时间：2026-01-26 点击量：
“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境课题组（BERL）课题组在中科院一区TOP期刊《Journal of Hazardous Materials》（影响因子IF：11.3）上发表了最新研究成果，利用一幢高层建筑作为城市生活实验室，研究卫生间生物气溶胶的暴露证据及传播特性。
Exposure evidence and transmission characteristics of biological aerosols in a high-rise building
高层建筑中生物气溶胶的暴露证据及传播特性
Yingying Fan（范莹莹）, Yongchao Wang（王永超）, Dehan Liu（刘德涵）, Yang Yao（姚杨）, Junjie Liu⁎（刘俊杰）, Jing Zhao（赵靖）, Lihua Dong（董丽华）,Can Wang（王灿）, Wei Liu（刘炜）
• 空气中少数生物群落的相对丰度较高；
• 室内空气中的铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌可能来自污水气溶胶化；
• 基因测序证据支持“粪-水-气”的传播途径；
• 向上楼层传播的颗粒物沉积量是向下楼层的 2.5 - 3.1 倍；
新冠疫情的爆发使人们愈发关注生物气溶胶空气传播风险，这一问题已成为建筑环境和公共卫生领域跨学科研究的焦点。病毒负载的气溶胶在室内悬浮时间较长，受热浮力影响可随气流跨越房间、楼层甚至建筑立面导致“超级传播事件”。因此，研究高层建筑内室内生物气溶胶的暴露证据和传播特征对于更好地制定预防和控制措施至关重要。
建筑排水系统已被确认为含病原体生物气溶胶的首要“孵化器”与“垂直传播通道”，当局部水封干涸、管道破裂或地漏失去屏障作用时，冲厕产生的负压脉冲，叠加烟囱效应，会导致携带病毒的粪便发生气溶胶化，形成气载颗粒物。随后，这些颗粒沿排水管垂直迁移，形成从“污水-排水系统-气溶胶-呼吸道”这一隐蔽的跨楼层传播链。流行病学调查和追踪工作已经初步证实排水系统在气溶胶传播中起着作用，但病毒传播往往是短期的爆发事件，监测及预测工作较为困难。因此，示踪气体和数值模拟的研究方法被用于探究生物气溶胶的扩散，为气溶胶的长距离传播提供了直接证据，但目前仍缺乏对排水系统中气溶胶的时间和空间分布特征以及传播特征的定量描述。
准确测量气溶胶的尺寸分布对于预测其传播特性至关重要。对有缺陷的卫生管道系统的特征分析表明，超过 99.5% 的颗粒物的尺寸小于 5 微米，单次冲水马桶所释放的细颗粒物量相当于一名成年人大声说话 6.5 分钟的排放量。然而，目前大多数研究仅报告了总颗粒数量。关于生物性颗粒的监测数据极为稀缺，基于实验舱的模拟实验也难以复制真实环境条件——包括实际的建筑通风模式、使用者行为以及动态气溶胶扩散范式。因此，在真实住宅环境（城市生活实验室）中对生物气溶胶动态变化规律的定量、高时间分辨观测尚属缺失。
随着高通量基因测序技术的广泛应用，使用基因测序方法已确认变形菌门、拟杆菌门和放线菌门在废水和管道生物膜中占主导地位，这些生物膜通常会进一步滋生一些机会性病原体。然而，由于空气颗粒的生物量较低以及 DNA 提取过程的困难，对其进行基因分析仍然具有挑战性，这导致室内空气微生物群落的基因组研究相对较少。目前，研究从同一建筑内不同楼层采集废水和空气样本，在基因水平上建立废水和空气微生物之间的遗传关联研究尚属于空白。
因此，本研究旨在通过相互关联的以下三个工作来量化高层建筑中生物气溶胶的暴露证据及传播特征。1、基于高通量测序的宏基因组分析，解析污水和空气样本的生物多样性、群落关联及致病菌；2、采用激光诱导荧光的在线生物气溶胶监测设备，揭示生物气溶胶的粒径及时间分布特征；3、以含荧光素钠成分的气溶胶作为指示剂，测量高层建筑中气溶胶的户间垂直传播、户内横向扩散及其沉积特征，以提供“污水井-气溶胶-户内”的传播证据。本研究结果将为高层建筑排水系统中的生物安全风险评估提供分子和物理证据，并为制定预防和控制策略提供科学依据。
