环境科学研究  2020, Vol. 33 Issue (7): 1589-1595  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.05.37

引用本文  

牛琳, 梁为纲, 汪霞, 等. 影响病毒在物体表面和空气中生存的因素分析[J]. 环境科学研究, 2020, 33(7): 1589-1595.
NIU Lin, LIANG Weigang, WANG Xia, et al. Analysis of Factors Affecting Virus Survival on Object Surface and in Air[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(7): 1589-1595.

基金项目

国家自然科学基金项目(No.41991315)
National Natural Science Foundation of China (No.41991315)

责任作者

赵晓丽(1981-), 女, 河北邢台人, 研究员, 博士, 博导, 主要从事水质基准理论与方法学和纳米材料研究, zhaoxiaoli_zxl@126.com.

作者简介

牛琳(1995-), 女, 河北石家庄人, 18233271321@163.com

文章历史

收稿日期:2020-03-22
修订日期:2020-05-06
影响病毒在物体表面和空气中生存的因素分析
牛琳1, 梁为纲1, 汪霞1, 穆云松2, 王珺瑜1,3, 武迪4, 赵晓丽1    
1. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012;
2. 中国人民大学环境学院, 北京 100872;
3. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
4. 安徽建筑大学材料与化学工程学院, 安徽 合肥 230601
摘要:新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情严重危害人类生命安全和影响国家经济发展.截至目前,关于环境条件(湿度与温度)、空气污染及人为活动对2019-nCoV传播的文献鲜见报道.由于新型冠状病毒(2019-nCoV)采样困难,难以开展直接试验研究,因此通过对国内外其他类似病毒文献调研,探究影响病毒传播和生存的影响因素,以期为疫情防控和控制2019-nCoV传播提供指导.结果表明:①冠状病毒在低温低湿的环境中能够保持较长的存活时间与传播力,尤其在干燥物体表面停留时间更长,如冠状病毒能在温度为22~25℃、相对湿度(RH)为40%~45%的光滑物体表面存活5 d以上;②同时,冠状病毒气溶胶在低温低湿的条件下也具有高存活率,提示在密闭环境中2019-nCoV气溶胶可能在温度为20~25℃、相对湿度为30%~50%的条件下具有较高的存活率;③颗粒物浓度越高,2019-nCoV传播的风险可能随之增加;④感染者的行为活动也对2019-nCoV的传播起着不可忽视的作用,应避免在人群中打喷嚏、咳嗽,并且用手、手肘或其他物品加以防护,降低病毒传播的可能性.综上,提出几点疫情防控的相关建议,如改善室内微环境和开展2019-nCoV的检测、灭活、影响因素、传播规律等相关研究工作.
关键词新型冠状病毒肺炎(COVID-19)    温度    湿度    颗粒物浓度    传播    
Analysis of Factors Affecting Virus Survival on Object Surface and in Air
NIU Lin1, LIANG Weigang1, WANG Xia1, MU Yunsong2, WANG Junyu1,3, WU Di4, ZHAO Xiaoli1    
1. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
2. College of Environment&Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China;
3. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
4. College of Materials and Chemical Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China
Abstract: The contagion of the new coronavirus pneumonia (COVID-19) not only seriously endangers the safety of human, but also affects the development of the national economy. There are few reports on factors influencing the transmission of 2019-nCoV, such as environmental conditions (humidity and temperature), air pollution, and human activities. It is difficult to sample and research 2019-nCoV directly. Therefore, it is significant to investigate the factors influencing the spread and survival of other similar viruses, which is instructional for the prevention of epidemics and the control of 2019-nCoV transmission. The results show that: (1) Low temperature and low humidity could prolong the lifetime and increase the transmission of coronavirus, especially on dry surfaces. For example, coronavirus can survive on a smooth surface at a temperature of 22-25 ℃ and a relative humidity (RH) of 40%-45% for more than 5 days. (2) Similarly, the survival rates of the aerosolized coronavirus is also high in a closed environment at low temperature and low humidity, 2019-nCoV may hold high survival rates at a temperature of 20-25 ℃ and a relative humidity of 30%-50%. (3) The higher the particle concentration, the risk of 2019-nCoV transmission may increase. (4) The behavior of infected people also plays a important role in the transmission of 2019-nCoV. The transmission of virus can be reduced by avoiding sneezing and coughing in the crowd, and blocking the transmission of droplets using hands, elbows or other objects. Considering the above analysis, some suggestions for the prevention and control the epidemics are made, such as improving the indoor microenvironment, investigating the detection, inactivation, influence factors and propagation characteristics of 2019-nCoV.
Keywords: new coronavirus pneumonia (COVID-19)    temperature    humidity    particulate concentration    spread    

