建筑環境中微生物對液滴蒸發影響的實驗研究

劉 荔，劉 鑫，段夢婕，王 怡，張馨語,4

(1.西安建筑科技大學 建筑設備科學與工程學院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院，陜西 西安 710055；3.清華大學 建筑學院，北京 100084；4.中國輕工業西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710001)

建筑室內表面上常常存在來自人、動物、供水系統等處含有各類微生物的液滴.盡管絕大部分的室內微生物屬于不影響人健康的中性微生物，但嗜肺軍團菌、生物毒素和呼吸道傳染病病原體等機會性微生物仍需要通風、空氣潔凈等工程控制手段以保證室內居民健康.液滴的蒸發會影響其攜帶微生物的活性.但是液滴攜帶的微生物是否會影響其蒸發作用尚不明確[1-4].

以人呼出液滴為例，其內部組分較為復雜.除去部分離子、乳酸鹽及糖蛋白之外，還存在不同細菌的生長繁殖等生命過程及不同屬種細菌之間的相互作用.這些影響因素可能造成了液滴液面張力的不同，因而對液滴的蒸發速率造成影響.隨著蒸發的進行液滴內各組分的濃度也會發生變化繼而對蒸發速率產生進一步的影響.當液滴沉降在固體材料表面時，液面張力和黏附力使液滴部分表面與固體表面分離，成球蓋狀形態進行蒸發.多數研究發現液體的潤濕性、液滴粒徑、接觸面材料、溫濕度等因素都會影響液滴的蒸發[5-12].Nellimoottil等[13]將純水液滴中的能夠運動的活細菌能夠影響蒸發殘余的形態；Xie等[14]研究了4種細菌分別在3種鹽度(0, 0.9和36% w/v)液滴中蒸發之后的存活狀態，發現最終，在液滴干燥之后，液滴中細菌的種類和懸浮液鹽度決定了液滴中細菌的存活率.但是在液滴蒸發過程中，所有四種物種都存活良好；Redrow等[15]提供了一種新模型來模擬人類咳嗽或打噴嚏時唾液液滴的蒸發和散布，計算發現10 μm唾液液滴可在0.5秒內蒸發成為液滴核(3.5 μm).Vejerano等[16]評估了在暴露于不同濕度的環境空氣中時，飛沫液滴不同且詳細的物理化學特征，將液滴中水的蒸發對其鹽、蛋白質和表面活性劑等成分的濃度變化的影響進行了量化.液滴暴露于室內空氣中即產生蒸發現象，蒸發過程中發生的傳熱傳質影響液滴中微生物的活性，但如何量化活性微生物的存在對液滴蒸發本身的影響，目前還未有文獻涉及.因此，本研究選取室內環境中非常常見的3種不同屬種的細菌，系統性測量其液滴在室內常見疏水表面的蒸發率和接觸角變化率，以求初步理解微生物活性組分對液滴自身液面張力等物性的量化影響.

1 實驗材料與方法

建筑室內較為常見的表面材料，其接觸角的角度多集中在1.12～2.09 rad如表1所示.所以，實驗選用的固體接觸面材料為聚乙烯疏水涂層玻片.本實驗將相同體積(2 μL)但是含相同濃度不同種類的細菌液滴自由釋放至聚乙烯疏水材料表面.對液滴蒸發過程中液滴的接觸角、質量、液滴與接觸表面的直徑及液滴高度的變化進行測量，并同時對環境溫濕度的變化進行實時記錄.實驗分為待測液滴準備階段和實驗階段.待測液滴準備階段主要為細菌菌液的準備包括細菌的培養與活化，相關實驗材料的滅菌工作.待測液滴種類分別為純水、0.9%(w/v)生理鹽水和3種細菌液滴.三種細菌分布為大腸埃希氏桿菌EscherichiacoliATCC 01426，細菌大小約為0.6 μm ×(2～3) μm；枯草芽孢桿菌BacillussubtilisACCC 11060，細菌大?。?0.7～0.8)μm×(2～3)μm，芽孢大?。?0.6～0.9)μm ×(1.0～1.5)μm；類干酪乳桿菌LactobacilluscaseiCICC 6108，細菌大小<0.6 μm × 1.5 μm.細菌培養活化所使用的培養基為肉湯培養基[北京陸橋技術股份有限公司, 標準LB肉湯培養基]，其中含胰蛋白胨10 g/L, 酵母提取物5 g/L，氯化鈉10 g/L.細菌菌種經培養及擴增之后達到109CFU/ml，加入0.9 % (w/v) 生理鹽水[山東辰欣藥業股份有限公司，250ml×0.9%] 中稀釋至107CFU/ml.即細菌培養基殘余部分使得液滴中氯化鈉含量增加約1倍，即1滴初始體積為2 μL的細菌液滴中含氯化鈉約為19 μg.

