2017, Vol. 38
表 1
(Table 1)
喷泉产生的细菌气溶胶空间分布特性
引用本文
张崇淼, 袁琳, 许鹏程, 刘可欣. 喷泉产生的细菌气溶胶空间分布特性[J]. 环境科学, 2017, 38(3): 911-917.
ZHANG Chong-miao, YUAN Lin, XU Peng-cheng, LIU Ke-xin. Characteristics of Spatial Distribution of Bacterial Aerosols Produced by Fountain[J]. Environmental Science, 2017, 38(3): 911-917.
喷泉产生的细菌气溶胶空间分布特性
西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 国家非传统水资源开发利用国际科技合作基地, 西北水资源与环境生态教育部重点实验室, 西安 710055
摘要: 为阐明喷泉产生的细菌气溶胶空间分布特性，利用大肠杆菌NK5449作为试验菌株，通过喷泉喷洒试验，使用安德森六级空气采样器采集喷泉周围空间的细菌气溶胶，研究各级细菌气溶胶的浓度和粒径分布特征和变化规律，并分析其与液滴直径的相关性.结果表明，在高度0.75~1.75 m，距离喷头0.5~3 m的范围内，细菌气溶胶总浓度在（38±15）~（676±92）CFU·m-3之间，并随着高度的增加和与喷头之间水平距离的增大而逐渐降低，且与液滴直径呈显著负相关（P < 0.05）；随着与喷头水平距离的增大，粒径大于4.7 μm的细菌气溶胶粒子所占比例出现先降后升的变化趋势；而粒径在2.1~4.7 μm之间的粒子所占比例则是先升后降.与喷头水平距离0.5 m以外的各点，细菌气溶胶粒子的粒径大都集中在1.1~4.7 μm范围内.距离喷泉较远处的人吸入小粒径细菌气溶胶的风险不容忽视.
关键词:
喷泉
细菌气溶胶
空间分布
粒径
液滴直径
Characteristics of Spatial Distribution of Bacterial Aerosols Produced by Fountain
Key Laboratory of Northwest Water Resource, Environment and Ecology, Ministry of Education; International Science and Technology Cooperation Center for Urban Alternative Water Resources Development; School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China
Abstract: To illuminate the spatial distribution of bacterial aerosols produced by fountain, sprinkler test was conducted in this study. Escherichia coli NK5449 was used as the test strain, and bacterial aerosols were sampled by Anderson six-stage air sampler at different sites around the sprinkler. The concentration and particle size distribution of bacterial aerosols and the correlation between droplet diameter and bacterial aerosols concentration were analyzed. The results showed that the concentration of bacterial aerosols ranged from (38±15) CFU·m-3 to (676±92) CFU·m-3 in the space of 0.75 m to 1.75 m from the ground and 0.5 m to 3 m away from the sprinkler. The bacterial aerosol concentration decreased along with the increase of the height and the distance between the sampling site and the sprinkler, and had significant negative correlation with droplet diameter (P < 0.05). With the increase of the distance to sprinkler, the proportion of bacterial aerosol particles with size of larger than 4.7 μm decreased at first and increased subsequently; while the proportion of bacterial aerosol particles with size between 2.1 and 4.7 μm increased firstly and then decreased. The bacterial aerosol particles mainly existed in the part with size between 1.1 and 4.7 μm at sampling sites more than 0.5 m away from the sprinkler. It indicated that bacterial aerosols with small size may be inhaled by people far away from the fountain, and the risk should not be ignored.
Key words:
fountain
bacterial aerosols
spatial distribution
particle size
droplet diameter
近年来，为了提升城市形象和人居环境品质，城市水景观营造方兴未艾.喷泉是最常见的一种水景观形式，能够湿润空气、 减少尘埃，在城市中有广泛地应用.随着污水资源化的不断发展，再生水景观回用越来越受到重视[1, 2].使用再生水制造喷泉，对人体健康造成的风险是人们最为关注的问题.有研究发现，经过深度处理后的再生水中的微生物数量仍然较高[3~5]，其中不乏沙门氏菌[6]和耐药性大肠杆菌[7].通过喷泉的喷洒和雾化作用，黏附在细小液滴或固体颗粒上的病原菌进入空间形成气溶胶，从而在空间中广泛散播[8, 9]，对附近人们的健康构成威胁[10~12].
