Kontekst badania
Ryzyko krzyżowego zakażenia drogą powietrzną jest znacznie zwiększone szczególnie w placówkach medycznych, takich jak oddziały szpitalne, sale operacyjne i gabinety stomatologiczne. Filtry powietrza odgrywają kluczową rolę w zapobieganiu dyfuzji i penetracji endogennych i egzogennych bioaerozoli poprzez fizyczne przechwytywanie. Jednakże, gdy mikroorganizmy gromadzą się i kolonizują filtr, może on stać się wtórnym rezerwuarem patogenów. Niektóre mikroorganizmy w filtrze mogą utrzymywać aktywność metaboliczną nawet po 30 dniach bez żadnego źródła składników odżywczych. Rozwój mikroorganizmów nie tylko prowadzi do spadku wydajności filtra, ale także może być źródłem bioaerozoli do powietrza wewnętrznego. Ponadto lotne związki organiczne powstające jako produkty metabolizmu mikroorganizmów mogą być uwalniane z zanieczyszczonych filtrów. Dlatego integracja filtrów powietrza ze skutecznymi środkami dezynfekcji ma kluczowe znaczenie dla poprawy jakości powietrza i zapewnienia bezpieczeństwa środowiska. Promieniowanie ultrafioletowe z zakresu (UVC), szczególnie o długości fali 254 nm, jest powszechnie stosowane jako skuteczna metoda dezynfekcji. Ta integracja zazwyczaj działa na dwa sposoby: filtr i system dezynfekcji współpracują ze sobą lub filtr jest niezależnie poddawany dezynfekcji in-situ.
Po pierwsze, promieniowanie UVC może bezpośrednio oddziaływać na bioaerozole dynamicznego przepływu powietrza w kanale. Jednak na jego skuteczność wpływają kluczowe czynniki, takie jak charakterystyka UVC, parametry powietrza i gatunki drobnoustrojów [[25], [26], [27]]. Wysoka prędkość przepływu powietrza i wilgotność znacząco obniżają skuteczność dezynfekcji powietrza, a nawet mogą ją uczynić nieskuteczną [25,26], zwłaszcza w przypadku mikroorganizmów opornych na promieniowanie UVC [28,29]. Zapewnienie optymalnej i stabilnej skuteczności dezynfekcji powietrza w kanale pozostaje istotnym wyzwaniem. Następnie, jak zauważa ASHRAE, gdy bioaerozole w przepływie powietrza nie mogą być szybko zdezynfekowane, mogą zostać wychwytywane przez filtry i stale wystawiane na działanie promieniowania UVC, poprawiając jakość powietrza i utrzymując czystość powierzchni [24,30]. Krótko mówiąc, synergistyczny efekt UVC i filtrów znacznie zwiększa dezynfekcję bioaerozoli, znacznie przewyższając korzyści każdego z nich stosowanego osobno [23,24,31]. W badaniu symulacyjnym UVC + filtr, Feng i in. podkreślili również kluczową rolę dezynfekcji UVC aerozoli drobnoustrojów na powierzchniach filtrów w tym efekcie synergistycznym. Jednak ze względu na brak danych, takich jak wartość Z (stała wrażliwość drobnoustrojów na UVC), dokładne modelowanie tego procesu nie było jeszcze możliwe [33]. D’Orazio i in. [30] podkreślili, że w celu dezynfekcji napromieniowanie UVC stosowane bezpośrednio na filtr powietrza o wysokiej sprawności (HEPA) może dać skuteczniejsze rezultaty w porównaniu z bezpośrednim napromieniowywaniem przepływu powietrza.
