利用静电除尘器“读懂空气中的病毒”：医院室内SARS-CoV-2监测新路径

基于山梨大学与日本医院联合团队在第17届静电除尘国际会议（ISESP 2024）的空气净化器滤芯病毒检测研究

关键词
Air cleaner; Electrostatic precipitator; Influenza A virus; SARS-CoV-2; Ultrasonication; HEPA滤芯; 室内空气质量监测

呼吸道病毒（尤其是SARS-CoV-2和甲型流感病毒）可在空气中存活数小时，通过气溶胶和飞沫颗粒实现远距离传播，这已经成为医院、学校等密闭场所公共卫生防控的核心难题[1]。在自然通风受限的现实条件下，依赖机械通风和空气净化器已成为常态。但空气净化器是否真的高效捕获了SARS-CoV-2？如何把“滤芯上到底有多少病毒”这件事量化出来？行业内一直缺乏可操作的技术路径。

在京都举办的第17届静电除尘国际会议（ISESP 2024）上，日本山梨大学与东京一所医院联合发表的研究，给出了一个颇具工程意义的答案：把静电除尘器（Electrostatic Precipitator, ESP）和HEPA空气净化器当作“空气取样器”，通过超声洗脱、膜过滤浓缩、RNA提取和RT-qPCR检测，定量分析室内空气中SARS-CoV-2和甲型流感病毒的存在量。这项工作由Hirai Soichiro、Hosoda Satoru 和 Haramoto Eiji 等完成，依托山梨大学综合医学·工程·农学研究生院以及山梨大学流域环境跨学科研究中心，与东京Raijin No Kaze / 大田医院开展联合研究。

研究团队选取了三类实际使用中的空气净化器：两种为静电除尘型（Type A 与 Type C），一种为典型的HEPA滤芯型（Type B）。这些设备分布在一家综合医院的10个功能区域，包括两间COVID-19病房（Room A和Room B）、门诊大厅、急诊科、康复室、透析室，以及2–5层病区的4间日间活动室。研究周期为2023年5月至9月，累计回收105块过滤组件，采样周期为每2–4周一次，从而获得兼具时间跨度和空间分布的室内病毒暴露图景。

针对静电除尘器和HEPA的滤芯，研究团队设计了一条适用于“实机滤芯”的病毒回收工艺：首先将滤芯整体装入耐高温塑料袋内，避免锐利金属边缘划破包装；随后将其浸没于经高压灭菌的Milli-Q纯水中，ESP A型滤芯使用3 L，HEPA与ESP C型滤芯使用2 L。通过超声波清洗槽对滤芯进行10分钟超声处理（A型由于只能部分浸没，需正反两面各处理一次），利用空化效应将附着在极板、集尘模块或滤材纤维上的病毒颗粒洗脱到水相中。超声后的洗脱液体积统一调节到约2.5–2.9 L（Type A）和1.6–1.9 L（Type B 和 C），为后续病毒浓缩创造可比条件。

为找到适合静电除尘器应用场景的病毒浓缩方案，研究者对比了三种典型水样浓缩技术：高速离心、PEG沉淀和膜过滤。以一种ESP（Type A）的洗脱液为对象，三种方法平行处理，并在不同科室点位进行RT-qPCR检测。结果显示，在COVID-19病房中，三种方法对SARS-CoV-2 RNA的检出率均达到100%，但回收量存在明显差异：离心法对应的总回收约为10^3–10^4拷贝量级，PEG沉淀略低，而通过MgCl2助滤的膜过滤法在同一病房点位获得了约6.8×10^4拷贝的回收量，Ct值范围也最低（约28.4–28.6），表明病毒RNA负荷更高。在门诊区A、B等低负荷场景中，膜过滤同样实现了100%的阳性检出，而离心和PEG在个别点位仅有25%–75%的检出率。综合检出率、Ct值和工程可操作性，研究团队最终确定以“超声洗脱 + MgCl2助滤 + 膜过滤”作为静电除尘器滤芯病毒检测的优选工艺。

在完成工艺优化之后，研究团队系统分析了三类空气净化器在不同科室的SARS-CoV-2捕集情况。从定性检出率看，在两间COVID-19病房内，三类滤芯的SARS-CoV-2 RNA检出比均为100%（Type A、B各14/14，Type C为7/7）；在门诊大厅、急诊科、透析室以及与COVID-19病房位于同一楼层的日间活动室，相关安装点同样实现了100%检出。而在非COVID楼层的其他日间活动室中，仅在约40%的ESP滤芯样品上检测到SARS-CoV-2 RNA，这与这些区域远离感染源、空气稀释更强的实际工况相吻合。

