堆肥厂生物气溶胶采样方法探析*

郑苇 陈子璇 高波 马换梅 李波

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津 300074)

0 引言

有机废弃物堆肥处理减量化、资源化率高，且近年随着生活垃圾分类推行，有机废弃物组分纯度提升，可以预见有机废弃物堆肥土地利用将成为重要的资源化途径。然而，堆肥过程会产生生物气溶胶，导致人体呼吸系统疾病，危害从业人员和周边居民健康。对此，有学者对生物气溶胶背景浓度作了限定，细菌和真菌建议限值1 000 cfu/m3；革兰氏阴性菌建议限值300 cfu/m3[1]。然而生物气溶胶采样方法尚无统一标准，不同采样方法适用场景和优劣势各有差异。本文针对堆肥厂生物气溶胶采样方法应用现状进行了调研，总结了基于采样设备和分级标准的生物气溶胶采样级数和分级参数，明确了采样体积和采样介质，可为有机废弃物堆肥厂生物气溶胶采样分析提供数据参考。

1 生物气溶胶采样方法

生物气溶胶采样方法主要包括静电沉淀、液体冲击、固体撞击、涡流洗涤以及过滤阻留5种方式。静电沉淀法利用高压静电场，使空气中微生物粒子荷电，被相反电荷采集面吸附采集。液体冲击法利用喷射气流的方式，将微生物粒子捕集至收集液中。固体撞击法采用带孔眼的金属撞击圆盘，圆盘上放置琼脂培养皿或涂有粘性介质的膜材，微生物粒子撞击在培养皿或膜材上被粘附捕集。涡流洗涤法利用气体旋转过程产生离心力，使微生物粒子因惯性力与气体分离，撞击在收集液上而被捕集。过滤阻留法利用抽气装置，让空气通过滤材，使微生物粒子阻留在滤材上被采集。5种生物气溶胶采样方法原理示意详见图1。

(a)静电沉淀 (b)液体冲击 (c)固体撞击

(d)涡流洗涤 (e)过滤阻留

2 堆肥厂生物气溶胶采样应用现状

目前堆肥厂生物气溶胶采样主要利用方法如表1所示，主要采用固体撞击法、涡流洗涤法以及过滤阻留法3种方法。静电沉淀和液体冲击应用很少，可能是由于静电沉淀法存在使部分活性微生物失活、采样效率低、设备大等缺陷；液体冲击法采样空气流量小，不适用于低浓度微生物场合。而有研究指出静态堆肥阶段，环境中生物气溶胶浓度仅为104cfu/m3[2]，而英国生物气溶胶中细菌和真菌规定浓度限值为103cfu/m3[1]。

表1 堆肥厂生物气溶胶采样方法应用现状

根据表1可知，固体撞击法主要用于生物气溶胶中活菌的培养，近年才逐步应用于分子生物学分析；涡流洗涤法既可用于生物气溶胶中活菌培养，也可用于分子生物学分析；过滤阻留法因研究手段不同，采用的滤材不尽相同，纤维素酯膜过滤阻留法主要用于活菌培养，聚醚砜膜过滤阻留法主要用于分子生物学分析，聚碳酸酯膜过滤阻留法既可用于活菌培养，又可用于分子生物学分析。

3 采样参数和材料选择

生物气溶胶采样主要参数包括采样级数、采样体积以及采样介质。采样级数可将生物气溶胶按颗粒尺寸进行分离；采样体积应根据环境中气溶胶浓度，满足分析浓度要求；采样介质既需要有高的采集效率，又要对后续分析无不利影响。

3.1采样级数

目前生物气溶胶分级采样应用较成熟的方法为固体撞击分级采样法，另外对涡流洗涤法和过滤阻留法的分级采样进行了探索，但采样有效性有待进一步研究验证。

(1)固体撞击法。生物气溶胶粒径越小，对人体危害越大，到达呼吸系统部位越深入，大于11 μm被鼻腔拦截，7～10 μm可达咽部，4.7～7 μm可达喉部，3.4～4.7 μm可达气管，2.1～3.3 μm可达支气管，1.1～2.1 μm可达支气管末端，0.65～1.1 μm可达肺泡。据此分级应用的采样设备为安德森六级(FA-1)和八级(FA-3)固体撞击采样器。FA-1和FA-3采样流量小，仅28.3 L/min，于是Staplex公司开发了Model 235和236型大流量固体撞击分级采样器，Model 235采样流量566～1 415 L/min，Model 236流量283～707 L/min。FA-1、FA-3、Model 235和Model 236采样器具体分级情况详见表2。

