气载微生物在不同温度下的自我衰减动力学和机理

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点击次数:360 更新时间:2022年05月11日11:05:39 打印此页 关闭

第一作者:蒋冠羽 (天津大学)

其他作者:马金标,王灿,王永超,Azhar Ali Laghari

通讯作者:王灿

通讯单位:天津大学

DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155033

图文摘要

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生物气溶胶作为一种重要的传播媒介,在疾病传播和环境生物安全方面的潜在危害已引起了人们的广泛关注。然而,人们对气载细菌在大气环境中的停留时间和衰减情况知之甚少。自我衰减过程包括生物衰减和物理衰减。目前,有关细菌凋亡机制和气载颗粒物理迁移的研究报道较多,很少有研究关注气载细菌在物理运动过程中的死亡情况。本研究探究了室温(18 ± 2 °C, RT)和低温(3 ± 2 °C, LT)条件下密闭反应器中气载细菌的自我衰减规律和效率。分别在室温-大肠杆菌、低温-大肠杆菌、室温-金黄色葡萄球菌和低温-金黄色葡萄球菌的测量中,得到了0.0089、0.0133、0.0092和0.0122 min-1的自我衰减速率常数。在相同条件下,革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的自我衰减效率无显著性差异。但革兰氏阴性菌比革兰氏阳性菌对温度变化更敏感,低温下革兰氏阴性菌的自我衰减效率比室温下高49%,相同条件下革兰氏阳性菌只相差32%。此外,通过理论推导,生物衰减和物理衰减规律符合一级动力学模型。生物衰减在室温条件下占自我衰减的59.5%,在低温条件下占88.5%,这主要是由能量吸收、环境压力和细菌结构变化导致的。物理衰减主要由重力沉降引起,在室温条件下占自我衰减的40%左右,在低温条件下占10%左右。与此同时,环境因素对自我衰减造成的影响主要体现在生物衰减过程中。本研究对于明确生物气溶胶的变化规律,控制气载细菌的传播具有重要意义。

研究背景

近年来,SARS、COVID-19、结核病等通过空气传播的呼吸道传染病经常在全球范围内对人类健康构成严重威胁。研究指出,全球20%的呼吸道感染是由生物气溶胶造成的。因此,生物气溶胶作为一种重要的媒介,其在疾病传播和环境生物安全方面的潜在危害引起了广泛关注。

生物气溶胶会被包括物理和化学在内的许多因素所影响。一方面,作为微米和亚微米粒子,细菌本身具有粒子在空气中迁移的特征。细菌数量的物理下降可能是由于重力沉降、浓度梯度扩散、热运动等现象。此外,细菌可以通过一系列方式与空气中的液滴结合,例如,通过被大液滴包裹,通过细胞壁网状纤维素粘附在液滴上,以及通过静电吸附。因此,随着液滴的蒸发和凝结,细菌就会改变其现有的状态。结合的细菌将通过物理迁移到达反应器的底部,在那里它们虽然没有死亡,但也不能被培养方法捕获和检测到。这部分空气中的细菌的消失被称为物理衰减。另一方面,空气中的单个细菌会因环境因素如脱水、蛋白质变性、DNA损伤、盐浓度、细胞壁损伤等而死亡。这些环境诱因通常是光、微波(MV)、热、自由基、化学物质等。一些细菌在压力条件下会在细菌体内自发产生活性氧(ROS)、毒素和其他物质,导致细菌自杀。从宏观的角度来看,死亡的细菌细胞是它们自己生命周期的终点,而不是由于其他物理迁移而离开空气介质,因此这部分死亡被称为生物衰减。目前,关于气载细菌在物理运动过程中的自我衰减的研究很少,我们不知道气载细菌在落地前死亡的比例。