表1 建筑室內常見表面材料的接觸角范圍表Tab.1 Contact angle range of common surface materials in building interior

實驗階段為純水、0.9%(w/v) 生理鹽水、三種細菌液滴的蒸發測量階段.實驗系統圖如圖1所示.實驗測量裝置為德國賽多利斯生產的電子分析天平(型號為CPA225D)及美國科諾工業有限公司生產的全自動接觸角儀(型號為SL200KS).電子分析天平稱量范圍為200 g，精度為0.000 01 g.全自動接觸角儀的讀值分辨率為0.01°，測試精度為±1°，接觸角角度的測試范圍為0～180°.近距離自由釋放液滴采用德國Eppendorf生產的移液槍，其取液量范圍為1 μL至10 mL.

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

在實驗進行前使用超聲波清洗機對固體材料樣品、燒杯等儀器進行清洗.待固體材料烘干之后，將稱量紙及疏水材料分別置于電子天平秤盤及全自動接觸角儀固體基板之上.分析天平顯示器讀數穩定之后進行調零操作，并調整接觸角儀上固體基板位置使其位于計算機顯示屏中心.之后使用移液槍將待測液滴分別自由釋放于兩個疏水材料之上.使用電子記錄儀將液滴蒸發過程中質量及液滴蒸發形狀的變化記錄下來.待液滴質量及液滴形狀不在變化時，認定實驗結束.為減小誤差，每組實驗進行6組，最后取6組實驗的平均值.并在此基礎上對液滴的有關參數進行相對誤差的計算.實驗環境為：溫度為22±1 ℃；相對濕度為52±5 °.

其中一組待測液滴(純水液滴)蒸發過程如圖2所示(圖2蒸發液滴的時間點節選依次為無量綱時間0tf(0 s)、0.15tf(120 s)、0.26tf(210 s)、0.37tf(300 s)、0.48tf(390 s)、0.59tf(480 s)、0.74tf(600 s)、1tf(810 s).無量綱時間, t* = t/tf,tf總蒸發時間).記錄時間間隔為30 s.

圖2 純水待測液滴蒸發過程圖Fig.2 Evaporation process of pure water droplets to be tested

2 實驗結果與討論

純水、0.9% (w/v) 生理鹽水、三種細菌液滴的蒸發時間差別較大.三類不同種類液滴的蒸發結束的定義如下：當電子天平的顯示為0.000 00 g時標志著純水液滴蒸發的結束；當電子天平顯示的示數恒定不變且維持1 min以上時意味著無機鹽溶液液滴蒸發的結束；而對于細菌液滴，由于細菌在液滴內部的生長與繁殖活動，細菌液滴在蒸發接近結束階段，其質量一直處于小幅波動狀態.因此選取初次達到電子天平示數最小時的時間作為細菌液滴的蒸發總時間.

2.1 純水液滴以及生理鹽水液滴蒸發實驗結果分析

理解純水液滴的蒸發模式及蒸發過程對于研究細菌液滴蒸發速率的影響因素至關重要.由圖3對比實驗與已有研究中純水液滴質量變化發現，液滴質量的改變節點均在蒸發進行至各自總時間的一半左右.也就是在純水液滴蒸發的前期，液滴的蒸發速率較為均勻，蒸發速率均衡.在純水液滴蒸發的后期，液滴質量的變化較蒸發前期有所減小.綜合已有及本文的實驗結果顯示純水沉降液滴的蒸發是呈階段性的，與其接觸角變化和液滴形態的切換相關.圖4中，本次實驗的實驗結果與已有的純水液滴接觸角的變化規律相近.但是測量所選擇的液滴其初始粒徑不同，實驗所處的環境溫度和濕度相差較大.以及使用了不同疏水性的表面材料，導致實驗結果和已有實驗存在合理范圍內的偏差.

