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李后强:气溶胶真能传播新型冠状病毒吗?

贾玲

2020年02月06日 11:57

最近有文章说,在武汉发生的新型冠状病毒可以通过气溶胶传播,从而引起了很大社会恐慌和民众不安。从专业角度看,这是一个既可能又不可能的问题,因为取决于气溶胶的状态和病毒存活的条件。但我们应该高度重视病毒气溶胶,因为气溶胶在一定条件下的确可以吸附某些细菌和病毒。不过,只要了解了气溶胶的知识,掌握了它的特点和规律,我们就不会恐慌,并能有效防控。

化学家对气溶胶的定义是,气溶胶(aerosol)是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的分散体系。这里的气体介质实际就是空气,正常的空气成分按体积分数计算是:氮(N2)约占78%,氧(O2)约占21%,稀有气体约占0.939%(氦He、氖Ne、氩Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn),二氧化碳(CO2)约占0.031%,还有其他气体和杂质约占0.03%,如臭氧(O3)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、水蒸气(H2O)等,主要是氮气和氧气。一般情况下,氮气和氧气比较稳定,但也可以转化成离子。这些固态或液态颗粒的密度与气体的密度可以相差微小,也可以悬殊很大。颗粒的形状多种多样,可以是近乎球形(如液态雾珠),也可以是片状、针状及其它不规则形状。颗粒的直径大小一般在0.001—100微米(μm)之间(1—100000纳米,1微米(μm)=1000纳米(nm))。气溶胶中的粒子具有很多特有的动力学性质、光学性质、电学性质。比如,气溶胶质点有布朗运动(不规则运动),能发生光的散射,这是使天空成为蓝色,太阳落山时成为红色的原因。气溶胶粒子没有扩散双电层存在,但可以带电,其电荷来源于与大气中气体离子的碰撞或与介质的摩擦,所带电荷量不等,且随时间变化,并且质点既可带正电也可带负电,其电性决定于外界条件。在稳定性方面,气溶胶粒子没有溶胶粒子那样的溶剂化层和扩散双电层,相碰时即发生聚结,生成大液滴(雾)或聚集体(烟),此过程进展极其迅速,所以气溶胶是极不稳定的分散体系。简单说,气溶胶就是若干微小固体粒子或液体小质点均匀分散在气体里形成的一种混合物。液体气溶胶通常称为雾,固体气溶胶通常称为雾烟。直径小于10微米的气溶胶称为烟,大于10微米气溶胶叫做灰尘。天空中的云、雾、尘埃,各种锅炉和发动机里未燃尽的燃料所形成的烟,采石场磨材和粮食加工时所形成的固体粉尘,人造的掩蔽烟幕和毒烟等都是气溶胶的具体实例。气溶胶的消除,主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降。由于气溶胶质点很小,有相当大的比表面和表面能,可以使一些在普通情况下相当缓慢的化学反应进行得非常迅速,甚至可以引起爆炸。气溶胶吸附力很强,加上有电荷,能吸附悬浮固体或毒素,但很容易使病毒基因遭到破坏。

一般说来,气溶胶中半径小于1微米的粒子,大都是由气体到微粒的成核、凝结、凝聚等过程所生成;而较大的粒子,则是由固体和液体的破裂等机械过程所形成。它们在结构上可以是均相的,也可以是多相的。液体气溶胶微粒一般呈球形,固体微粒则形状不规则,其半径一般为0.001—0.1微米。小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制,而大粒子的浓度则受沉降作用所限制。微粒在大气中沉降的过程,受的阻力(向上)和重力(向下)的作用达到平衡时,各种粒子的沉降速度不同。气溶胶在医学、环境科学、军事学等方面都有很大的用途。在医学上可以用于呼吸道疾病的粉尘型药的制备,因为粉尘型药粉更能够被呼吸道吸附而有利于疾病的治疗。在环境上比如用于卫星检测火灾,在军事方面比如烟雾弹之类,还可以制造气溶胶烟雾来防御激光武器。气溶胶在消费品上有广泛应用,如涂漆、清洁剂、擦光剂、除臭剂、香水、剃须乳剂,甚至奶油,都以气溶胶方式销售。

