院、文体中心等场所。现代人生活和工作在室内环境中的时间已达到全天的80%～90%，因此室内空气质量的好坏与人体健康息息相关^[1]。在影响室内空气质量的各种因素中，细菌和真菌等微生物引起的生物性污染是不容忽视的一环。室内微生物污染可引起人们出现眼刺激感、哮喘^[2]、过敏性皮炎、过敏性肺炎和传染性疾病，严重者可导致死亡，它是造成不良建筑物综合征(Sick Building Syndrome，SBS)的主要原因之一^[3]。 
与此同时，随着社会经济的飞速发展，室内空气微生物污染的程度有日益加重的趋势。这是因为随着人们的生活水平的提高，日常用品中使用的材料种类越来越多，空调、冰箱、电脑、电话、洗衣机等家用电器也越来越普及。这些生活用品在给人类生活带来便利的同时，也为微生物的孳生繁殖提供了土壤，一些微生物能够在这些物品中大量繁殖，在一定条件下以气溶胶的形式存在于室内空气中，被人体吸入，进而危害人体健康^{[4, 5]}。更为重要的是，在室内环境中，微生物可以存在于一年中的任何时间段，由其所引起的疾病的季节性就变得不明显了，换而言之是人类在室内环境中面临着越来越大的风险。
如何有效地消除室内微生物污染，已经成为环境领域的研究热点。世界各国都投入了大量的资金和技术力量来寻找解决这一问题的方法。这证明了抗菌技术和产品具有广阔的市场应用前景。同时室内空气质量的好坏关系到民众的健康切身利益。了解抗菌技术，合理利用抗菌产品，消除室内空气微生物污染，净化室内空气质量，具有重要的社会效益和生态效益。

1.1  室内微生物污染的种类、来源
微生物包括细菌、病毒、霉菌、酵母菌等，具有分布广、种类多、体积小、繁殖快的特性。其中，能够引起人类、动物和植物病害的微生物被称为致病微生物。在一般居住环境中，空气中的微生物种类通常有数十至数百种之多，其浓度约为10²～10⁶ cfu/m³。在室内有污染源时，空气污染更加严重，微生物的浓度可达10²～10⁶ cfu/m³。室内空气微生物污染来源包括呼吸道感染病人、受污染的环境、动植物等，按照室内场所的性质不同，其主要污染源也不相同。如医院、超市、健身房等公共场所中，人口相对集中，相互接触频繁，流动性大；设备物品供公众重复使用，易污染；健康与非健康个体混杂，易造成传染病的传播，其污染源主要来自呼吸道感染病人、受污染的公用设备、中央空调等。而像居所等私人场所，其人员流动相对较少，污染源较为固定，主要污染源包括建筑材料、家用电器、设备、宠物、盆景植物的土壤等。
 
