生物气溶胶科学、技术、工程的过去、现在以及将来

生物气溶胶科学、技术、工程的过去、现在及将来

北京交通大学土木建筑工程学院北京 100044

摘要：差的空气卫生造成的生物气溶胶污染已经给人们带来了各种不利的健康影响以及疾病的发生。此外，生物恐怖袭击等也逐渐威胁人类的安全。目前，大体积生物采样，实时生物监测技术、生物气溶胶定量及控制以及疾病爆发于生物气溶胶暴露是当前生物气溶胶的研究方向。虽然自从19世纪晚期，生物气溶胶领域已经取得了突破性的进展，但是与其他学科相比，仍然有很多不足需要研究。该论文旨在综述当前生物气溶胶领域的科学技术。

关键词：生物气溶胶；样品采集；PCR；宏基因组

Bioaerosol Science, Technology, and Engineering: Past, Present, and Future

REN Jia

Department of Civil Engineering , Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China Abstract: Poor air hygiene as a result of bioaerosol contamination has caused diverse forms of adverse health effects and diseases. In addition, global biosecurity is threatened by purposeful use of biowarfare agents and the vulnerability of people to the infectious agents. Accordingly, developments in high-volume biosampling, including aerosol-to-hydrosol techniques with low cut-off size, real-time bioaerosol detection, adequate biological quantification, and exposure control, as well as the investigation of the link between disease outcome and bioaerosol exposure, are current areas of bioaerosol research. Although milestone progress has been achieved both in bioaerosol sampling and analysis techniques since late 1800s, compared to atmospheric chemistry the bioaerosol field is still understudied. This work is conducted to broadly review current state-of-the-art sciences and technologies in the bioaerosol field.

Key words: bioaerosol; sampling; PCR; metagenomic

大量的研究证明生物气溶胶可以通过呼吸作用对人体健康产生负面的影响，涉及到病原微生物的时候，甚至会造成死亡（Douwes et al.2003）。生物气溶胶通常是指悬浮在空气中的空气动力学直径小于100µm的含有生物成分的颗粒，包括细菌、病毒、真菌、花粉、植物碎片以及它们的分泌物，比如内毒素、葡聚糖、过敏原和霉菌毒素（Cox 1995）。人类打喷嚏时也会产生大量的生物气溶胶，有研究表明，室内的生物气溶胶可能包含有呼吸致病菌、尘螨、真菌孢子、菌丝体和其他生物质，更容易引起过敏性或传染性疾病。除此之外，一些人为活动，比如废物回收、生物堆肥土地利用、农业、制药业以及一些生物分析技术也可以产生各种形式的生物气溶胶。虽然一些研究表明儿童在一定程度的内毒素暴露条件

下可能会对其抵抗湿疹和哮喘产生积极的影响（Tischer et al. 2011），但更多的研究表明生物气溶胶污染可能会引起呼吸道感染，过敏性反应等。在美国，生物气溶胶会造成大约年均2.5亿次呼吸道感染事件，7千5百万就诊人次，1.5亿天病假，100亿医疗费用，外加大约100亿的经济损失（Cox 1995）。2003年严重急性呼吸道综合症（SARS）的爆发以及2009年全球性的HIN1病毒感染事件极大的引起了世界范围内的关注。此外，由于地区动荡和政治冲突，生物恐怖主义的威胁日益严重，对人类健康构成严重的威胁。生物气溶胶除了会对人体健康产生影响外，也可能会通过全球性的扩散影响公众和生态环境。总之，人类正面临着日益严重的生物气溶胶感染威胁。

1 生物气溶胶的发展

经历了19世纪的黄金时代，生物气溶胶已经迎来了新的快速发展的新纪元。达尔文最早在1833年从空气灰尘中发现了霉菌孢子，Pasteur在1861年提出空气中存在有人类肉眼不可见的微生物，驳斥了之前的无生源说。Haldane和Anderson在1887年发表了一篇突破性的研究，他们调查了英国某学校以及居民房间内的空气中的霉菌和细菌，说明了通风和昼夜差异对空气中霉菌和细菌的影响，此后科学家们陆续在空气中发现了青霉菌孢子、苏云金芽孢杆菌以及在医院空气中发现天花病毒的传播。1908年，一种新的采样方法——类似于液体捕捉法的方法发表在科学杂志上，使得分离空气中细菌成为可能。此后，人们对气溶胶做了大量的研究。

2 生物气溶胶的发生及采集

2.1 生物气溶胶的发生

当评价一种新的生物气溶胶采样器或者控制技术的效果时，微生物通常需要首先被雾化，实验室一般使用一个喷雾器将相应微生物的悬浊液雾化，然而这种方法在微生物反复被雾化的过程中可能会对其可培养性产生不利影响。因此，人们逐渐发明了一种新的相对温和的雾化器——液体喷射雾化装置（Liquid sparging aerosolizer, LSA），该装置使用蠕动泵输送微生物悬浊液，微生物只经过一次雾化过程，从而维持有限程度上的损伤。已有研究表明，该装置可以提供稳定的气溶胶/微生物气溶胶浓度（Mainelis et al.2005），但由于在使用过程中需要增加一台机械设施，这也在一定程度上阻碍了它在实验室的广泛推广应用。

对于如何获得真菌孢子气溶胶，通常采用干式法，即从被真菌污染的污染物表面通过风吹获得。在某个实验室小试时发现从琼脂培养基表面通过干式获得了与基于液体发生装置不同的非凝聚真菌孢子，同时真菌的种类、通过污染物表面