从健康角度看,我们要高度重视生物气溶胶。科学家就把直径在100微米以内的含有微生物或来源于生物性物质的气溶胶叫做生物气溶胶(bioaerosol),其中含有微生物的称为微生物气溶胶。比如,空气中悬浮着的PM2.5、PM10等颗粒物(PM是英文Particulate Matter颗粒物的简写,PM后边的2.5和10,是用来表示颗粒物直径大小的数值,一般用微米表示,数值越大表示颗粒物越大,PM2.5表示的是直径在2.5微米及以下的颗粒物,PM10表示直径在10微米及以下的颗粒物),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, 它们有一部分是活的,有些可以自我繁殖。这种气溶胶的最大特点是能吸附细菌和病毒等。根据有关文献报道,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。此外,因为生物气溶胶含有部分存活的微生物,一旦被吸入人体,不但进入得更深,在一定条件下还可以自我繁殖,所以,特定生物气溶胶的危害是没有阈值的。生物气溶胶主要来源于土壤、植被、水体等排放,也包括人类在内的动物、医院、养殖场、垃圾填埋场、污水处理厂等排放。

根据一些学者的临床研究,武汉新型冠状病毒传播途径有三种,一是飞沫传播,就是带有指带有病原微生物的飞沫核(>5微米),在空气中短距离(一般为2到5米内)移动到易感人群的口、鼻粘膜或者眼结膜等导致的传播,如患者打喷嚏、咳嗽、说话的飞沫;二是接触传播,就是病原体通过手、媒介物直接或者间接接触导致的传播,如飞沫沉积在物品表面,污染人的手,手再接触口腔、鼻腔、眼睛等粘膜,如挖鼻孔、揉眼睛等,也可导致感染;三是空气传播,就是带有病原微生物的微粒子(≤5微米)通过空气流动导致疾病的传播,主要是气溶胶传播,如患者的飞沫混合在空气中形成气溶胶,被他人吸入后也可导致感染。现在看来,武汉新冠状病毒通过空气传播也是可能的,不然就不好解释那么多路过的人都感染了(没有戴口罩)。最新研究提示,有人从大便中分离出冠状病毒,因而可能还存在消化道等其他传播途径,但还没有定论。

我们知道,唾液飞沫的主要成分是水占99%以上,固体成分不足0.7%,其中有机物为0.5%,无机物为0.2%。无机物实际上是一些电解质,主要是钠、钾、氯、磷酸钙和重碳酸盐。有机物主要是各种蛋白质,此外还有一些低分子量的有机物。唾液是以血浆为原料生成的,含有多种生物酶,如溶菌酶、淀粉酶等,呈弱碱性,其中一些成分既是皮肤细胞的最好营养物质,又不会引起皮肤过敏。冠状病毒乐于在唾液中生存,并且时间较长。

武汉新型冠状病毒直径有多大?现在知道是125纳米(nm)。这不是用光学显微镜看到的,而是用电子显微镜。显微镜的分辨率受其使用的波长的限制。因为可见光的波长介于300纳米到760纳米之间,而冠状病毒的的大小约125纳米,远小于可见光的波长,因此,根本无法在光学显微镜下看到它们。我们知道,物质都具有波粒二象性,电子也有波动性,因此可以利用波长更短的电子束代替光波来观察微观世界,这就是“电子显微镜”的基本原理(此发明荣获过诺贝尔奖)。电子显微镜的分辨率(0.2纳米)远高于光学显微镜的分辨率(200纳米),放大了1000倍。