图1. 图摘要
1、室内空气微生物的多样性
Pseudomonadota占据了空气中的细菌群落的主导地位，与Bacillota, Bacillota_A, Actinomycetota 及 Bacteroidota占总数的 90%以上（图2a）。图2b进一步揭示了属水平上的差异，革兰氏阴性菌如Pseudomonas_B, Burkholderia, Acinetobacter, Muricauda和 Nitrosoglobus，以及革兰氏阳性指示菌Corynebacterium被普遍检测到。其中Pseudomonas_B是人类皮肤微生物群中的典型菌属，其丰度与人口密度呈正相关，结果显示在A-1201房间的相对丰度最高，其次是 A-501 和 A-1501。结果证实，共用同一排水管的不同楼层的人员数量及活动对室内微生物群落具有筛选作用。
图2. 室内空气微生物群落中门类（饼状图）和属类（棒状图）的相对丰度；“A”代表空气样本
2、排水与室内空气中的微生物群落比较
如图3所示。空气中致病菌的物种丰富度和均匀度显著高于排水，B组（污水）有效物种数仅为A组（空气）的34%。P. aeruginosa作为获得性肺炎的重要暴露源普遍存在于污水中，在自然空气背景中的含量极低，而在A组空气样本中丰度高达30%，这一不同寻常的结果提示由冲厕，排水，地漏等雾化为气溶胶，形成了由水向空气的传播链。同样，A. baumannii在空气中的丰度达到10%，提示存在具有排水向空气传播的通路。以S. enterica为主的粪便指示菌，可在空气中检出，提示“粪-水-气”链条的存在。对免疫缺陷人群仍构成暴露风险。
图 3. a) 污水及室内空气中病原体热图；属级b)α多样性；c) β多样性；“A”代表空气样本，“B”代表污水样本。
3、生物性气溶胶沿垂直纵向排水系统的传播与沉积
采用抽水泵把1501马桶存水弯及1201和1701卫生间地漏抽干后，在1501马桶中释放荧光素钠气溶胶。在低楼层（1201）测试气溶胶沉积情况如图4所示，生物气溶胶监测设备于19分后检测到浓度升高。倒置荧光显微镜拍摄图片显示，马桶冲水按钮上荧光素钠沉积最明显，距离卫生间近的卧室和餐桌检测到少量沉积，客厅和厨房未检测到沉积量。而在破水封前，均未检出任何荧光信号，证明传播主要依赖于水封失效。同样地，在高楼层（1701）测试气溶胶沉积情况如图5所示，生物气溶胶监测设备于8分后在1701检测到浓度升高。破水封后观察到1701卫生间内及其他房间均有一定浓度的荧光素钠沉积，其中地漏和马桶按钮沉积量最大，分别是1201房间的2.5和3.1倍。
图 4. 排空 15F 马桶存水弯中的水，释放荧光素钠气溶胶；在 12F的测量结果：（a）气溶胶浓度随时间的变化曲线；（b）玻璃载片上的沉积物质量。
图 5. 排空 15F 马桶存水弯中的水，释放荧光素钠气溶胶；在 17F的测量结果：（a）气溶胶浓度随时间的变化曲线；（b）玻璃载片上的沉积物质量。
4、生物气溶胶在室内横向的扩散与沉积
为模拟粪便冲水前荧光素钠在卫生间的沉积规律，在典型位置放置载玻片进行被动收集。卫生间典型位置均有荧光素钠沉积（图6），浓度依次为马桶冲水按钮>天花板>门把手>窗台>淋浴开关。另外，在空间梯度上的沉积表明，马桶正上方与后侧沉积量最高，左侧最低，证实了虹吸式冲水产生的向上喷射气流优先将 >0.5 µm 颗粒托举至高位，随后沿天花板涡流扩散至整个隔间，导致卫生间内高处载玻片的沉积浓度大于低处。通过在真实住宅中量化冲厕后横向传播的表面沉积，表明即使在不考虑水封的情况下，仅马桶冲水仍可在几分钟内使生物颗粒扩散至相邻房间。