文章亮点

1、气载细菌的自我衰减是由生物和物理衰减决定的。

2、生物和物理衰减均符合一级动力学模型。

3、相比于革兰氏阳性菌,革兰氏阴性菌对温度变化更敏感。

4、低温通过作用于生物衰减对自我衰减产生影响。

研究方法

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图1 实验装置及流程

 在本研究中,我们建立了一个密封的批次反应器来模拟一个无干扰的室内环境,它可以隔离气流对系统的影响。我们将定量的生物气溶胶输入反应器,检测其在自然条件下的颗粒大小和生物活性的变化。目的是研究空气中细菌的自我衰减规律,并区分不同温度下生物衰减和物理衰减的占比。此外,我们还建立了不同温度下的衰减动力学模型来定量地描述细菌的衰减过程。本研究对于阐明生物气溶胶的衰减规律和控制空气中细菌的传播具有重要意义。

图文总结

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图2 空气中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌不同温度自我衰减 

(a)室温-大肠杆菌  (b)室温-金黄色葡萄球菌  

(c)低温-大肠杆菌  (d)低温-金黄色葡萄球菌  

 气载细菌在不同温度下的自我衰减情况如图2所示。在室温和低温条件下,我们分别对空气中的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行了研究。在室温环境下,空气中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的衰减无显著差异。衰减效率在30min时均达到0.6lg,在180min时均达到1.8lg。在低温条件下,金黄色葡萄球菌的衰减效率低于大肠杆菌,在30min时衰减效率分别为0.4lg和0.7lg,在180min时衰减效率均达到1.8lg。总体而言,在不产芽孢菌的范围内,气载细菌的自衰效率受温度和种类的影响不大。革兰氏阳性菌通常比革兰氏阴性菌在衰减初期对环境压力的抗性更强。可以看出,无论是在室温还是低温下,各粒径范围内的生物气溶胶均有明显的衰减趋势。细菌在空气中以与液滴结合的状态传播,相应地,细菌的附着也会影响气溶胶的大小。在粒径分布方面,细菌主要附着在空气动力学粒径小于5μm的气溶胶颗粒上,而大于5μm的粒子会迅速转化为小粒子,其中5μm被世卫组织定义为气溶胶传播和飞沫传播的边界粒度。值得注意的是,小于5μm的空气传播病原体会通过鼻腔进入下呼吸道;小于1μm的病原体比例的增加,有可能导致长途传播,并导致下呼吸道感染的风险。

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图3 不同温度下气溶胶的物理衰减

(a)室温 (b)低温 

 我们从图2所示的尺寸范围中选择了一个单一的粒度,并使用OPS来测量其在不同温度下的变化。如图3所示,在室温和低温条件下空气中液滴的衰减趋势大致相同,随着停留时间的增加,各粒径数逐渐减小。然而,室温条件中的粒子数约为低温条件中的一半,且衰减速率快于低温。气溶胶发生器产生的液滴是大体积样品,在低温时具有较高的表面张力,更容易产生微米级的颗粒。此外,液滴在低温时倾向于融合或聚结,从而导致生长。同时,液滴在低温时的蒸发速度也较慢,延长了其存在时间。如图3所示,低温时5μm以上的粒子数明显高于室温,因此,室温时的物理衰减速率明显快于低温,分别为0.65lg和0.42lg。环境温度和湿度的变化会影响空气的密度和粘度。当温度从3°C增加到18°C时,空气粘度从17.3×105Pa·S增加到18.1×105Pa·S,颗粒沉降效率降低了4.6%。因此,环境因素会对粒子的物理行为有一定的影响。与图2相比,空气中的物理粒子数量约是细菌数量的104倍。细菌的数量远少于物理粒子,细菌和液滴形成的复合物对整个物理迁移行为的影响不大,因此,室温下和低温下的物理衰减主要受物理颗粒的行为影响。

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图4 空气中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的衰减动力学拟合 