当加速电压为50—100千伏时,电子束波长约为0.0053—0.0037纳米。由于电子束的波长远远小于可见光的波长,所以电子显微镜的分辨本领仍远远大于光学显微镜。光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍,而现代电子显微镜最大放大倍率超过300万倍,所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。我们能够借助电子显微镜看到这些纳米级大小(125纳米)的病毒的真面目。世界卫生组织(WHO)命名武汉新型冠状病毒为2019—nCoV,全称是novel coronavirus,n是单词novel(新型的)的首字母,“CoV”是单词“Coronavirus”(冠状病毒)的缩写。

要认识气溶胶,还要知道颗粒越小、表面积越大、表面能也越大的道理。随着物质粒径的减小,比表面积(单位质量的面积)大大增加。比如,粒径5纳米的颗粒,表面的体积百分数为50%,粒径2纳米时,表面的体积百分数增加到80%。表面能越大,张力也越大,直至浮力凸显出来。我们喝酒倒满杯时,就发现中间高,四周低,有的叫“鼓眼”,代表心诚、情深,实际就是表面张力。比如水蒸气能上天形成云彩,就因为同单位质量水蒸气的表面积比水的表面积大了无数倍。对于一定的物质来说,被粉碎的程度越大,即颗粒越小,则表面积越大。面粉厂严禁烟火的原因就是面粉粉尘表面积大,与空气接触,面粉会燃烧,遇明火极易爆炸。一般来说,颗粒半径越小表面能越大,整体的比表面积越大,催化能力越高。另外,当粒子的大小在1—10纳米级时,就会出现量子效应,成为量子化粒子,导致明显禁带变宽,从而使电子—空穴对具有更强的氧化—还原能力,催化活性将随尺寸量子化程度的提高而增加。尺寸的量子化也使半导体获得更大的电荷迁移。纳米材料主要有以下五大效应:小尺寸效应﹑表面效应﹑量子尺寸效应﹑宏观量子隧道效应和介电限域效应等,这些都是纳米微粒和纳米固体的基本特征,这一系列效应导致了纳米材料在熔点﹑蒸气压﹑光学性质﹑化学反应﹑磁性﹑超导及塑性形变等许多方面都显示出特殊的奇异的性能。比如表面效应,是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随粒径减小,表面原子数迅速增加。同时,随着粒径的减小,纳米粒子的表面积、表面能的都迅速增加。这主要是粒径越小,处于表面的原子数越多。表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性,很想与其他原子结合而稳定下来,因而表现出很大的化学和催化活性。打个形象的比喻,就像粒子表面有很多的手一样,表面积越大,这些手越多,抓的东西也越多。这里的手可以理解为一种悬挂键。纳米材料庞大的比表面,键态严重失配,出现许多活性中心,使纳米材料具有极强的吸附能力。对于促使物质腐败的氧原子、氧自由基,还有其他异味的烷烃类分子等,均具有极强的抓俘能力,使其具有防腐抗菌功能。对于气溶胶也是如此,粒子越小,表面能越大,吸附能力越强,可以吸附大量微粒包括细菌和病毒,但由于有强大催化作用,细菌和病毒很快死亡。液态气溶胶(比如水与空气混合)携带病毒的可能性较大,但很容易被大气流动带走,并且很容易被空气中其他微粒凝聚沉降。比如,胶体净化水,液态胶体粒子的直径一般在1—100纳米之间,吸附力很强,能在水中吸附悬浮固体或毒素形成沉淀,从而达到净化水的目的。

液态气溶胶的粒子大小约在100—10000纳米之间,属于粗分散物系。能稳定存在的主要原因,一是布朗运动和扩散作用阻止了胶粒的下沉,所以重力、沉降、对流都足以使得粒子之间具有许多相遇的机会,说明溶胶就有动力学稳定性。二是同种电荷的排斥作用,同一种溶胶的胶核粒子和扩散层带有同种电荷,当两个胶粒间的距离缩短到它们的扩散层部分重叠时,包围着胶核粒子的双电层的静电作用会阻碍粒子的充分接近,阻止了溶胶粒子的凝结合并,使之稳定。三是溶剂化作用,吸附层中离子的水化作用使得胶体被水包围,溶胶粒子周围形成了一层溶剂化保护膜,因而既可以降低胶粒的表面能,也会阻止胶粒之间的相互接近,因此胶体具有一定的稳定性。这是在水中的情况。如果在大气中,液态气溶胶就没有这些条件了,因此很不稳定,携带病毒传播给人的可能性大大减小。

