Для того, чтобы уменьшить концентрацию активных вирусных частиц в воздушной среде и соответственно снизить риск заражения, сегодня применяются различные способы. Ниже представлены основные способы, применяемые сегодня для снижения риска распространения инфекционных заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем.
Ультрафиолетовое бактерицидное облучение
Одним из основных и часто используемых способов инактивации патогенов в воздухе является ультрафиолетовое бактерицидное облучение. Бактерицидное ультрафиолетовое излучение повреждает ДНК/РНК патогенов, что приводит к замедлению темпов
их размножения и вымиранию. В наиболее распространённых лампах низкого давления используется газовый разряд в парах ртути, спектр излучения которого находится вблизи длины волны 253,7 нм [1]..
Бактерицидный эффект ультрафиолетового излучения в первую очередь зависит от двух параметров: интенсивности излучения и продолжительности воздействия [2-4].
Важным параметром, оказывающим влияние на эффективность ультрафиолетового бактерицидного излучения, является относительная влажность воздуха. Увеличение относительной влажности воздуха понижает эффективность ультрафиолетового бактерицидного излучения как для бактерий [5], так и для вирусов [6].
Бактерицидный эффект ультрафиолетового излучения зависит также
от строения вируса. По данным работы [6], дозы для 90% инактивации
в воздухе вирусов с различным генетическим материалом, а именно одноцепочечная РНК, одноцепочечная ДНК, двухцепочечная
РНК и двухцепочечная ДНК, составили 339–423, 444–494, 662–863
и 910–1196 мкВт·с/см2 соответственно, а для 99 % инактивации всех исследуемых типов вируса потребовалась почти в 2 раза большая
доза облучения.
В случае с вирусом SARS-CoV-2 исследования эффективности инактивации вирионов в воздухе продолжаются [7-11]. В основном, данные исследования приходят к рекомендациям использовать ультрафиолетовое бактерицидное облучение в местах большого скопления людей, особенно в закрытых помещениях.
Однако данный метод обеззараживания воздуха имеет свои недостатки и ограничения. Приборы, использующие прямое и отраженное ультрафиолетовое излучение, не всегда могут быть использованы
в присутствии людей из-за необходимости применения средств индивидуальной защиты (очки со светофильтрами, лицевые маски, перчатки, спецодежда). Воздействие ультрафиолетового излучения
на кожу и глаза может привести к ожогам разной степени..
Кроме того, источники ультрафиолетового излучения сравнительно сложны конструктивно, а их эксплуатация на определенных длинах волн сопровождается выделением озона с возможным превышением допустимых норм его концентрации [12]. Более того, механическое повреждение лампы, в которой используется газовый разряд в парах ртути, может привести к выбросу опасных для здоровья человека ртути или ртутьсодержащих соединений в окружающую среду.
Фильтрация
Основным профилактическим способом предотвращения распространения инфекций является ношение медицинских масок. Ношение обычных хирургических масок снижает уровень выброса аэрозольных частиц наружу в среднем на 90 % и 74 % во время разговора и кашля, соответственно [13].
Однако, размер пор фильтрующего материала обычных медицинских масок, как правило, слишком велик для эффективной задержки вирусных частиц [14]. Клиническое исследование [15] показало снижение содержания кислорода в крови и учащение пульса хирургов после операций из-за использования хирургической маски. Кроме того, увеличение объемов использования средств индивидуальной защиты, включая маски, влечет за собой серьезную проблему их утилизации [16].
Более эффективную защиту от патогенов, переносимых по воздуху, обеспечивают лицевые респираторы стандартов FFP2, FFP3 или N95 [14]. Однако, для того чтобы задерживать мельчайшие вирусные частицы данные респираторы оснащаются толстыми фильтрами с маленькими порами, что приводит к сопротивлению воздушному потоку и существенно затрудняет дыхание [17]. Кроме того, данные респираторы относительно дороги и во время пандемии, население ряда развивающихся стран их себе позволить не может.
Для придания обычным фильтрам противовирусных свойств предлагается нанесение на их поверхность специальных противовирусных соединений. В частности, для инактивации вирусов предлагаются фильтры, содержащие кислоты, например лимонная кислота или полиакриловая кислота [18].
Для адсорбции и инактивации вирусов из воздуха предлагаются также фильтры, содержащие кальцинированные и гидратированные доломиты, кристаллы гидроксиапатита, оксид вольфрама, частицы йодида (палладий (II), серебро (I), медь (I)) или активированный уголь [18].
В работе [19] для защиты от вируса гриппа предлагается респиратор, содержащий оксид меди. В работе [20] для удаления вирусов из воздуха была предложена фильтрация с использованием композитной микропористой мембраны на основе полимера пиридинового типа, а в работе [18] фильтры были химически модифицированы полиэтиленимином.
Вентиляция
Вентиляция – это процесс подачи наружного воздуха в помещение или здание естественным способом или с использованием механических средств. В зданиях с механической вентиляцией вентиляционный воздух обычно обеспечивается системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).
Вентиляция играет важную роль в удалении выдыхаемого воздуха, содержащего вирусы, тем самым снижая их общую концентрацию
в воздухе и, следовательно, понижая количество вдыхаемых вирусов
для человека [21]. Риск повышенного распространения инфекционного заболевания повышается в пространствах с низкой интенсивностью вентиляции.