冠状病毒是一种在自然界广泛存在的单链RNA病毒,主要感染呼吸道和胃肠道,与DNA病毒相比,具有更高的变异可能性.根据其抗原标准及系统发育分析,冠状病毒(CoV)主要分为α-CoV、β-CoV、γ-CoV和δ-CoV四类[1],其中以β-CoV对人体的影响巨大,如中东呼吸综合症冠状病毒(MERs-CoV)[2]、SARS病毒[3]及蝙蝠冠状病毒[4]等.在武汉检测到的2019-nCoV(新型冠状病毒)在整个基因组序列方面更接近于SARS样蝙蝠CoV,同属于β-CoV演化支[5].

自COVID-19(新型冠状病毒肺炎)发生以来,中国乃至全世界相继打响了战“疫”. 2019-nCoV具有人传人的特征[6],并通过直接接触、飞沫等途径传播,存在粪口传播的风险性[7].研究[8]表明,2019-nCoV具有比SARS病毒更高的传播率. TANG等[9]研究表明,2019-nCoV已产生149个突变位点,并演化成S与L两个亚型,其中L型传播能力更强. 2019-nCoV属于正链单链RNA病毒,基因组长约30 kb,分为非编码区和编码区,其中结构编码区负责刺突蛋白(S蛋白)、包膜蛋白(E蛋白)、膜蛋白(M蛋白)和核衣壳蛋白(N蛋白)等蛋白编码[10]. S蛋白能够识别和结合宿主细胞的受体,使2019-nCoV吸附在宿主细胞;E蛋白具有一定的机械强度,抵抗人体免疫系统,保护病毒;M蛋白参与包膜的形成;N蛋白携带病毒的遗传信息,是病毒的核心区域. YAN等[11]解析了人体细胞的血管紧张素转化酶2蛋白(ACE2)的全长结构和2019-nCoV的刺突糖蛋白(S蛋白),证实了2019-nCoV利用表面存在的高度糖基化的同源三聚体S蛋白与ACE2受体高度结合的过程.当人类感染2019-nCoV后会产生发烧、咳嗽、呼吸急促、腹泻等不良症状,严重危及生命[6, 12].

研究[13]表明,温度和湿度是影响动物冠状病毒在水和污水中能够保持长时间传染性的关键因素.也有研究[14]表明,环境温度是病毒稳定性的重要指标.生物气溶胶中的细菌数量与颗粒物(PM2.5和PM10)浓度密切相关[15].病毒离开宿主后,若附着在颗粒物表面,则会随着生物气溶胶在空气中的悬浮行为而进行传播.众多因素(环境条件、人类活动、卫生及宿主易感性)影响病毒的传播,因此了解病毒传播的重要因素是预防及切断病毒传播的重要手段[16].

考虑到2019-nCoV研究受限于以下几个条件:①实验室缺乏. 2019-nCoV研究需要生物安全四级(P4)实验室,而国内能做相关研究的实验室屈指可数;开展存活时间等研究,需要活体病毒,目前少量的实验室大多在全力以赴完成疫苗研发等工作. ②样品采集难度极大.受疫情影响,现场样品采集没有渠道,无法拿到第一手的样品支持传播的研究. ③技术分析手段不足.病毒检测存在捕获难、含量低等分析技术上的瓶颈,难以直接开展研究.因此在严重缺少试验数据而又非常急需的条件下,通过大量文献调研,系统分析病毒、特别是与新冠类似的冠状病毒的环境传播与存活特征,无疑对疫情防控是非常重要的.该研究探讨了温度、湿度、颗粒物浓度及人为活动等因素对2019-nCoV传播的重要性,有助于了解病毒传播动态,有利于公共卫生政府采取更有效的卫生保健措施,有效防止2019-nCoV大范围的暴发.