 我们对空气中细菌的自我衰减动力学规律进行了初步的探索。如图4所示,空气中的细菌在自然条件下呈指数衰减规律,不同细菌在不同温度下的浓度衰减曲线基本相似。因此,我们预测了气载细菌在自然条件下的自我衰减符合一级动力学定律。我们对室温和低温环境下空气中的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的自我衰减效率进行了动力学拟合(图4),线性拟合R2大于0.95,表明有良好的线性关系。在低温环境下,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的自我衰变效率分别比室温环境高49%和32%,这意味着革兰氏阴性菌比革兰氏阳性菌对温度的变化更为敏感。在室温环境中,大肠杆菌气溶胶的宏观衰减速度略快于金黄色葡萄球菌,而低温环境的结果则相反。这可能是由于金黄色葡萄球菌的细胞壁比大肠杆菌具有更厚的肽聚糖层,这可以提高其在不利环境中的耐受性。从总体上看,在相同的操作温度下,两种细菌气溶胶的宏观衰减差异不明显,说明拟合结果对各种细菌具有良好的通用性。空气中细菌的自我衰减受到物理过程和生物学过程的影响,我们进行了更进一步的分化分析。

7.png图5 物理和生物因素对自我衰减的贡献

A1:生物因素的贡献。A2:物理因素的贡献 

 我们阐明了自然条件下的生物和物理衰减规律,并观察了其对气载细菌自我衰减的贡献。在室温条件下,气载细菌的自我衰减约有59-60%是由生物因素引起的,这一比例将在低温条件下上升到约88-89%。从细菌种类的角度来看,在相同的温度下,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生物衰减没有显著差异,这些非孢子细菌更有可能死在不利于它们的生存的低温气溶胶中。值得注意的是,在本研究中,所述低温为相对室温较低的温度,此时光子能量、化学物质和失水量对细菌的影响都很明显。然而,如果温度继续降到零度以下,细菌将进入休眠状态,以增强它们对环境的抵抗力,同时,化学物质和紫外线消毒性能也会下降,细菌将更有可能存活。这也是为什么细菌在冷藏环境中难以被完全破坏的原因(一般小于20°C)。因此,探索气载细菌的极低温活性动态变化也是非常必要的。

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图6 空气中细菌的生物衰减和物理衰减示意图 

 如图6所示。气载细菌的生物衰减可能受到多种物理和化学因素的影响,导致脱水、蛋白质变性、DNA损伤、盐浓度、细胞壁损伤等变化,从而导致死亡。没有灭活能量输入的细菌的自然死亡是一个相对缓慢的过程。环境和阳光提供的自然失活能相对较弱和分散,死亡率一般以分钟或小时为单位进行量化。由于环境应激、内部氧化应激或基因表达在细胞间的异质性,气载细菌可能会随机发生结构或非结构损伤。一部分细菌已经死亡,但仍然保持了一个相对完整的细胞壁(细胞膜),其渗透性发成了改变,而不是颗粒大小产生变化。这部分细菌将与活细菌一起参与由重力沉降主导的物理衰减过程。同时,由于细菌破碎或细胞膜的半通透性干扰,细菌片段、蛋白质、DNA、内毒素等细胞内容物被释放。这些碎片将参与布朗运动,即以小粒子的形式出现的扩散沉降,它们也可以被装载在液滴上并随之迁移,在这些迁移过程中将会有潜在的生物和遗传污染。

文章结论

本研究探讨了不同温度下空气中细菌自我衰减的衰减机理和动力学模型。此外,我们对这一过程的宏观动力学进行了定量描述,旨在阐明生物因素和物理因素在自我衰减过程中的贡献。该研究结果对于阐明生物气溶胶的变化规律和控制空气中细菌的传播具有重要意义。

综上所述,在相同条件下,革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的自我衰减能力无显著性差异,生物衰减和物理衰减均符合一阶动力学模型。分别在室温-大肠杆菌、低温-大肠杆菌、室温-金黄色葡萄球菌和低温-金黄色葡萄球菌的测量中,得到了0.0089、0.0133、0.0092和0.0122min-1的自我衰减速率常数。低温条件下革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的自我衰减效率分别比室温条件下高49%和32%,革兰氏阴性菌比革兰氏阳性对温度变化更敏感。此外,由于能量吸收、环境压力和细菌结构的变化,生物衰减在室温条件中占自我衰减的59.5%,在低温条件中占88.5%。在主要由重力沉降引起的自我衰减中,物理衰减在室温时约占40%,在低温时约占10%。值得注意的是,环境因素对自我衰减的影响主要反映在其对生物死亡过程的影响。

 

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