圖3 純水與已有結果對比：質量變化Fig.3 Comparison of pure water droplet evaporation with existing studies: mass loss by time

圖4 純水與已有結果對比：接觸角變化Fig.4 Comparison of pure water droplet evaporation with existing studies: variation of contact angle by time

不加入細菌的生理鹽水液滴蒸發可分為四個階段，見圖5.在生理鹽水液滴蒸發的初始階段內(無量綱時間<0.25tf)液滴接觸角的變化率比較穩定，約為-0.6×10-3rad/s，在此階段，液滴的形態穩定，僅為內部質量的減少.同時在初始階段內，液滴的蒸發率比較穩定，約為-1.0×10-6g/s.第二階段(蒸發時長0.25tf～0.5tf)

接觸角變化率呈上升趨勢，即這一階段內接觸角減小的速度逐漸加快.同時液滴質量及體積的減少受到液滴接觸線阻隔的影響，因此液滴逐漸坍塌.即液滴的直徑保持恒定但液滴高度減小.第二階段內的液滴蒸平均蒸發速率環比第一階段有些下降，約為-0.9×10-6g/s，但液滴的蒸發速率仍保持穩定.第三階段(蒸發時長0.5tf～0.7tf)接觸角變化率穩定至-1.2×10-3rad/s，液滴形態快死變化.第四階段(蒸發時長0.7tf～1.0tf)接觸角變化率迅速衰減，即接觸直徑迅速減小，液滴殘余形態形成，接觸角不再大幅變化；這一階段的蒸發率也大幅減小，穩定至-0.2×10-6g/s，即為液滴殘余內部水分緩慢喪失至逐步干燥階段，蒸發率最終快速下降至0.

圖5 生理鹽水液滴質量蒸發率及接觸角改變率隨時間變化圖Fig.5 Variation of mass evaporation rate and contact angle change rate of NaCl solution

2.2 細菌液滴蒸發實驗結果分析

細菌菌體為不可揮發物質，因此在液滴純水部分蒸發后，細菌菌體仍會在接觸表面以液滴殘余的形式存在.不同種類的液滴蒸發結束后，其液滴殘余成分不同.生理鹽水液滴的液滴殘余主要以結晶體的形式出現，其中包括：碳酸氫鈉、氯化鈣的水合晶體及氯化鈉、氯化鉀單晶體.由實驗結果顯示結晶質量約為269 μg，約占初始質量的15%(如表2所示).雖然細菌液滴中由于細菌的生理代謝活動，均包含有培養基殘余和細菌本身.但細菌液滴的殘余質量均不同程度的小于生理鹽水液滴殘余.此現象的產生原因尚不明確，可能性一為：由于活性細菌在其生理代謝活動中攝取并消耗了液滴中一部分的無機鹽及其他營養物質導致了質量的變化；可能性二為：活性細菌在其生理代謝活動中自身釋放出了有關的化學成分，此化學成分通過改變整體化學構成提高了液滴的揮發性.這還需要未來進一步通過實驗或其他分析的方式進行確定.結果同時表明，細菌粒徑越大，其液滴殘余質量越高.枯草芽孢桿菌菌體大小約為類干酪乳桿菌的3.9倍，約為大腸埃希氏桿菌的2.3倍，其液滴殘余質量比相對應為2.5倍和2倍.

表2 5種不同液滴蒸發信息匯總表Tab.2 Evaporation status of 5 different droplets

在實驗的同時還發現，選用的細菌液滴蒸發時間均長于純水液滴的蒸發時間，約為純水液滴蒸發時間的2～3倍.此現象說明細菌液滴中各種化學組分及生物組分的綜合作用提高了液滴的液面張力從而使水分子從液滴表面逃逸的化學勢提升減慢了蒸發速率.

雖然細菌液滴的蒸發速率較生理鹽水液滴慢，但其蒸發率變化趨勢相近，均隨著時間發展逐漸下降.實驗發現，在所進行的三種細菌菌液液滴中含有芽孢的枯草芽孢桿菌液滴的蒸發率大于其他不含芽孢的細菌菌液液滴的蒸發率如圖6所示.其中類干酪乳桿菌液滴的蒸發率最慢；大腸埃希氏桿菌液滴的蒸發速率居中，與生理鹽水液滴的蒸發模式及速率最為相近.