1 温度和湿度

病毒的粒径约为纳米级,同时也是生命体,环境的温度和湿度不仅影响病毒的存活,也影响病毒的传播.研究[17-20]表明,病毒的生存时间及传播与环境条件和病毒种类密切相关.呼吸道合胞病毒(RSV)和副流感病毒分别在干燥环境下存活6和2 h[17-18].对甲型流感病毒而言,凉爽干燥的环境比温暖或潮湿的环境更有利于传播[19].由此可见,温度和湿度显著影响病毒存活能力和传播.据报道,2019-nCoV能够在干燥的空气中存活48 h,这可能与其表面含有包膜有关,表面包膜可以抵御外界入侵,起到一定的保护作用.然而在空气当中存留2 h后,2019-nCoV活性明显下降[20].当温度为20 ℃、湿度为40%的条件下,2019-nCoV能够存活5 d. WANG等[21]统计了27个国家2.4×104例2019-nCoV确诊病例发生的气温背景,发现日确诊数与温度密切相关,低温环境(平均气温8.72 ℃)可能是2019-nCoV最适的传播温度.这些结果表明2019-nCoV在适宜的环境中能够存活更长的时间.人冠状病毒能在-60 ℃下存活数年,能在4 ℃的合适维持液中稳定存活;而当温度为56 ℃、时间为30 min或温度为37 ℃、时间为数小时,可使人冠状病毒丧失感染能力;当温度为60 ℃,时间为30 min时则能有效地杀灭人冠状病毒[22].通过近年来公共卫生事件的调研发现,病毒在长期进化过程中表现出类似生命体的嗜温特征,特别是,以2019-nCoV为代表的冠状病毒科、以流感病毒为代表的正粘病毒科和以人呼吸道合胞病毒为代表的副粘病毒科均属于喜低温病毒类型,最佳传播温度区间分别为4~20、4~20和-20~4 ℃.随着环境温度继续升高,其存活时间大幅缩短(见图 1)[23-24].

图 1 病毒最适传播温度[23-24] Fig.1 The optimal temperature for the transmission of virus[23-24]

湿度分为绝对湿度和相对湿度,试验研究表明,相对湿度是影响空气微生物活动的重要因素之一,只有在控制温度的前提下,才能研究不同相对湿度的影响[25].相对湿度的计算公式:

$ {\rm{RH}} = e/E \times 100\% $ (1)

式中:RH为相对湿度,%;e为蒸汽压,Pa;E为饱和蒸汽压,与温度有关,Pa.

干燥的重症急性呼吸综合征(SARS-CoV)病毒在典型的空调环境(温度为22~25 ℃、相对湿度为40%~50%)条件下能够在光滑表面存活5 d以上,温度(38 ℃)和湿度(>95%)的升高会导致生存力迅速丧失[26].人冠状病毒在室温下可以在无生命的物体表面保持9 d的传染性[27].温度越低,冠状病毒越易存活更长的时间,如中东呼吸综合征冠状病毒(MERs-CoV)随温度升高,其感染性随之降低(见图 2)[28].

注: TCID50表示50%组织细胞感染量. 图 2 MERS-CoV在不同温度下的存活时间[28] Fig.2 The optimal temperature for transmission of virus[28]

在不锈钢表面,动物冠状病毒〔传染性胃肠炎病毒(TGEV)和小鼠肝炎病毒(MHV)〕在温度为4 ℃和相对湿度为20%时,感染性能够持续28 d,相对湿度越低,失活率越低且相对湿度为50%时存活率最低,随温度(4、20、40 ℃)升高,病毒失活率依次增加[29]. 表 1总结了人冠状病毒在不同物体表面的存活时间与存活温度,进一步揭示了在低温低湿的环境中更有利于人冠状病毒的生存.

表 1 人冠状病毒(SARS-CoV、MERS-CoV及其替代物)在干燥物体表面的存活时间 Table 1 The lifetime of human coronavirus (SARS-CoV, MERS-CoV and their substitutes) on the surface of dry object