Ponadto, aby uniknąć potencjalnego wtórnego zanieczyszczenia podczas konserwacji lub wymiany filtra, kluczowe jest bezpieczne i skuteczne oczyszczanie filtrów zanieczyszczonych bioaerozolami. W świetle tego, Chińska Norma Narodowa „GB 50,346–202× Architectural and technical code for biosafety laboratories” stanowi, że laboratoria bezpieczeństwa biologicznego powinny być w stanie przeprowadzać dezynfekcję in-situ filtrów HEPA w celu zapewnienia bezpieczeństwa biologicznego [32]. Obecnie do dezynfekcji filtrów in-situ powszechnie stosuje się formaldehyd lub nadtlenek wodoru [33,34]. Ponadto, stosowanie powłok antybakteryjnych [35], fotokatalizy [15] i dezynfekcji promieniowaniem mikrofalowym [36] w materiałach filtracyjnych przyciąga coraz większą uwagę badaczy. Promieniowanie UVC może skutecznie zapobiegać zanieczyszczeniu mikrobiologicznemu powierzchni, takich jak chłodnice jednostek wentylacyjnych [37,38]. Oczekuje się jednak, że będzie ono również odgrywać ważną rolę w dezynfekcji filtrów in-situ. Chociaż połączenie tych dwóch technologii jest powszechnie stosowane [30,39,40], nadal brakuje badań nad ilościową skutecznością dezynfekcji UVC w przypadku bioaerozoli osadzających się na powierzchniach filtrów, zwłaszcza w odniesieniu do skuteczności dezynfekcji i wartości Z. Dane ilościowe mogą wspierać rozwój wieloparametrowych modeli numerycznych do dezynfekcji, filtracji i wentylacji, a także dostarczać odniesienia i wskazówek dotyczących dezynfekcji UVC podczas konserwacji filtrów, ich wymiany i bezpiecznej utylizacji.
Większość obecnych badań ilościowych dotyczących dezynfekcji powierzchni UVC koncentrowała się na powszechnie używanych materiałach codziennego użytku. Gidari i in. [41] stwierdzili, że SARS-CoV-2 najłatwiej inaktywował się na powierzchniach szklanych. Dane wskazują [42], że dawki UVC dla inaktywacji SARS-CoV-2 na poziomie 1 log i 2 log na powierzchniach nieporowatych (np. stali nierdzewnej) wynosiły odpowiednio poniżej 2 mJ/cm2 i 3 mJ/cm2. W przeciwieństwie do tego materiały porowate (np. odzież) wymagały dawek UVC pomiędzy 132 i 198 mJ/cm2 do inaktywacji 1-log z powodu ekranowania włókien. Su i in. [43] stwierdzili, że przy dawce UVC wynoszącej 37,6 mJ/cm2, gronkowiec złocisty oporny na metycylinę na powierzchniach plastikowych osiągnął inaktywację 5,86-log, odpowiednio 2 i 3 razy wyższą niż Klebsiella pneumoniae i Pseudomonas aeruginosa. Dlatego skuteczność dezynfekcji na mikroorganizmach powierzchniowych zależy od właściwości materiału (np. porowatości, rodzaju), gatunków drobnoustrojów i parametrów napromieniowania [43,44]. Materiały filtrujące HEPA, z ich gęsto ułożonymi włóknami, różnią się od gładkich materiałów, takich jak szkło i plastik, a także od luźno ułożonych włókien w tekstyliach (np. bawełna i odzież). Ponadto filtr powietrza o średniej wydajności, wykonany z materiałów wielowarstwowych, nieuchronnie wpływa na dezynfekcję promieniowaniem UVC ze względu na efekt ekranowania między warstwami. Dlatego pilnie konieczne jest zbadanie skuteczności dezynfekcji promieniowaniem UVC na materiałach filtracyjnych.
W niniejszym badaniu bioaerozole osadzały się na materiałach filtracyjnych poprzez naturalną filtrację, a nie poprzez naturalną sedymentację lub osadzanie się kropel na powierzchni, jak ma to miejsce w przypadku tradycyjnych metod [[41], [42], [43], [44]]. Chociaż te tradycyjne metody oferują cenne informacje na temat dezynfekcji UVC popularnych materiałów, mogą nie być idealne do badania dezynfekcji UVC powierzchni filtrów powietrza. Metoda osadzania naturalnego, która opiera się na sedymentacji grawitacyjnej, rozprowadza bioaerozole jedynie na powierzchni zewnętrznej, nie odzwierciedlając trójwymiarowych właściwości retencji porowatych materiałów filtracyjnych. Metoda osadzania kropel jest jeszcze mniej skuteczna w odzwierciedlaniu stanu filtracji bioaerozoli, a proces suszenia prowadzi do śmierci wielu mikroorganizmów. Wzajemny efekt ekranowania między włóknami i materiałami wielowarstwowymi może wpływać na skuteczność dezynfekcji powierzchni promieniowaniem UVC [43,45]. Niniejsze badanie może stanowić solidną podstawę do dokładnej oceny skuteczności dezynfekcji UVC materiałów filtracyjnych z wykorzystaniem metody depozycji naturalnej filtracji wentylacyjnej.