1.2 室内微生物污染源的分布、繁殖与传播
室内空气是个小环境，各方面条件差异很大，因环境不同而微生物分布规律也有所不同。室内有许多适合微生物生长的载体（如植物、书籍、垃圾、窗帘、涂料等等）。温度和湿度是微生物生长的关键因素，寒冷干燥的空气不利于微生物的存活，湿润的环境则容易滋生细菌。在室内潮湿、结露的地方或受水侵害的地方，如厨房、浴室和卫生间，其环境的相对湿度高达90%~100%^[6]，通常高浓度的空气微生物浓度，尤其容易孳生真菌。而长期未清洁的地毯，则为螨虫的繁殖提供了理想的条件。又如空调系统的使用让室内环境变成了一个半封闭的整体，虽然客观上避免了室外微生物污染物的侵入，但是由于室内外空气得不到良好交换，所以同样会发生室内空气微生物污染，空调设备中的空气过滤器、制冷盘管、通风管道和冷却水中容易孳生细菌，导致室内空气污染，严重影响人体健康^[7]。在国外有许多著名案例，例如1976年美国费城召开退伍军人会议与会者中人突然生病其中人死亡症状是发热、咳嗽、胸痛、肺炎。调查发现，该病症由中央空调系统内孳生的一种革兰阴性杆菌在空气中传播引起，这些致病菌后命名为“军团菌”，军团病由此得名。
空气中漂浮的微生物一旦接触到载体就可能沉积在载体表面，通过微生物和载体表面材料的相互作用逐渐粘附定植在材料表面，然后进一步在材料表面生长。一般微生物在材料表面生长可分为以下几个步骤：（1）沉积 这一阶段是微生物开始接触并停留在材料表面；（2）粘附 也称为定植，这是微生物由可逆的沉积到不可逆沉积的转化过程。是材料和微生物之间的吸引力和斥力平衡的结果。（3）生长 完成粘附的微生物很快恢复生长，微生物开始分泌细胞外物质，并逐渐开始生长繁殖、（4）形成菌膜 材料表面的微菌落逐渐相互聚集融合，形成一个完整的复合菌落网。
在载体上滋生繁殖的细菌、霉菌、病毒和螨虫等微生物，可以在一定条件下进入空气中，并附着在一定粒径的颗粒物上，以气溶胶的形式存在，如微尘、飞沫等。这些气溶胶通过与人皮肤接触、呼吸道吸入、消化道摄入等方式进入人体，损害人体健康。一般来说，当空气中致病微生物的浓度达到感染剂量时，往往会引起人类患流感、皮炎、肺炎等急性疾病，并且还会随着患者打喷嚏、咳嗽等生理活动形成二次生物气溶胶并加以传播。
在空气中，通过“气溶胶”扩散造成烈性传染病的爆发流行是生物突发事件的基本危害方式。如2003年爆发的SARS 病毒疫情，短短6个月，疫情迅速扩展到全球32个国家和地区，累计报道疑似病例8422例，死亡916例。在确诊病例中，许多病例来自收治医院的空气交叉污染，很多参加救治的医生和护士在救治医疗过程中被动感染。
 
2 抗菌技术在室内空气净化中的应用
面对病原微生物的进攻，人类也不是束手就擒。而是采用各种抗菌技术，消除病原微生物的威胁。抗菌是指抗各种微生物的功能，包括抗细菌、霉菌、病毒等多种微生物，是一种广义的抗菌概念，比较准确地说应该叫“抗微生物”功能。它包括灭菌、杀菌、消毒、抑菌、防霉、防腐等。抗菌技术是能使细菌、真菌等微生物死亡或能抑制微生物生长的技术。
 
2.1  传统室内空气抗菌技术
传统的室内空气微生物污染控制技术主要包括紫外线灭菌、气体灭菌和臭氧灭菌。
2.1.1 气体灭菌
气体灭菌法是指采用气态杀菌剂(如臭氧、环氧乙烷、甲醛、丙二醇、甘油和过氧乙酸蒸汽等)进行灭菌的方法。气体熏蒸消毒是杀灭和去除空气中微生物污染的最有效的手段，常用的室内空气熏蒸消毒剂包括甲醛、汽化过氧化氢、气体二氧化氯等。
（1） 甲醛 甲醛熏蒸消毒是利用其与高锰酸钾发生氧化还原反应过程中产生的大量热，使甲醛受热挥发。经一定时间后，甲醛能使菌体蛋白质变性凝固和溶解菌体类脂，可以杀灭物体表面和空气中的细菌繁殖体、芽胞下真菌和病毒。此法熏蒸药物能均匀地分布到室内的各个角落，消毒全面彻底省事省力。
甲醛气味较浓、有刺激性，而且在2006年的IARC（International Agency for Research on Cancer国际癌症研究机构）大会上，甲醛被列为致癌物。甲醛对皮肤粘膜的刺激作用，能与蛋白质结合、高浓度吸入时出现呼吸道严重的刺激和水肿、眼刺激、头痛。皮肤直接接触甲醛可引起过敏性皮炎、色斑、坏死。国外研究表明，当人体吸入高浓度甲醛可诱发支气管哮喘并引起肺部病变。高浓度甲醛还是一种基因毒性物质，实验动物在实验室高浓度吸入的情况下，可引起鼻咽肿瘤^[8。
由于甲醛具有极大的毒性，在国外已很少被使用。但是由于其杀菌效果好、价格低、操作简便等原因，目前仍是我国医院常用的熏蒸消毒剂。因此，在用甲醛消毒之后，必须进行通风。闫俊萍等人^[9]的研究表明，在甲醛消毒12h后，其室内甲醛浓度过高，对人体健康危害极大，此时必须通风，但是通风超过1.5 h，空气中的菌落数将超过卫生消毒规范规定的标准，因此经最佳通风时间为0.5 h，这样既能降低空气中甲醛的浓度，减少其对人体的危害，又能保证消毒效果。
（2） 过氧化氢 过氧化氢具有强氧化性，其杀菌具有广谱性。游离的氢基进攻细胞成分，包括脂类、蛋白质和DNA。广谱抗菌，能杀灭芽孢，灭菌周期仅为3h左右，且最终产物为水和二氧化碳，无有毒残留物^[10]。过氧化氢可用于医院等场所的空气消毒净化^[11]，为了提高过氧化氢的抗菌效率，可与臭氧混合使用，臭氧与过氧化氢可产生中间体H₂O₃，H₂O₃具有很强的快速杀菌性能。但是汽化过氧化氢实为蒸汽，渗透性相对气体而言较弱，因此不能用于棉纱制品以及可以吸收过氧化氢的物品灭菌^[12]。
 