低温不仅能够在液体[31-37]、干燥物体表面、空气等载体中提高包膜病毒的存活能力,在气溶胶[38-39]中也能够得到相同的结论.在密闭的环境中,病毒很容易形成气溶胶进而通过气溶胶途径进行传播;而在开阔的室外环境中,病毒气溶胶的产生容易受到多种因素的影响,因此病毒气溶胶更易在密闭环境中进行有效传播.潮湿的空气中,气溶胶易于团聚,形成较大的气溶胶颗粒,落到地面上;在干燥的环境中,气溶胶会分解成更小的微粒以此在空气中存留数小时甚至数天[40].在温度为20 ℃、相对湿度为40%的条件下,MERS-CoV气溶胶能够稳定存活[30].在常温(25 ℃)且相对湿度为79%下,MERS-CoV气溶胶在60 min后仍然具有感染性,而在温度为38 ℃、相对湿度为24%的情况下,相同时间内,其存活率大大降低[41]. HCoV-229E气溶胶在温度为20 ℃、相对湿度为50%的条件下保持了6 d的传染性,然而在高湿条件下稳定性较差[39]. Kim等[42]使用猪传染性胃肠炎病毒(TGEV)作为SARS病毒的替代物研究了不同相对湿度对病毒气溶胶的影响,发现病毒气溶胶在低相对湿度(30%)比高相对湿度(90%)含有更高浓度的冠状病毒.根据其他冠状病毒在气溶胶的生存情况,推测在密闭环境中,2019-nCoV气溶胶可能在温度为20~25 ℃、相对湿度为30%~50%的条件下具有较高的存活率.

研究[43]表明,2019-nCoV在气溶胶存活数小时,而在物体表面能够存活数天.在温度为21~23 ℃、相对湿度为65%的条件下,2019-nCoV在气溶胶中仅能存活3 h;在低温(21~23 ℃)低湿(40%)条件下,2019-nCoV在铜、纸板、不锈钢和塑料表面分别存活8、24、48和72 h.这些研究结果进一步表明,2019-nCoV在气溶胶中传播的风险可能较低,低温低湿可能促进2019-nCoV的存活率,从而应当更加重视不同物体表面的消毒,要勤洗手、戴口罩,抑制2019-nCoV的传播.

2 颗粒物浓度

病毒一旦离开生物宿主后,容易附着在空气中漂浮的粒子表面进而形成生物气溶胶.生物气溶胶具有PM2.5浓度高、覆盖范围广、持续时间长的特点. PM2.5能携带大量的细菌、病毒、真菌及致敏花粉、霉菌孢子、蕨类孢子和寄生虫卵等,对于病毒传播具有十分重要的作用[44-45],其最大特点是能吸附细菌和病毒等.生物气溶胶不仅能导致下呼吸道感染、哮喘、过敏等各种呼吸系统疾病,而且还能引起健康人的血压显著升高,导致不可逆的慢性肺功能减退,产生过敏性肺泡炎、有机粉尘中毒综合征等疾病[46-47].

气溶胶的传播距离可达数十米甚至数百米,远超过飞沫传播距离.世界卫生组织指出,气溶胶中所包含的病毒会经长距离传播而在短期内导致大面积感染,随着传播距离的增加而逐渐失活和分解.气溶胶传播受到气溶胶的直径、空气动力学黏度、气溶胶的初始速度、t时刻速度、水平方向的传播距离等因素的影响,将这些参数带入斯托克斯公式〔见式(2)〕,就能获得气溶胶的传播距离,这也就解释了病毒气溶胶在空气中的存活时间.

$ f = 3{\rm{ \mathsf{ π} }}\mu {d_{\rm{p}}}\nu $ (2)

式中:f为阻力,N;dp为气溶胶粒子直径,m;ν为气溶胶粒子与气体的相对速度,m/s,其与气溶胶的初始速度和运动时间相关;μ为空气动力学黏度,N·s/m2.

研究[48]表明,短暂暴露PM2.5不会影响肺部抵抗病毒的能力,而暴露PM2.5超过一周之后,则会致使肺部免疫系统防御力降低. 2019-nCoV的直径为60~140 nm,有9~12 nm的棘突[49],与SARS病毒相似,2019-nCoV在空气中传播需要附着在直径较大的载体上.研究[41]表明,SARS病毒与液体载体液滴大小比例约为1:10(见图 3),由此可推测2019-nCoV的载体直径在0.6~1.4 μm之间.这是由于粒径越小,比表面能大,病毒被捕获后易被催化或毁坏导致存活率降低[50].尤其当颗粒物小于0.1 μm时,由于其质量轻,分布在高空,即使携带病毒,也不会被人体吸收.一旦2019-nCoV附着在PM2.5上被人体吸入,不仅对人体的呼吸系统造成损害,也会对心血管系统造成伤害[51-53].