目前，有关细菌气溶胶的研究主要集中在两个方面: 不同地区的大气中细菌气溶胶的种群多样性和季节变化规律[13~15]； 特定区域(污水处理厂、 畜禽养殖场)中的细菌气溶胶分布特征和影响因素[16~21]，而鲜有与喷泉相关的细菌气溶胶研究报道.喷泉周围的细菌气溶胶浓度可能与空间位置[22]、 液滴尺寸等因素有关[23]，这些都亟待通过研究揭示其规律.
本研究使用喷泉装置进行喷洒试验，通过测定不同空间位置处的细菌气溶胶和液滴直径，分析细菌气溶胶浓度和粒径的空间分布特征以及与液滴直径的关系，以期为再生水景观回用的标准制定和风险评价提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验菌株和喷洒用水为了保证检测的准确性和灵敏度，使用对利福平和萘利得酸耐药的大肠杆菌NK5449作为试验菌株.在LB肉汤中，37℃、 145 r·min-1振荡培养14 h活化菌种得到浓度约为109CFU·mL-1的菌液.向总容量为300 L的水箱中加入150 mL菌液，使水箱中的最终菌液浓度为105 CFU·mL-1.(在试验过程中喷洒用水的菌浓度稳定在3.1×105~5.4×105 CFU·mL-1范围内).
1.2 喷泉装置和喷洒试验在室内无风条件下进行喷洒试验，屋顶高度3.5 m.使用WZW20-8型子弹头喷头，喷头距地面高度为1 m，最大喷洒半径为3.4 m，控制流量为7.5L·min-1，工作压力0.1 MPa，试验装置如图 1所示.
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图 1 喷洒试验示意 Fig. 1 Schematic diagram of sprinkler test |
1.3 液滴直径测量
将曙红和滑石粉按1∶10混匀涂抹于直径为15 cm的中速定性滤纸上(杭州特种纸业有限公司)制成色斑纸.测定由6种不同型号针管滴出的水滴重量，根据球体积公式计算出每个液滴直径，并用每种针管分别滴20滴水在色斑纸上，测量产生的色斑直径的平均值.利用回归分析得出使用该色斑纸时液滴直径d与色斑直径D间的回归公式[24].
将色斑纸置于抽拉盒中，在距离地面0.75、 1、 1.25、 1.5、 1.75 m处，距离喷头0.5、 1、 1.5、 2、 2.5、 3 m远处迅速收集液滴.每个采样点做3个平行样，随机选取20个色斑测量直径，计算各采样点处对应的液滴直径，取平均值.
1.4 气溶胶采集与细菌培养本试验采用安德森六级空气采样器(陕西鑫昌实验设备有限公司，FA-Ⅰ型)，各级参数如表 1所示.采样时空气流量为28.3L·min-1.
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表 1 安德森六级空气采样器各级特征 Table 1 Characteristics of each level of Anderson six-stage air sampler |
将50 mg·mL-1利福平(合肥博美生物科技有限公司)和10 mg·mL-1萘利得酸(北京索莱宝科技有限公司)加入灭菌后的营养琼脂中，制成终浓度为利福平300 μg·mL-1+萘利得酸100 μg·mL-1的抗性平板.将制备好的抗性平板置于气溶胶采样器的各级采样头中，在1.3节中的相对应点处采集细菌气溶胶，每次采集45 min，做3组平行.采样结束后，将抗性平板在无菌条件下取出并加盖，在37℃下倒置培养24 h.
1.5 细菌气溶胶浓度和粒径分析在采样过程中，气溶胶粒子在平皿内着落时存在重叠，需采用Positive-hole法[25]对菌落数进行纠正:
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(1) |
式中，Pr为校正后的细菌数量； N为各级采样孔数； r为实测菌落数.
根据校正后的细菌数量Pr、 采样空气流量Q和采样时间t来计算空气中细菌气溶胶浓度.
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(2) |
式中，c为细菌气溶胶浓度(CFU·m-3)； Q为采样空气流量(L·min-1)； t为采样时间(min).
根据第1~6级的细菌气溶胶粒子数，统计各级粒子数的累计百分比，得出各级有效截留粒径与累计百分比之间的直线回归方程，当累计百分比为50%时对应的粒径即为该采样点的细菌气溶胶粒子的中值粒径[26].
1.6 数据统计分析使用SPSS Version 13.0软件，对细菌气溶胶浓度、 粒径分布差异显著性、 液滴直径差异的显著性进行t检验分析，对细菌气溶胶浓度与液滴直径进行Spearman相关性分析.
