[美国]加州6月29日消息:研究人员在5秒至20分钟的时间内，在5-10个直径的雾化飞沫中测量了四种SARS-CoV-2变种的稳定性和传染性，发现20分钟后传染性下降了约90%;根据科学杂志《美国国家科学院院刊》，传染性的丧失与相对湿度和气溶胶pH值有关，这为控制SARS-CoV-2空气传播的机制提供了深入的见解，并表明测量环境中的二氧化碳水平可能有助于估计疾病传播风险。
正在发生的2019冠状病毒病(COVID-19)大流行表明，需要更好地了解控制呼吸道病原体不同传播方式相对重要性的因素，包括影响飞沫、污染物和空气传播的参数。事实上，我们的认识不足延长了围绕严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)通过空气传播可能性的辩论，从而影响了非药物干预和缓解策略的实施，如保持身体距离、佩戴口罩和使用紫外线杀菌照射。目前，流行病学证据、空气采样研究和动物模型研究基本上与吸入传染性气溶胶(直径100微米)为主的传播一致。已有记录表明，传播距离超过2米，而且往往在可预防的情况下发生，例如在通风不良的房间中长时间接触后发生。
关于SARS-CoV-2空气稳定性的报告一致表明，在呼吸气溶胶替代物中，与病毒传染性衰退相关的半衰期在几个小时左右。但是，需要详细了解控制病毒在空气中传播寿命的过程，以及相对湿度(RH)和温度等基本环境条件如何影响传染性。更具体地说，环境条件对空气中飞沫中的微环境的影响，以及这种微环境与病原体稳定性之间的相互作用，目前尚不清楚。改进呼吸道气溶胶理化性质的模型以及改变颗粒尺寸、水分含量、成分和相的过程，对于更清晰地了解不同环境中空气传播的相对风险以及减少传播的缓解措施的潜在好处至关重要。的确，应该认识到，转化过程会导致性质的短暂变化(例如，液滴呼出后蒸发过程中盐的表面富集)，这可能对传染性产生影响，不同于在空气运输过程中持续较长时间的稳态平衡性质(例如，平衡盐浓度)。
空气中液滴内的微环境是多种多样的，众所周知很难研究，而且有机大分子和微生物的存在使其更加复杂。大部分室内气溶胶来自蜡烛、灰尘、室外空气污染、食品炊具等，但呼吸道病原体通过呼出的气溶胶传播，气溶胶的直径可达100纳米至100毫米，人类呼吸时的排放率低至10个粒子s-1。无论产生呼吸性气溶胶的呼气活动是什么[例如，咳嗽，说话]，发射颗粒的高表面积体积比有助于周围气相组成的快速平衡。特别是，液滴内的水活度与周围RH的平衡影响气溶胶中微生物所经历的物理化学条件。在呼出点，水状呼吸液滴的水活度非常高(~0.995)，这与呼吸道内的高RH平衡一致，但必须调整到与室内湿度平衡，室内湿度通常在20%至60%之间。在大多数情况下，呼出的气溶胶液滴通过蒸发迅速失去水分和热量。当它们与室内环境建立平衡时，体积和温度会随之发生较大的变化。
水的流失不仅会导致蒸发过程中溶质浓度的增加，而且不存在非均质成核位点(即表面)会导致溶质浓度过饱和，这在整体溶液相或沉积在表面的固着液滴中是无法达到的。在足够低的RH条件下(例如，盐溶液液滴低于45%)，溶质的过饱和足以诱导盐组分均质成核，导致液滴开花(结晶)和形成干燥颗粒。此外，在液滴蒸发的初始阶段，微生物在液滴内的扩散速度可以明显慢于液滴表面后退的速度，导致它们被排除在液滴的近表面区域。考虑到液滴表面的物理化学条件可能与核心不同(例如，溶质浓度的表面富集)，确定微生物在颗粒内的分布可能对理解气溶胶微物理对其寿命的影响至关重要。