注:气溶胶浓度通常采用单位体积气溶胶内粒子的数目(数浓度N)表示,即粒子总数/体积,单位为ΔN/Δlg(d/cm-3). 1表示原始粒子粒径分布,指仪器自身产生的气溶胶粒子粒径分布. 2表示温度为25 ℃、相对湿度为79%的条件下,仪器产生气溶胶60 min后测定的粒子粒径分布;3表示温度为38 ℃、相对湿度为24%的条件下,仪器产生气溶胶60 min后测定的粒子粒径分布. 图 3 气溶胶室中病毒粒子的尺寸分布[41] Fig.3 The size distribution of virus-containing particles in the aerosol chamber[41]
3 感染者的行为活动

通过采用高速摄像机拍摄人体打喷嚏所喷射液滴进入空气的过程,发现由于喷嚏引发的湍流动态变化,较大的喷嚏液滴传播远达8 m,咳嗽的液滴可以传播6 m,并保持悬浮状态,悬浮时间长达10 min[54].研究[25]表明,人体的一个喷嚏就可产生40 000个水滴,蒸发产生0.5~12 μm的水滴;一个咳嗽,产生3 000个核滴,相当于说话5 min中释放的数量[55].如果感染者含有慢性支气管炎、肺结核、支气管哮喘、感冒等基础疾病时,咳嗽、喷嚏等行为活动变得更为频繁,增大了病毒进入环境的概率,提高了其他人群感染2019-nCoV的风险.

病毒颗粒可以通过感染者的喷嚏、咳嗽等行为活动进入到环境中,进而感染其他人员,其感染方式主要有飞沫传播和物体表面接触传播和气溶胶传播3种方式:①飞沫传播.感染者通过打喷嚏、咳嗽而产生的飞沫与其他人群直接接触,导致人员感染,这种方式是感染性较强的传播途径. ②物体表面接触传播.感染者产生的液滴落在其他物体表面,如不锈钢、塑料、纸板、手套、衣服等,其他人员一旦接触这些物体表面,容易使病毒脱离物体进入到人体,在人体进行复制、生存,致使人员感染. ③气溶胶传播.若感染者处于密闭的空间中,产生的病毒极易气溶胶化,形成生物气溶胶,导致病毒通过气溶胶途径进行生存和传播.

因此,为控制2019-nCoV的生存和传播,降低人员感染风险,感染者在打喷嚏或咳嗽时,应采用手或胳膊肘加以防护,佩戴口罩,生活环境经常通风,通过与外空气交换,降低室内病毒的浓度.

4 结论与展望 4.1 结论

a) 低温低湿更有利于冠状病毒在环境中的传播,增加人员感染的风险.温度越高,湿度越高,冠状病毒的存活时间可能随之降低,感染性不断降低.

b) 干燥物体表面为冠状病毒的生存提供了适宜的生存环境,导致冠状病毒在其表面能够保持更久的生存活力.

c) 在密闭环境中,2019-nCoV气溶胶可能在温度为20~25 ℃、相对湿度为30%~50%的条件下具有较高的存活率,传播性较强.

d) 空气中颗粒物(PM2.5、PM10)浓度高低可能影响病毒的存活时间与传播距离,浓度越高,暴露时间越长,可能越不利于控制病毒的传播.

e) 感染人员的行为活动如咳嗽、打喷嚏等也对2019-nCoV的传播具有一定的影响性.

4.2 展望

a) 改善室内微环境,尤其是医院和隔离点.在密闭的空间病毒更易通过气溶胶传播,通过空气净化装置和提高室内湿度以此改善空气质量,降低气溶胶传播风险;保持室内温度不低于20 ℃,抑制病毒传播,降低交叉感染的风险;加强室内物体表面的消毒,抑制2019-nCoV的传播.

b) 开展相关的研究工作,为未来防控提供一定的基础支撑.如温度与湿度对2019-nCoV存活率与感染率的影响;PM2.5、PM10等颗粒物对2019-nCoV传播的影响;生物气溶胶的捕获和检测技术;空气污染与2019-nCoV传播关系研究;气溶胶采样器对2019-nCoV生存与传播的影响;加强病毒在环境各介质中的检测技术、迁移特征、传播规律等基础性研究,开展病毒在不同环境介质中灭活技术研究.

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