2 结果与讨论 2.1 喷泉周围液滴直径分布经计算，使用该型号色斑纸时，液滴直径d与色斑直径D间的回归公式为:
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根据该公式计算出的不同位置的液滴直径分布如图 2所示.
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图 2 各采样点处的液滴直径 Fig. 2 Diameter of droplet at different sampling points |
采集点距离喷头2 m以内的液滴直径大都处于0.3~1 mm之间，属中等大小液滴，在2 m以外液滴直径均大于1 mm，属较大液滴[27].当高度相同时，在采集范围内，距喷头越远，液滴直径越大.经t检验分析可知，高度1 m时，0.5 m远与1 m远处的液滴直径无显著差异(P>0.05)，高度1.75 m时，0.5 m远与1 m远处的液滴直径也无显著差异(P>0.05)，其余高度相同但水平距离相差0.5 m以上的两点间，液滴直径均有显著差异(P<0.05).而当采集点与喷头间距离相同时，随着高度的增加液滴直径并没有明显的变化趋势，以往有关雾化水滴和喷洒水滴的研究也得到了类似的结果[28, 29].
2.2 细菌气溶胶的浓度分布
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图 3 各采样点处细菌气溶胶总浓度 Fig. 3 Concentration of bacterial aerosols at different sites |
喷泉周围空间内的细菌气溶胶总浓度在(38±15)~(676±92)CFU·m-3之间，采样点的高度以及与喷头水平距离对细菌气溶胶浓度有显著影响(图 3).当与喷头的距离一定时，在0.75~1.75 m的高度范围内，细菌气溶胶浓度随高度增加而降低.在0.75 m高度处的细菌气溶胶浓度大都显著大于其余高度处(P<0.05).当采样点高度相同时，距喷头越远，细菌气溶胶浓度越小，这与液滴直径的变化趋势相反.经Spearman相关性分析发现，在0.75~1.75 m的范围内，当高度相同时，细菌气溶胶浓度均与液滴直径呈显著负相关(P<0.05)，说明液滴直径越大，雾化程度越低，微生物气溶胶浓度越小.另外，有研究表明: 温湿度、 太阳辐射及风速对于微生物气溶胶浓度的影响较大，微生物气溶胶浓度会随湿度和温度的增加而增大[30]； 而当风速增大时，由于气流扩散作用，则会使微生物气溶胶浓度降低[31, 32]，并且太阳辐射强度增大时，紫外杀菌作用也会导致微生物气溶胶浓度的降低[32].因此，当喷泉处于室外空间时，湿度会略低于喷泉工作时的室内湿度，再加上风速和辐射强度也会相应增大，所以在喷泉周围的微生物气溶胶浓度相比室内会有所降低.值得注意的是，风力虽然会稀释喷泉周围的微生物气溶胶，但是同时会增大其扩散范围，这无疑会增大对距离喷泉较远处人群的潜在威胁.
此外，研究发现随水平距离的增加，细菌气溶胶浓度在单位距离上的降低率有所不同(表 2).水平距离相差0.5 m时，同一高度处的细菌气溶胶浓度降低幅度相差很大，最大的降低率出现在2~2.5 m处，降低率均在50%以上.在高度为1 m时，从388 CFU·m-3降至123 CFU·m-3，降低率最大，高达68.3%.
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表 2 细菌气溶胶浓度的降低率 /% Table 2 Decreasing rate of bacterial aerosols concentration/% |
各级细菌气溶胶浓度在30个采样点上的空间分布如图 4所示.第1级(粒径>7.0 μm)、 第2级(粒径4.7~7.0 μm)、 第3级(粒径3.3~4.7 μm)、 第4级(粒径2.1~3.3 μm)、 第5级(粒径1.1~2.1 μm)和第6级(粒径0.6~1.1 μm)细菌气溶胶浓度的平均值分别为64、 33、 100、 72、 13和2 CFU·m-3.从整体上来看，第3级和第4级的浓度较高，第1级和第2级次之，第5级和第6级浓度最低.在距离喷头较近的位置，大粒径的细菌气溶胶浓度明显高于其他各级.例如与喷头水平距离0.5 m的各个高度处，第1级细菌气溶胶浓度甚至高于第3级和第4级.与喷头水平距离2 m以外，细菌气溶胶浓度明显下降，这在浓度最高的第3级上体现明显.