表2 典型固体撞击采样器分级采集颗粒尺寸对比 mm

(2)涡流洗涤法。目前Coriolis μ型生物气溶胶涡流洗涤采样器应用普遍，流速100～300 L/min，采集>0.5 μm的生物气溶胶粒子。涡流洗涤法目前没有成熟分级采样市场产品。仅部分文献采用自制涡流洗涤采样器对堆肥厂生物气溶胶进行分级采样研究。LINDSLEY W G等[10]控制自制涡流采样器流量2 L/min时，一级和二级捕集切割粒径分别为2.6 μm和1.6 μm；当采样器流量为3.5 L/min时，一级和二级捕集切割粒径分别为1.8 μm和1.0 μm。

(3)过滤阻留法。过滤阻留法分级采样研究也较少。DEACON L J等[11]利用0.65、1.0、2.0、3.0、5.0、8.0 μm孔径聚碳酸酯膜，采用过滤阻留法研究了堆肥厂曲霉的粒径分级，并与安德森培养法比较，指出两种方法结果符合y=x的拟合曲线。但过滤阻留法对小于膜孔径的粒子仍有较高捕获效率，需进一步研究验证过滤阻留法对生物气溶胶分级采样的适用性和有效性。

3.2 采样体积

生物气溶胶采样器采样流速一般由仪器自行设定，通过调整采样时间，实现不同采样体积，从而满足分析化验的浓度要求。

(1)固体撞击法。目前堆肥厂生物气溶胶固体撞击法采样主要用于培养微生物研究，采样体积应用情况详见表3，采样时间一般为1～5 min，采样体积一般为15～200 L。

表3 堆肥厂生物气溶胶固体撞击法采样参数对比

(2)涡流洗涤法。涡流洗涤法用于堆肥厂生物气溶胶采样，既用于培养微生物，也用于分子生物学分析，具体采样体积应用情况详见表4。用于培养微生物时采样体积约200～600 L，用于分子生物学分析时采样体积不低于3 000 L，因此用于分子生物学分析时采样体积大于用于培养微生物时采样体积的10倍。

表4 堆肥厂生物气溶胶涡流洗涤法采样参数对比

(3)过滤阻留法。过滤阻留法用于堆肥厂生物气溶胶采样，既用于培养微生物，也用于分子生物学分析，具体采样体积应用情况详见表5。用于培养微生物时采样体积约20～200 L，用于分子生物学分析时采样体积约200～2 000 L，因此用于分子生物学分析时采样体积大于用于培养微生物时采样体积的10倍。

表5 堆肥厂生物气溶胶过滤阻留法采样参数对比

可见，固体撞击法、涡流洗涤法和过滤阻留法采样体积差异性主要根据后端分析需求而定，总体而言，用于培养堆肥厂生物气溶胶中微生物时，采样体积为200～300 L，用于分子生物学分析时采样体积大于用于培养微生物时的10倍。

3.3 采样介质

(1)固体撞击法。固体撞击法的采样介质需要具有粘附性，对撞击其上的颗粒物有效捕获。对于后续培养微生物为目的的采样介质一般采用琼脂基础培养基。以分子生物学分析为目的的采样介质，可采用聚四氟乙烯膜、玻璃纤维滤膜、混合纤维素酯膜、聚氯乙烯膜、石英滤膜以及聚碳酸脂膜。为增加滤膜捕集效率，常在滤膜表面喷涂粘性涂层，如DS-515 和ZEF-X10[19]。在选用粘性涂层时要考虑水溶性，同时对后续分子生物学分析无不利影响。但由于用于分子生物学分析采样时间相对较长，在采样工作中涂层湿度和捕集有效性有待进一步研究验证。

(2)涡流洗涤法。涡流洗涤法利用收集液采集生物气溶胶粒子，目前常用收集液为无菌水[7]、磷酸盐缓冲液、Tween-20。有报道采用Tween-20浓度为0.05%[6]。

(3)过滤阻留法。过滤阻留法采用的滤膜主要有以下4类，分别为纤维素酯膜、聚醚砜膜、聚氯乙烯膜以及聚碳酸酯膜。纤维素酯膜过滤阻留法主要用于活菌培养，聚醚砜膜和聚氯乙烯膜过滤阻留法主要用于分子生物学分析，聚碳酸酯膜过滤阻留法既可用于活菌培养，又可用于分子生物学分析。

4 结语

堆肥厂生物气溶胶采样方法主要为固体撞击法、涡流洗涤法以及过滤阻留法3种。按粒径分级采样一般采用固体撞击法，可分为2级、5级、6级、8级4种形式，涡流洗涤和过滤阻留法的分级采样有效性有待进一步研究验证。固体撞击采样法获得样品一般采用培养法研究微生物种类和数量，涡流洗涤和过滤阻留法获得样品既可用于微生物培养研究，又可用于分子生物学分析，但用于分子生物学分析时采样体积不低于微生物培养研究时采样体积的10倍。