我国古代早有“纳米”应用,如徽墨,其主体成分的炭黑就是纳米颗粒。纳米(nm)和米、厘米一样,是长度计量单位。一纳米为一毫米的百万分之一(10-9米)。纳米材料通常指两种材料:一是纳米尺寸(粒径在1—100纳米颗粒或直径在1—100纳米的纤维)的基础材料,如纳米碳黑、纳米磁粉、纳米炭管等;一是采用纳米量级(1—100纳米)的基础材料加工的制品,在其微观尺寸上保持一定的纳米分散性,如纳米陶瓷,活性钙等。在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒,能除味杀菌,把银纳米微粒加入到袜子中去,可以清除脚臭味;医用纱布中放入纳米Ag粒子有消毒杀菌作用。

我们从有关实验知道,很小的气溶胶固态微粒,能捕获病毒并使病毒死亡,无法传播病毒。较大的气溶胶微粒,能吸附病毒并下沉到较低空间,如果吸入人体,肯定有害。但可以通过戴口罩防控。只要是合格的医用口罩,都可以有效阻击这种大颗粒的气溶胶。按照中国有关标准:合格的医用外科口罩能阻隔空气中直径<5微米的悬浮粒子90%以上,直径<2微米的70%以上。但日本标准都用0.3微米以下(0.06—0.1微米)的粒径做测试。我们还有差距。

按照直径来区分,细粒子和粗粒子的分界线通常为2微米左右。从对人体呼吸道的危害看来,10微米以上的粒子,常阻留在鼻腔和鼻咽喉部;2—10微米的粒子大部分留在上呼吸道,而2微米以下的粒子随着粒径的减小在肺内滞留的比率增加,0.1微米以下的粒子随着粒径的减小在支气管内附着的比率增加。半径小于0.1微米的粒子,其数密度随离地面高度的增加而减小,这表明它们来源于地表;但半径0.1—1微米的粒子,其数密度在对流层顶上部随高度逐渐增加,并且在15—20公里附近出现极大值,形成平流层内的气溶胶层,这层气溶胶可能是火山喷出的气体在平流层中经氧化成固体而形成的。它虽然只占大气中气溶胶总量的百分之几,但对于大气的气温有重要的影响。通过大气遥感,可探测气溶胶粒子的平均谱分布。卫星遥感手段有时效性强、覆盖面广、分辨率高等优势,使我们能够快速大面积监测气溶胶分布情况。

大家知道,病毒在细胞外是不能生存的。病毒只有在细胞内才有生命活性,在细胞外不表现出生命特征,体现为病毒的休眠体,所以说病毒只有依靠细胞才能生存。传染病是因为病毒进入体内后重新恢复了生命活性。病毒由一个核酸长链和蛋白质外壳构成,病毒没有自己的代谢机构,没有酶系统。因此病毒离开了宿主细胞,就成了没有任何生命活动、也不能独立自我繁殖的化学物质。一旦进入宿主细胞后,它就可以利用细胞中的物质和能量以及复制、转录和转译的能力,按照它自己的核酸所包含的遗传信息产生和它一样的新一代病毒。 