Na tej podstawie, w niniejszym badaniu oceniono skuteczność dezynfekcji UVC materiałów filtracyjnych w warunkach naturalnej filtracji, określając ilościowo skuteczność dezynfekcji i wartość Z. Jako modele bioaerozolu wykorzystano bakterie Gram-ujemne (Serratia marcescens), Gram-dodatnie (Bacillus subtilis) oraz wirus fagowy (PhiX174). Ponadto, szczególnie uwzględniono wpływ różnych natężeń promieniowania UVC. Wyniki badań oferują kompleksowe zrozumienie skuteczności dezynfekcji UVC na filtrach i dostarczają cennych danych do opracowania skutecznych strategii filtracji UVC-wentylacja, ostatecznie poprawiając jakość powietrza w pomieszczeniach i zapewniając bezpieczeństwo środowiskowe.
Cel i hipotezy
Ocena skuteczności dezynfekcji z użyciem promieniowania UVC materiałów filtracyjnych – w zależności od mikroorganizmu, materiału filtracyjnego i warunków dezynfekcji.
Metoda badawcza
W badaniu oceniono skuteczność dezynfekcji UVC filtrów HEPA (H13) oraz filtrów F8 w warunkach naturalnej filtracji. Przetestowano jednowarstwowe filtry HEPA ze szkła (GL), polipropylenu (PP) oraz wielowarstwowe filtry F8. Jako modele bioaerozolu wykorzystano bakterie Gram-ujemne (Serratia marcescens, S.M.), Gram-dodatnie (Bacillus subtilis, BS) oraz bakteriofagi (PhiX174, φX174). Dodatkowo zbadano wpływ różnych natężeń promieniowania UVC.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Częstość występowania ziarniaków Gram-dodatnich (58,82%) była większa w porównaniu z pałeczkami Gram-ujemnymi (36,92%) i organizmami grzybowymi (6,15%) w próbkach powietrza i powierzchni w obu fazach. Ogólnie rzecz biorąc, najczęściej identyfikowanymi izolatami były koagulazo-ujemne gatunki Staphylococcus (97,5%), S. hemolyticus (40%), S. hominis (15,26%), S. warneri (10,52%), S. cohnii (5,26%), S. epidermidis (7,89%), S. arlettae (2,63%), S. aureus (2,63%), Micrococcus luteus (13,15%) i Streptococcus (2,63%).
Mikroorganizmami wskaźnikowymi izolowanymi częściej w obu fazach badania były gatunki Staphylococcus, Acinetobacter baumannii i P. aeruginosa z powietrza i powierzchni. Szczepy o podobnych wzorcach antybiogramu wyizolowano również z próbek krwi i moczu pacjentów, co obrazowało zakażenie szpitalne i potwierdziło znaczenie monitorowania powietrza i powierzchni. Większość zakażeń szpitalnych u pacjentów była spowodowana przez Klebsiella pneumoniae (22,92%) i Enterococcus faecium (14,58%), które są drobnoustrojami endogennymi i mogą mieć kontakt z powietrzem i często dotykanymi powierzchniami poprzez zanieczyszczone ręce. Wysokie stężenie kolonii na oddziale intensywnej terapii w fazie II wiązało się ze wzrostem wskaźników zakażeń szpitalnych. Jeśli wykluczyć inne czynniki zakłócające odpowiedzialne za obciążenie zakażeniami szpitalnymi, takie jak liczba rotacji pacjentów, liczba personelu i wizyty, możliwe będzie założenie, że 20–50% zakażeń szpitalnych pochodzi z powietrza i powierzchni.