圖6 對比生理鹽水不同細菌液滴蒸發特性：蒸發率Fig.6 Evaporation characteristics of bacterial droplets： mass loss

圖7 對比生理鹽水不同細菌液滴蒸發特性：接觸角變化率Fig.7 Evaporation characteristics of bacterial droplets： contact angle

圖8 對比生理鹽水不同細菌液滴蒸發特性：高度和接觸直徑Fig.8 Evaporation characteristics of bacterial droplets： diameter and height

以無量綱蒸發時間(0.25tf、0.5tf和0.7tf處)為節點可將細菌液滴的蒸發過程分為4個階段.初始階段時，液滴和接觸表面的接觸直徑保持不變，液滴的高度變化較小趨向于不變.即液滴形態由近似球體蒸發變為半球體.此階段內液滴的蒸發率和接觸角變化率均保持穩定.當蒸發進行至無量綱時間0.5tf時液滴開始由半球體形態向球缺形態轉變.此階段內液滴蒸發率稍有下降但接觸角變化率迅速上升至原先的2～4倍.

在蒸發進行至0.7tf時，此時液滴高度變化至最小值且接觸直徑開始減小.液滴體積和質量變化量均達到最小并開始逐步形成液滴殘余.縱觀液滴的蒸發過程中其直徑兩個不同階段的變化規律：蒸發初始階段：此時，由于接觸線的阻隔作用接觸直徑保持不變.此階段內接觸角逐漸下降且其變化比較迅速；蒸發后期階段：液滴高度達到低值，液滴的接觸直徑及接觸角隨時間均出現逐漸減小的趨勢，此階段內的液滴高度仍在減小.然而，兩個階段內的液滴高度隨時間變化較為平穩，大致呈線性狀態分布.

類干酪乳桿菌及大腸埃希氏桿菌液滴的蒸發過程中參數的變化規律十分相近，包括接觸角變化率的變化、液滴高度及直徑.從理論角度分析，蒸發速率較慢的液滴其表面的水蒸氣壓力大，因此，液滴的接觸角變化小.理論角度的分析與實驗觀察到的結果相符合.當細菌液滴被自由釋放至固體表面上時開始進行蒸發，此時液滴內部的菌體由于環境氣流及液體內部等原因隨著蒸發的進行向液滴底部靠攏.導致液滴頂部的液面張力小于靠近固體表面的液面張力，由此液滴過早地進入張力不均勻狀態，繼而影響接觸角的變化.而相對菌體體積小的細菌，體積較大的細菌在液滴內下降至液滴下部的下降速率較快，液滴表面的液面張力不均勻狀態出現的時間節點更早.換句話說也就是當菌體越大時，接觸角的變化越劇烈.而反之，當菌體越小時接觸角的變化越小.

此次的實驗結果可初步表明飛沫液滴的蒸發中，細菌的影響較大.一來可以延長蒸發時間，二來可以使細菌液滴在空氣中的蒸發速率保持恒定，由此沉降液滴便會將菌體不斷的釋放至周圍空氣中，并隨著空氣氣流運動進行擴散.而枯草芽孢桿菌雖為桿菌且菌體體積較大，但因其芽孢的存在使液面張力降低，從而其蒸發速率會大于其他細菌菌液液滴的蒸發.

3 結論

通過實驗對比研究了細菌對液滴蒸發特性的量化影響.在測量不同種類細菌菌液液滴于建筑室內常見疏水表面上的蒸發率、接觸角、液滴高度和接觸直徑的實驗之后，可得出以下結論:

(1)當環境的溫度及濕度保持不變時，細菌液滴的蒸發時長要大于純水液滴；類干酪乳桿菌液滴、大腸埃希氏桿菌液滴及枯草芽孢桿菌液滴的蒸發時長分別是純水液滴的 2.8倍、2.3倍及1.5倍；

(2)含有芽孢的枯草芽孢桿菌液滴的蒸發速率明顯大于其他不含芽孢的細菌液滴的蒸發率；類干酪乳桿菌菌液液滴的蒸發速率最慢；大腸埃希氏桿菌蒸發速率適中，與生理鹽水液滴的蒸發模式相近；

已有研究中將微生物液滴簡化為純水或鹽水液滴的假設更適合于帶有芽孢的細菌，而不適用于其他細菌.除此之外，液滴中的微生物能夠減小液滴殘余量，對于空氣懸浮液滴來說，即微生物的存在可以使液滴在空氣中的懸浮時間變長，輸送距離變大，預示著更大的空氣擴散風險.未來應開展更多研究以理解這一現象背后的綜合機制，從而制定更合理的建筑環境微生物工程控制方法.