功能性可消毒污水排气高效空气微粒过滤系统的开发及其使用汽化过氧化氢的验证

《Applied and Environmental Microbiology》：Development of a functional and disinfectable sewage vent high-efficiency particulate air filter system and its validation using vaporized hydrogen peroxide

　　

摘要：空气传播消毒是高防护设施安全操作的必要条件。然而，污水排气空气——特别是在大动物实验单元中——可能构成关键缺口，且通常未纳入高效空气微粒（HEPA）过滤系统设计。研究人员提出了一种工程设计，能够对来自初级生物防护设施（包括大动物设施和尸检室）的污水排气空气进行HEPA过滤。研究人员还评估了汽化过氧化氢（vH₂O₂）熏蒸作为空气消毒方法。消毒效果通过使用涂有10⁶个嗜热脂肪芽孢杆菌（Geobacillus stearothermophilus）孢子的商业孢子载体（CSC）进行定量载体测试来确定，并与涂有替代病毒、分枝杆菌和其他孢子的细菌载体进行比较。实时监测温度、相对湿度（RH）和vH₂O₂浓度，以定义工艺参数并验证针对≥4 log₁₀灭活的方案。不同挑战微生物的灭活效果差异显著：商业孢子载体（CSC）对灭活最不抵抗，而细菌载体上的鼠诺如病毒（MNV）最难灭活。在中高vH₂O₂浓度（高达520 ppm）下，增加RH是灭活的主要驱动因素。基于这些数据，研究人员开发了一种双阶段消毒循环，维持饱和湿度环境，约35% H₂O₂，持续≥10小时，实现MNV感染性和G. stearothermophilus孢子活力在细菌载体上≥4 log₁₀的降低。总体而言，在高至饱和RH条件下，vH₂O₂是对处理高后果病原体的生物防护设施中技术基础设施进行消毒的有效方法。

论文解读：

高防护设施（high-containment facilities）在操作高后果病原体时，必须对设施内空气进行有效消毒。然而，大动物实验单元中的污水排气（sewage vent air）常被视为污染废气流，却往往未纳入高效空气微粒（HEPA）过滤系统的设计考虑。现有文献缺乏对污水排气HEPA过滤系统及其消毒验证的详细描述。为此，研究人员设计了一套功能性的污水排气HEPA过滤系统，并评估了汽化过氧化氢（vH₂O₂）熏蒸消毒的可行性，旨在建立可复制的工程设计与消毒方案，保障设施安全运行。

研究人员在德国FLI Greifswald-Riems的兽医BSL-4设施中开展了研究。首先，初始污水排气过滤器因缺乏主动气流管理，导致湿度失控、HEPA滤材受潮、滤框部分破坏并出现霉菌生长，未能通过性能验证。随后，研究人员重新设计了系统，采用独立风机产生持续单向气流，将过滤单元与主HVAC系统分离，并增设补偿罐以平衡湿度。该系统包含三个HEPA过滤器外壳（两个供气侧、一个排气侧）及约20米管道。消毒测试采用商业孢子载体（CSC）和自制备细菌载体（GC），涂布不同微生物，包括鼠诺如病毒（MNV）、水疱性口炎病毒（VSV）、塞内加尔分枝杆菌（M. senegalense）、枯草芽孢杆菌（B. subtilis）和嗜热脂肪芽孢杆菌（G. stearothermophilus）。通过实时监测温度、相对湿度（RH）和H₂O₂浓度，量化不同位置的灭活效果。

结果部分包含四个关键发现：

(1) 初始污水排气过滤器设计未通过性能验证测试：被动式系统导致滤材受潮、霉菌滋生，表明必须采用主动气流管理。

(2) 重新设计的污水排气过滤器系统对空气消毒构成挑战：在闭环循环中应用35% H₂O₂，发现商业孢子载体（CSC）完全灭活（>6 log₁₀），而涂有MNV和B. subtilis孢子的GC在HEPA过滤器外壳内残留存活。回归分析显示，RH与MNV、M. senegalense、B. subtilis的灭活显著正相关，但VSV和CSC无明显关联。

(3) 改良消毒循环和持续饱和RH可实现MNV和G. stearothermophilus孢子的高效灭活：将供气侧HEPA过滤器排除在消毒回路外，缩短除湿阶段，延长消毒阶段，并增加保温阶段。结果显示，所有位置均达到接近完全灭活（MNV 5.66–6.66 log₁₀，G. stearothermophilus 5.57–6.29 log₁₀），且土壤负荷对灭活效率无显著影响。

(4) 土壤负荷延长微生物的存活时间：在22°C、30% RH下储存28天，无土壤负荷的病毒和分枝杆菌滴度显著下降，而有土壤负荷的病毒滴度保持较高；芽孢杆菌孢子几乎不受影响。

讨论部分指出，vH₂O₂消毒成功的关键在于相对湿度。在中高浓度（≤520 ppm）下，高至饱和RH是灭活非包膜病毒和孢子的必要条件。商业孢子载体因人工设计、表面光滑且孢子单层分布，抵抗性低于实际环境中的微生物聚集体，因此不应作为唯一验证手段。研究者强调，应选用具有代表性的替代微生物（如MNV和G. stearothermophilus的自制备细菌载体）进行消毒验证。

结论部分翻译如下：在本研究中，研究人员向生物安全和工程界提出了一种在初级防护条件下运行的高效污水排气过滤器系统。研究还表明，在中高vH₂O₂浓度下，相对湿度对于微生物的成功消毒至关重要。研究结果再次证实了商业孢子载体的局限性，这清楚表明需要选择适当且相关的测试生物或替代物来评估消毒效果，尤其是在处理大动物的BSL-3和BSL-4设施中。该研究发表于《Applied and Environmental Microbiology》，为高防护设施的污水排气处理提供了工程参考和消毒验证范式。