光催化涂料降低学校室内花粉浓度效果评估

《Environmental Pollution》：Evaluating the effectiveness of photocatalytic paints in reducing indoor pollen concentrations in schools

　　

欧洲学龄儿童每日在校六至九小时，教室室内空气质量关乎其健康与福祉。研究人员于2023与2024年在西班牙马德里三所位于城市与城郊不同区位的小学教室评估了光催化涂料降低室内花粉浓度的效果。研究人员对室内外花粉类型进行鉴定，并依据周边土地利用与植被分析潜在花粉源。采用线性混合效应模型（Linear Mixed-Effects Models, LMMs）评估区位、监测期、周次、采样班次及光催化处理的影响。室外共鉴定45种花粉，其中30种在室内亦被检出，表明教室对气传花粉具有高渗透性。区位、监测期与采样班次两年均显著影响花粉浓度（均p < 0.001）。处理×时段交互作用显著（F = 7.09, p = 0.008）；然而以室外花粉浓度归一化后采用室内外比值（Indoor/Outdoor ratio, I/O比）分析，该效应未保留（F = 2.24, p = 0.136），表明室外花粉负荷仍是室内暴露的主要决定因素。土地利用与气传花粉树状图聚类模式一致，提示周边植被可能影响气传花粉组合。上述发现凸显室外花粉动态对教室环境的主导影响，强调将气生物学信息纳入学校室内空气质量管理的必要性。因下午花粉浓度持续高于清晨，早晨通风或有助于降低室内花粉暴露，但其效果可能随局地环境与花粉动态而异。

研究背景方面，花粉是诱发儿童哮喘、过敏性鼻炎等慢性过敏性疾病的主要自然变应原之一，而欧洲学龄儿童每日在教室停留六至九小时，教室成为继家庭之后最重要的微环境。目前欧洲及国际上均无针对室内花粉控制的法定义务，亦无室内花粉分类阈值或临床阈值，现有标准仅间接涉及通风过滤设备。尽管高效颗粒空气（High-Efficiency Particulate Air, HEPA）过滤、离子净化等技术被广泛讨论，异相光催化作为新兴策略，多以二氧化钛（Titanium Dioxide, TiO₂）为半导体，在光照下通过产生活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）非选择性氧化污染物，其集成于建材（如涂料）具自清洁与抗菌潜力；但既往研究多限于实验室或模拟室内可见光条件，真实人工照明教室环境下对完整气传花粉粒的消减效果尚缺系统验证。为此，研究人员在马德里三所小学开展现场干预，评价可见光激活TiO₂基光催化涂料对室内花粉浓度的实际影响，并刻画室内外花粉谱与周边土地利用的关联。

关键技术方法上，研究人员选取马德里北部、东部及城郊新街区三所小学，每校选定一至两间一楼、受太阳辐射相近的8至12岁学生教室，于2023年五个月（2、4、5、10、12月）作处理前基线，2024年同期在每校一间教室涂布商用可见光激活TiO₂涂料作为处理组、其余为对照组。采用Burkard个人体积式空气采样器（Hirst型，流量10 L/min，采样9分钟）在08:30与14:00两个班次同步采集室内外玻璃片样本，经明胶甘油碱品红染色后光学显微镜400倍鉴定计数，按WAO公式换算为粒/m³。统计上，研究人员对计数作log(x+1)变换，使用线性混合效应模型（LMMs）以教室嵌套学校为随机截距，固定效应含处理、时段、处理×时段、监测期、周次、班次，评估绝对浓度；再以同日期配对室内外计算I/O比并log(ratio+0.01)变换后拟合第二套LMMs；另以Bray-Curtis距离（花粉）与欧氏距离（CORINE 2018土地利用3 km缓冲）做UPGMA层次聚类，用dendextend包比较树状图相关性。

研究结果部分，3.1节变量分析显示，区位、监测期、班次两年均显著（2023年R²m=0.357，2024年R²m=0.593），2024年总体花粉高于2023年（周期效应F=25.99, p<0.001）；下午14:00浓度显著高于08:30（p<0.001），室外始终高于室内（p<0.001）。光催化处理呈现显著处理×时段交互（F=7.09, p=0.008），未处理教室对数期望边际均值（Estimated Marginal Means, EMMs）由0.69升至1.25，处理教室仅由0.84升至0.94，处理后组间差异显著（p=0.029）；但I/O比模型中该交互不显著（F=2.24, p=0.136），处理教室I/O对数EMMs由-2.15降至-2.98，未处理由-2.40降至-2.58，组间无显著差异。3.2节花粉表征中，室外共45型、室内30型，优势类群为柏科（Cupressaceae）、桑科（Moraceae）、油橄榄属（Olea）、松属（Pinus）、车前属（Plantago）、悬铃木属（Platanus）、禾本科（Poaceae）、杨属（Populus）、栎属（Quercus）与荨麻科（Urticaceae）；北方校与东方校室外多在4月栎属、2月柏科超西班牙气生物学网（Red Espa?ola de Aerobiología, REA）风险阈，室内除2024年4至5月下午少数超限外多处低风险。3.3节植物表征显示，北方校人工面占78.5%，东方校100%人工面，城郊新街区校人工面56.6%伴农田草地森林。3.4节树状图比较中，土地利用与花粉聚类完全一致（相关系数最大、交织度零），北方校与东方校聚为一支，城郊校独立成支。

讨论部分指出，绝对浓度模型的处理×时段显著可能受2024年室外花粉大年放大未处理室上升幅度所致；I/O比归一后失效，说明光催化涂层仅作用于沉降于墙顶的表面接触粒，无法拦截悬浮气传花粉，通风率与室外 influx 主导室内浓度。下午高浓度与花粉午间释放节律一致。研究人员强调终点为完整花粉粒显微镜计数，未测变应原蛋白载量，故不能直接推演过敏风险下降。REA阈值为室外基准，室内超限仅作量级参照。周边土地利用通过观赏与半自然植被组合塑造气传谱，城郊校因异构景观分离于两所都市校。

结论部分翻译如下：室内花粉的存在表明教室并非气生物学隔离环境，而是强烈受室外花粉动态与周边土地利用影响。花粉浓度偶发超过西班牙气生物学网既定风险阈，凸显花粉作为学校室内空气质量组分的相关性。研究人员检测到显著的处理×时段交互（F=7.09, p=0.008），表明处理与未处理教室时间轨迹不同；然而以室外花粉浓度归一化后采用I/O比该效应未保留（F=2.24, p=0.136）。这一发现提示根本机制区分：光催化涂层局部作用于表面沉降颗粒，而气传花粉浓度主要由物理通风与室外流入支配，压倒局部表面降解。因此室外花粉负荷仍是室内暴露主要决定因素，所评条件下光催化处理贡献有限。花粉浓度下午持续高于早晨采样段，故早晨通风或可作为降低室内花粉暴露的务实策略，虽其效价可能随局地环境而异。周边配植低致敏或非致敏植物亦应作为补充预防手段。整体研究凸显室外花粉动态塑造教室室内环境的主导角色，并强调将气生物学信息整合入学校室内空气质量管理之必要。