图 6. 荧光素钠的沉积量：a）在马桶周围不同方位和高度处的沉积量；b）在浴室内的其他关键位置的沉积量。
1、排水系统是室内生物气溶胶垂直传播的“隐形烟囱”
本研究通过宏基因组测序方法解析了高层居住建筑中生物群落在不同介质，不同楼层的种类和丰度。发现在自然空气中通常低于监测限值的P. aeruginosa 和 A. baumannii，在室内空气样本中的相对丰度分别为 30% 和 10%，这为排水系统产生的气溶胶传播途径提供了分子证据。因此，传统以“总菌落数”或“优势门”为指标的空气质量标准可能低估卫生间水源性肺炎风险。建议将 P. aeruginosa 与 A. baumannii列为空气检测指标，超出浓度即可触发整改。室内气溶胶的治理不能独立于污水系统管理，须将空气末端控制与污水源头治理同步规划、同步实施。
2、室内生物气溶胶传播的时空分布
真实住宅作为城市生活实验室通过实验量化了排水系统故障、冲厕时的生物气溶胶传播及表面沉积的时间特性。结果表明水封一旦失效，排水系统可以将马桶或地漏雾化的 <0.5 µm的水源性致病菌在19分钟内借助烟囱效应实现至少三层的跨楼层传播。
另外，借助载玻片被动收集及倒置荧光显微镜拍摄证明了传播主要依赖于水封失效。对于纵向传播而言，破水封后观察到向上楼层比向下的传播距离更远，且在以上楼层卫生间及户内其他功能区均可检出沉积量，而在以下楼层仅卫生间及相邻房间检测到。
本研究以一栋真实高层居住建筑作为城市生活实验室，在同一立管多楼层尺度上，将宏基因组测序与荧光素钠示踪同步应用，系统评估了高层住宅室内生物气溶胶的暴露证据与传播特性。对室内空气和污水的基因测序结果表明，同一排水立管上人员活动和楼层微环境对室内微生物群落具有强烈的筛选作用，空气样本被优势物种占据，导致群落适应能力弱，卫生风险较高；源自污水的P. aeruginosa和A. baumannii，在室内空气中的相对丰度高达30% 和 10%，且以粪便指示菌S. enterica也可以在空气中检出，证明了“粪-水-气”气溶胶传播链条的存在，在基因层面阐述了排水系统气溶胶化是高层住宅室内机会致病菌持续暴露的主导途径，人员活动仅提供楼层特异性标签。另外，马桶冲水及烟囱效应下生物气溶胶在垂直纵向及横向传播的时空分布表明，水封一旦失效，排水系统可以将马桶或地漏中的水源性致病菌雾化的 <0.5 µm 可吸入颗粒，在 19分钟内借助烟囱效应实现跨楼层传播。向上沉积量为向下沉积量的 2.5–3.1 倍，最远沉积至房间内最远的厨房位置。然而即使水封完好，马桶冲水仍可在 <6分钟 内使 0.3 µm 生物颗粒扩散至相邻房间，且在卫生间隔间内高处的表面沉积量显著高于低处。本研究为高层住宅排水系统及室内空气的生物安全设计提供了理论基础，建议在标准修订中增加条例指导室内气溶胶的消杀与污水治理同步规划。
致谢：本项目受到十四五重点研发计划“国家质量体系(NQI)”专项的资助（2023YFF0613101）
Fan, Y., Wang, Y., Liu, D., Yao, Y., Liu, J., Zhao, J., Dong, L., Wang, C., Liu, W., 2026. Exposure evidence and transmission characteristics of biological aerosols in a high-rise building. Journal of Hazardous Materials 503, 141221.
原文下载链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2026.141221
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稿件编辑：范莹莹
审核人：刘俊杰、田媛