一旦气溶胶的水分含量下降，与周围环境建立平衡，微生物存活的衰减可能受稳态微物理特性的调节。特别是，典型的RH范围与呼出的气溶胶中过饱和的平衡溶质浓度是一致的。虽然其机制尚不清楚，但高浓度盐可能通过破坏病毒核酸使病毒失活。有机大分子含量高时，可能会形成具有富有机和富无机区域的相分离颗粒或含有困住水分的非晶态颗粒，潜在地提高病毒和细菌的存活率。此外，气溶胶颗粒的pH值与RH、大小和组成有关，而且气溶胶雾滴表面的pH值可能与雾滴整体不同。事实上，预测气溶胶pH的变化是具有挑战性的，特别是当考虑到环境中水溶性酸性和碱性组分的容易分配时，甚至在考虑气溶胶pH对微生物生存的影响之前。
评估病原体空气稳定性的实验室策略必须能够模拟发生传播的真实环境的每一个方面，或者必须实现对条件的充分控制，以便能够独立评估单个过程和特性对生存的影响。几十年来，戈德堡旋转鼓被广泛用于评估空气中病原体的稳定性，并被用于研究SARS-CoV-2的空气存活情况。更具体地说，研究检查了传染性对时间(20分钟至16小时)、RH(40%至70%)和UVC光的依赖性，并测量了由细胞培养基(Dulbecco改良的Eagle培养基[DMEM]和最低必需培养基[MEM])和人工唾液组成的气溶胶。所有的研究都集中在5um(质量中值气动直径)的平衡颗粒尺寸上。雾化器被用来产生一团雾化的病原体，通过圆筒的旋转使其悬浮。通过将喷雾器的输出与湿度和温度可控的空气流混合，可以控制滚筒内的初始环境条件。然而，在稳定的环境条件下运行可能具有挑战性;例如，当液滴蒸发并平衡到设定的湿度时，它们释放的水会导致鼓内的湿度增加。此外，新鲜雾化的气溶胶云中液态水含量的动态变化不能复制伴随极低浓度呼出的气溶胶而发生的非常迅速的变化。这就排除了对病原体生存能力短期下降的任何研究，而这可能对了解密切接触传播和呼气对微生物生存的直接后果至关重要。
研究人员以前曾报道过一种独特的方法来研究传染性气溶胶以及气溶胶微物理和病原体生存之间的相互作用，使用互补的气溶胶分析技术来评估控制病原体在空气中寿命的潜在机制。病毒和细菌的气溶胶稳定性是通过CELEBS(可控电动悬浮和在基质上提取生物气溶胶)技术进行研究的。在CELEBS中，一小群几乎相同的、含有细菌或病毒的单分散液滴被困在电场中，而持续的空气流动阻止了液滴周围释放的水的积聚。加载液滴到CELEBS需要<0.1 s，随着时间的推移，没有液滴的物理损失。因此，液滴中悬浮微生物的生存能力评估可以在悬浮时间从少于5秒到数小时之间进行。然后，这些寿命测量可以与详细测量液滴物理化学性质的动态变化相结合，采用完全相同的方法，在称为比较动电动态平衡(CK-EDB)的仪器中产生。CK-EDB使用与CELEBS相同的压电液滴按需分发器来产生液滴，在湿度和温度可控的空气流中，激光的路径中捕获颗粒。在与CELEBS相同的环境条件下，弹性光散射模式可以用来推断这些液滴的大小和结构。
通过将液滴物理化学性质的时间敏感测量(CK-EDB)与下游生物效应(CELEBS)在同一时间尺度上的耦合，系统地探索病毒和细菌的失活机制假说是可能的。在这项研究中，我们将这种方法应用于研究SARS-CoV-2在细胞培养基的空气飞沫中存活的时间跨度，从20秒到20分钟，与新鲜呼出的气溶胶蒸发相适应。通过研究飞沫中发生的物理化学变化，并探索这些变化如何影响病毒的传染性，我们阐明了空气环境对SARS-CoV-2的影响。这项研究为了解环境条件对COVID-19传播的潜在影响提供了见解。
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