从定量结果来看，COVID-19病房内的静电除尘器和HEPA空气净化器滤芯均回收到了最高水平的SARS-CoV-2 RNA负荷：三种滤芯对应的平均回收量分别约为10^4.0、10^3.7和10^4.2拷贝量级。其他高风险区域如门诊大厅、透析室、同楼层日间活动室及急诊科，回收水平次之，但整体仍显著高于其他楼层。由于现场并未同步记录各设备的实际处理风量，本研究采用“单位运行日回收病毒量”（log copies/day）来进行横向比较：在COVID-19病房中，三类滤芯对应的日均SARS-CoV-2 RNA负荷分别约为10^2.7、10^2.3和10^2.9拷贝/天，门诊、急诊和透析等区域则呈现相近水平，明显高于非COVID楼层。这一结果从“工程监测”角度验证了：静电除尘器及HEPA空气净化器不仅在捕集微粒方面有效，也能够作为“被动空气监测器”直观反映医院内不同空间的病毒暴露差异。

值得行业关注的是不同过滤技术在成本与性能上的对比。研究发现，在COVID-19病房某次采样中，HEPA滤芯曾记录到接近10^6.8拷贝的峰值，说明在特定时刻其对SARS-CoV-2 RNA的捕集能力非常突出。但从时间平均结果看，两种静电除尘器（Type A与Type C）在大部分场景下的回收量并不逊色于HEPA，甚至在多点平均上略占优势。更关键的是：静电除尘器滤芯（集尘极板或可清洗模块）在完成一次超声洗脱检测后仍可继续使用，对于医院、学校、公共建筑等长期运营场景而言，较HEPA一次性滤材具有明显的运维与成本优势。这一结论对ES​​P在公共卫生防控中的应用推广具有直接的产业参考价值。

在甲型流感病毒方面，本研究同样利用上述流程进行检测。不同于SARS-CoV-2在多点位广泛检出，Inf-A RNA仅在门诊区域的ESP滤芯（Type A）上出现阳性，检出率约为29%（2/7），且定量阳性比例为0。在5–7月研究初期，该院门诊中被确诊为甲流的患者比例不足1%（4/510），到8–9月则分别上升至约4%（9/239）和11%（42/369）。与此相对应，后期门诊区域的ESP滤芯样品中开始出现Inf-A RNA阳性。这一趋势提示：当某种呼吸道病毒在就诊人群中的检出率升高时，基于静电除尘器滤芯的空气监测同样会出现“同步放大”的信号，这与近年来废水监测中通过病毒负荷预判疫情走势的逻辑高度一致[3–5]。

为了进一步评估滤芯病毒负荷与实际病例数量之间的关系，研究团队对两间COVID-19病房内的住院患者人数与滤芯上SARS-CoV-2 RNA负荷进行了相关性分析。在Room A中，ESP A型滤芯的病毒量与患者数呈中度负相关（r = -0.73），而HEPA（Type B）和ESP C型（Type C）滤芯则表现为中等偏强的正相关（分别r = 0.63和0.81）。在Room B中，Type A几乎无相关性（r ≈ -0.01），Type B甚至呈中度负相关（r = -0.47）。但需要指出的是，这些相关性均未达到统计学显著（p>0.05），说明在真实医院环境中，滤芯病毒负荷还受到诸多工程与环境因素的影响，例如：滤芯上病毒的降解速率、超声洗脱效率、不同滤芯使用的洗脱水体积差异（A型多用1 L）、房间气流组织及排风模式、患者活动行为等。因此，从工程应用角度看，利用静电除尘器滤芯进行“相对强弱判定”和“趋势监测”目前更具可行性，而将其直接转化为精确的“空气中病毒浓度”或“一定时间段感染人数”仍需进一步标定和多点长期数据支持。

总体而言，该研究为工业静电除尘器和空气净化设备行业提供了几个值得关注的技术信号：第一，通过“超声洗脱 + MgCl2助滤膜过滤 + RT-qPCR”的流程，可以在不额外布设昂贵采样装置的前提下，把现有空气净化器滤芯改造为可靠的室内病原体监测载体；第二，在医院等高风险场景中，静电除尘器与HEPA均能有效捕获SARS-CoV-2 RNA，但可清洗、可重复利用的ESP在长期运维成本与连续监测上的综合优势更为突出；第三，将空气净化设备与环境病毒监测结合，有望像“废水流行病学”那样，为公共建筑、学校、养老院等场景提供早期聚集性感染预警；第四，研究团队也明确指出，下一步需要把这一方法扩展到呼吸道合胞病毒、麻疹病毒以及细菌等更多目标，并在学校等非医疗环境中开展验证。

对于国内工业环保和烟气治理企业而言，这项研究不仅拓展了静电除尘器在传统粉尘控制之外的“健康防护”边界，同时也为后疫情时代的ESP产品开发提供了新的差异化方向：在保持高效颗粒控制的基础上，通过优化极板结构、集尘模块易洗设计与标准化的实验室检测接口，把静电除尘设备打造成可兼做“病毒监测前端”的智能环境健康装备。这或将成为工业环境治理与公共卫生交叉领域新的技术风向。

参考文献
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