W fazie stosowania oczyszczacza powietrza odnotowano zmniejszenie stężenia bioaerozolu w powietrzu i na powierzchniach często dotykanych nawet o 50% w porównaniu z fazą bez oczyszczacza. Podobny trend zaobserwowano w statystykach zakażeń wewnątrzszpitalnych w tym pomieszczeniu.
Ograniczenia zakresu badawczego
Po pierwsze, projekt eksperymentalny tego badania opierał się na rozdzieleniu efektów dezynfekcji UVC i filtracji; jednak wpływ cząstek nieożywionych osadzających się na powierzchni filtra na skuteczność dezynfekcji UVC mógł zostać pominięty. Po drugie, badanie to koncentrowało się na reprezentatywnych bakteriach i wirusach, nie uwzględniając pełnego spektrum aerozoli mikrobiologicznych. Dlatego konieczne są dalsze badania nad skutecznością dezynfekcji UVC bioaerozoli o różnej wielkości cząstek, osadzających się na różnych materiałach filtracyjnych. Wreszcie, w badaniu uwzględniono jedynie skuteczność dezynfekcji materiałów filtracyjnych w uproszczonych warunkach środowiskowych. Temperatura i wilgotność zarówno powietrza, jak i powierzchni materiału filtracyjnego znacząco wpływają na skuteczność połączonego procesu UVC i filtracji. Ponadto ważna jest dalsza analiza wpływu natężenia światła na charakterystykę fotoreaktywacji mikroorganizmów.
Wnioski
1) Skuteczność dezynfekcji UVC bioaerozoli na materiałach filtracyjnych była zróżnicowana w zależności od kategorii drobnoustrojów. Najwyższą skuteczność dezynfekcji wykazał Serratia marcescens., a następnie bakteriofag φX174 i Bacillus subtilis. Bakterie Gram-dodatnie wykazywały większą odporność na UVC ze względu na grubsze ściany komórkowe. Ponadto bioaerozole φX174, o mniejszych rozmiarach cząstek, mogą wnikać głębiej w włókna, zmniejszając skuteczność UVC.
2) Rodzaj i struktura materiałów filtracyjnych wpływały na skuteczność dezynfekcji UVC osadzonych bioaerozoli. W przypadku filtra HEPA, bioaerozole osadzone na materiale GL wykazywały lepszą skuteczność dezynfekcji niż te na PP. Cieńsza struktura i drobniejsze włókna materiału GL mogą zwiększać ekspozycję bioaerozoli na promieniowanie UVC. Przy dawce 5,4 mJ/cm², wartości DE dla GL-S.M., GL-B.S. i GL-φX174 wynosiły odpowiednio 99,98%, 73,13% i 95,56%, przewyższając wartości dla materiałów PP o 29,19%, 62,14% i 44,61%. Zatem połączenie filtra HEPA z materiału GL z filtrem UVC może zapewnić dezynfekcję o szerszym spektrum.
3) Wielowarstwowa struktura filtrów F8 ograniczała skuteczność dezynfekcji UVC. Jednak zwiększenie dawki promieniowania mogłoby w pewnym stopniu poprawić tę wadę. Przy wysokiej dawce promieniowania, wynoszącej 54 mJ/cm², skuteczność dezynfekcji dla S.M. i φX174 przekroczyła 90%. Szczególnej uwagi wymagały bioaerozole w warstwach wewnętrznych, zwłaszcza B.S., gdzie bakterie zostały usunięte w zaledwie 21,73%.
4) Wraz ze wzrostem natężenia promieniowania UVC, skuteczność dezynfekcji uległa znacznej poprawie. Przy tej samej dawce promieniowania, średnia skuteczność usuwania bioaerozoli osadzających się na materiałach filtracyjnych GL, PP i F8 wzrosła odpowiednio o 7,18%, 6,75% i 3,51%. Zwiększenie natężenia promieniowania w celu osiągnięcia wymaganej dawki w krótkim czasie ekspozycji było niezbędne, aby porowaty filtr zapewnił zadowalającą dezynfekcję UVC.
Artykuł opublikowano w Building and Environment