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(a)>7.0 μm； (b)4.7~7.0 μm； (c)3.3~4.7 μm； (d)2.1~3.3 μm； (e)1.1~2.1 μm； (f)0.6~1.1 μm 图 4 各级细菌气溶胶浓度的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of bacterial aerosols concentration with different particle size |
2.3 细菌气溶胶的粒径分布
不同位置处的细菌气溶胶粒径分布如图 5所示.从30个采样点的整体情况来看，第1级(粒径>7.0 μm)、 第2级(粒径4.7~7.0 μm)、 第3级(粒径3.3~4.7 μm)、 第4级(粒径2.1~3.3 μm)、 第5级(粒径1.1~2.1 μm)和第6级(粒径0.6~1.1 μm)的细菌气溶胶粒子浓度分别为7~181 CFU·m-3、 2~126 CFU·m-3、 9~300 CFU·m-3、 9~239 CFU·m-3、 2~28 CFU·m-3、 1~9 CFU·m-3，所占比例分别为5.1%~53.9%、 4.2%~22.6%、 10.7%~77.5%、 6.96%~36.5%、 2.4%~13.9%、 0.2%~13.5%.
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图 5 不同采样点的细菌气溶胶粒径分布 Fig. 5 Size distributions of bacterial aerosols at different sites |
随着与喷头水平距离的增大，第1级和第2级的细菌气溶胶粒子所占比例出现先降后升的变化趋势； 而第3级和第4级的粒子所占比例则是先升后降.从采样高度0.75~1.75 m，都存在这种变化规律.值得注意的是，升降变化的转折点都出现在水平距离2 m的位置，此处也是细菌气溶胶总浓度快速降低的折点，这与喷头自身参数有关，当喷头最大喷洒半径为3.4 m时，浓度变化的折点则会出现在距离喷头2 m远处的地方.第5级和第6级的细菌气溶胶粒子浓度低，所占比例大都在10%以下.但在水平距离2~3 m时，这些小粒径气溶胶粒子的比例有升高的趋势，例如在1.75 m高度，2、 2.5和3 m远处的0.65~1.1 μm粒子比例分别为0.3%、 4%、 13.5%.
根据肺气体动力学的研究结果，粒径在1.1~4.7 μm之间的粒子可以进入支气管，粒径0.65~1.1 μm的粒子则能深入人的肺部[16].图 4中显示，只有0.5 m远处各个高度的细菌气溶胶粒子集中在前两级(>4.7 μm)，从0.75~1.75 m高，所占比例为36.1%~66.2%； 而在其余各点处，细菌气溶胶粒子主要集中在第3级至第5级(1.1~4.7 μm)，所占比例范围为42.6%~86.2%.由此可见，在喷泉周围空间中，小粒径细菌气溶胶的比例并未随着与喷泉间距离的增大而减小.即使人处于远处，吸入细菌气溶胶的风险依然存在.
各点的中值粒径在3.0~4.4 μm范围内(表 3).高度为1.75 m时，细菌气溶胶的中值粒径随着采样点与喷头间距离的增大而逐渐降低，从0.5~3 m远处，依次为3.9、 3.7、 3.4、 3.3、 3.3、 3.0 μm.这意味着在距离喷头较远处，小粒径细菌气溶胶所占的比例不容忽视.
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表 3 不同点处微生物气溶胶的中值粒径 /μm Table 3 Median diameters of bacterial aerosol at different sites/μm |
3 结论
(1) 在距离喷头0.5~3 m，高度0.75~1.75 m的范围内，当高度相同时，喷泉产生的液滴直径随采集点与喷头之间的水平距离增加而增大，大部分水平距离相差0.5 m以上的两点间液滴直径差异性显著.
(2) 喷泉周围空间中的细菌气溶胶浓度与液滴直径呈显著负相关，随高度和与喷头的水平距离的增加而减小，距喷头2~2.5 m处细菌气溶胶浓度下降幅度最大.粒径3.3~4.7 μm的细菌气溶胶平均浓度最高.
(3) 随着与喷头水平距离的增大，粒径大于4.7 μm的细菌气溶胶粒子所占比例出现先降后升的变化趋势； 而粒径2.1~4.7 μm的粒子所占比例则先升后降.与喷头水平距离0.5 m以外的各点，细菌气溶胶粒子的粒径都集中在1.1~4.7 μm范围内.
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