（3）二氧化氯 二氧化氯具有很强的氧化作用, 是一种性能优良、应用领域十分广泛的多用途杀菌保鲜消毒剂。二氧化氯能与细菌及其它微生物细胞中蛋白质发生氧化还原反应，使其分解破坏，进而控制微生物蛋白质合成，最终导致细菌死亡。经过反复检测, 证明二氧化氯的杀菌效果比一般的含氯消毒剂高2.5倍, 并且由于它不会发生氯的替代反应, 因而不会产生致癌、致畸变的有机氯代产物, 所以二氧化氯已经成为世界公认的最理想的氯系消毒剂更新换代产品, 被联合国卫生组织(WHO )列为A1级安全消毒剂。日本研究人员认为，二氧化氯在空气中的浓度低于3mg/L时不会对人体产生危害。   
但是，二氧化氯化学性质活泼，不太稳定。一般将纯化后的二氧化氯气体导入由稳定剂组成的惰性溶液中，制成无色或淡黄色澄清、无色、无嗅、性质稳定、不易挥发、不易分解的稳定性二氧化氯水溶液，使用时加入活化剂活化。但液体二氧化氯活化后的有效释放期较短，且运输、贮存和使用均不方便。为了克服这些弱点，日本研究人员首先想到了二氧化氯固载化，即将稳定性二氧化氯溶液固化在载体上制备而成的一种新型固体二氧化氯空气净化剂。这种固体二氧化氯制品能广泛和有效地用于冷库、冰箱、寝室、浴室、厕所、轿车、病房等封闭空气的灭菌处理。我国研究人员利用凝胶将二氧化氯固载化，放置于室内阴凉通风处，二氧化氯气体缓慢匀速的从凝胶中释放出来，起到杀菌、净化空气的作用，可持续使用两个月^[13]。   
同时，国内外也已成功采用气体二氧化氯熏蒸法实现了对隔离器、手术室等场所的有效灭菌消毒。二氧化氯为纯气体消毒，无死角、腐蚀小，对病毒、细菌、芽孢、真菌等均有很好的杀灭效果，美国近年来利用二氧化氯通过中央空调的通风口对整栋大楼进行空气净化处理。国内对气体二氧化氯消毒机制和消毒关键技术等缺少相关理论研究和数据支持，且相关消毒装置较为昂贵，因此，气体二氧化氯消毒在国内的应用尚处于起步阶段。
气体灭菌速度快，效率高，但是灭菌药剂一般具有刺激性气味，且不能自然排出，需要空调长时间置换新风，从而增加了能耗。同时也存在二次污染的问题，剩余的药物直接排入大气，造成对周围环境的污染。如甲醛熏蒸，操作麻烦，熏蒸时间长，有二次污染物，对人体有危害。