冠状病毒形状像王冠,病毒上有包膜,其边缘有大的球状表面投影,产生的图像让人联想到皇家王冠。冠状病毒具有单链核糖核酸基因组和螺旋对称的核衣壳,基因组大小约为26000—32000个碱基,是核糖核酸病毒中最大的。目前为止,仅传染脊椎动物,可引起人和动物呼吸道、消化道和神经系统疾病。冠状病毒的单链核糖核酸(RNA)不同于遗传物质双链DNA(结构比较稳定),单链的RNA极易变异。冠状病毒进入细胞后开始复制繁殖,许多麻烦就产生了。冠状病毒主要存在于禽类体内,蝙蝠和鸟类是它的理想宿主,已经有几千年的历史,最近100年各类冠状病毒被陆续分离出来。冠状病毒的单链核糖核酸(RNA)本身很不稳定,虽然没有细胞壁(细菌有细胞壁),但有包膜,特性不同于一般病毒,容易附着在载体宿主上。

由于患者打喷嚏、咳嗽、说话的飞沫中有病毒RNA,并且是液体混合物,很容易在空气中形成气溶胶。病毒在气溶胶里存活时间可以更长一些,所以防控难度更大一些。但是好在气溶胶颗粒比较大,一般大于10微米,50微米以上的最多,因此一般医用口罩(或者防范雾霾的口罩)可以阻拦这种粒子。特别小的气溶胶粒子(半径小于0.1微米),重量轻,主要分布在高空(来自土壤的靠近地面),随风飘走了,人呼吸到的可能性不大。另外,气溶胶质点比表面能很大,又有电荷,病毒很容易被破坏,存活度不高。据说武汉新型冠状病毒能在干燥空气中存活48小时,这可能主要是它有包膜,可以起到保护作用,在没有宿主细胞时可以成为“晶体”等待时机。“晶体”也有一定感染性,所以有接触传染。假如新型冠状病毒2019—nCoV能被吸附在气溶胶里,我们戴口罩也能防范。所以出门一定要佩戴口罩,同时注意口罩更换时间和保存方法,并做到勤洗手、正确洗手,避免用手接触口、眼、鼻等。

世界上最先使用口罩的是中国。据资料,13世纪初,口罩只出现于中国宫廷。侍者为防止气息传到皇帝的食物上使用了一种蚕丝与黄金线织成的巾做成口罩。马可·波罗在他的《马可·波罗游记》一书中记载:“在元朝宫殿里,献食的人,皆用绢布蒙口鼻,俾其气息,不触饮食之物。”这样蒙口鼻的绢布,就是原始的口罩。19世纪末,口罩开始应用于医护领域。德国病理学专家莱德奇开始建议医护人员使用纱布罩具以防止细菌感染。20世纪初,口罩首次成为大众生活必备品。席卷全球的西班牙流感夺走了约5000万人的生命,普通人群被要求用口罩抵御病毒。20世纪中后期,口罩的大规模使用次数明显增加。载入史册的历次大流感中口罩在预防和阻断病菌传播方面数度扮演重要角色。1910年,哈尔滨爆发鼠疫,时任北洋陆军医学院副监督伍连德医生发明了“伍式口罩”。2003年,一场“非典”,中国口罩的使用和普及达到新高潮,一度几乎脱销。2009年,在继2004年的“禽流感”之后,“甲型H1N1流感”让口罩大军再次出现涌现。2013年PM2.5概念的出现,引发公众对空气污染问题的重视,使得口罩在雾霾天气时再次畅销。

至于武汉发生的新型冠状病毒能否被吸附在气溶胶里,还需要研究。从现有资料看,2019—nCoV传播的主要渠道可能是唾液飞沫和气溶胶。我们戴口罩的目的,是预防“喷出来的病毒”和大颗粒的病毒气溶胶。洗手的目的,是预防沉淀或吸附在手上的飞沫和病毒气溶胶。极为细小的气溶胶质点能催化或摧毁病毒,因此害处不大。大直径的气溶胶质点,能吸附病毒,但只要配戴合格口罩就能防控。因此,对于气溶胶传播病毒,我们要重视,但不要恐慌。

(李后强,四川省社会科学院党委书记、教授、博士生导师。)


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2020年02月06日 07:52
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彭清华出席四川省应对新型冠状病毒感染肺炎疫情工作会议并讲话