В частности, такие места общего пользования, как магазины, офисы, школы, детские сады, библиотеки, рестораны, круизные лайнеры, лифты, конференц-залы или общественный транспорт, могут вообще не иметь никаких специальных систем вентиляции и полагаться только на открытые двери и окна.
Разработка и создание промышленных систем управляемой вентиляции, кондиционирования и обеззараживания оборудования и воздушной среды в помещениях является необходимым условием функционирования медицинских учреждений и некоторых промышленных предприятий, но связано со значительными капиталовложениями.
Вентиляция, как способ предотвращения распространения вирусных заболеваний, имеет ряд ограничений, связанных, в том числе, со схемой распределения воздуха, тепловым комфортом людей и др. [1]. Уменьшение концентрации вредных веществ в воздухе на порядок требует увеличения скорости воздухообмена так же на порядок.
Фотокаталитическое окисление
Фотокатализ – это ускорение химической реакции, обусловленное совместным действием катализатора и облучения светом. В процессе фотокаталитического воздействия образуются кислород-содержащие радикалы, обладающие высокой окислительной способностью [22]. В качестве катализатора для окисления органических соединений в воздухе обычно используется TiO2 [23-25].
Кислород содержащие радикалы, создаваемые фотокаталитическими процессами, разрушают оболочку и/или капсид вирусов, что приводит к высвобождению генетического материала, минералов и белков вирусов [22]. Органические соединения, входящие в структуру вирусов, могут быть полностью минерализованы, что приводит к их инактивации.
В работе [26] приводят три механизма инактивации вируса в процессе фотокаталитического воздействия: физическое повреждение вирусов, токсичность ионов металлов фотокатализаторов, и химическое окисление под действием кислород-содержащих радикалов.
Эффективность фотокаталитических систем зависит от времени контакта с катализатором и может понижаться за счет накопления инактивированной массы на катализаторе. Кроме того, активные кислородсодержащие радикалы могут вступать в химические реакции с образованием вторичных химических соединений (альдегидов, кетонов и др.), содержание которых выше определенной нормы понижает качество воздуха [27].
Плазменная инактивация
Данный способ инактивации вирусов основан на образовании активных радикалов в плазменном разряде и их воздействии на компоненты патогенов. В работе [28] утверждается, что инактивация вирусов достигается за счет воздействия на капсидные белки и/или нуклеиновые кислоты вирусов активных форм кислорода и/или азота.
Несмотря на то, что низкотемпературная плазма считается многообещающим инструментом для широкого спектра биомедицинских приложений, понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе биохимических реакций в плазме, все еще представляет серьезную научную проблему [29]. Кроме того, дальнейшего изучения требует оценка влияния данного способа, а именно активных форм кислорода и/или азота, на качество воздуха и здоровье человека.
Эфирные масла
Эфирные масла, а также отдельные соединения, полученные из них, такие как терпены, терпеноиды, а также ароматические соединения, проявляют антимикробную активность в отношении широкого класса патогенов [30-32]. Эфирные масла зарекомендовали себя и в качестве противовирусных средств [33, 34].
Антимикробный эффект эфирных масел связан с их составом
и их цитотоксическим эффектом, вызывающим повреждение клеточной мембраны. Соединения, входящие в состав эфирных масел, липофильны и поэтому проходят через клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану [35].
Они нарушают структуру слоев полисахаридов, жирных кислот и фосфолипидов, делая мембрану проницаемой [36]. Однако, эфирные масла не селективны по отношению к патогенам и могут негативно воздействовать также на эукариотические клетки [37].
Итак, для снижения риска распространения инфекционных заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, сегодня используются ультрафиолетовое бактерицидное облучение, фильтрация, фотокаталитическое окисление, плазменная инактивация, эфирные масла, а также разбавление воздуха с помощью вентиляции. Все эти способы в той или иной степени позволяют снизить вирусную нагрузку воздуха, которым дышит человек.
Однако способы, применяемые сегодня для борьбы с патогенными микроорганизмами в воздухе, имеют определенные недостатки и ограничения (Таблица 5). Из анализа вышеперечисленных способов возникает вопрос: какой простой способ сегодня не используется для инактивации патогенных микроорганизмов в воздухе? Далее предлагаю ответ на данный вопрос.
Для ответа на данный вопрос предлагаю обратиться к другому жизненно необходимому для человека веществу – воде. Самым известным, доступным и широко распространенным способом инактивации вредных патогенов в воде является ее термическая обработка.
Согласно рекомендациям ВОЗ, перед употреблением воду, предназначенную для питья, следует нагреть до состояния кипения, после чего дать ей остыть естественным образом без добавления льда и защитить от повторного загрязнения во время хранения [38].
Ответственные производители бутилированной воды обязательно указывают, что даже такую воду следует доводить до состояния кипения перед употреблением.
Здоровый взрослый человек потребляет в среднем 2-3 л (2-3 кг) воды в сутки. Количество воздуха, которое вдыхает здоровый человек за сутки, составляет в среднем 11000-12000 л (13-15 кг). Т.е. масса воздуха, которую человек потребляет за сутки, значительно превышает массу потребляемой за тот же период воды.
Однако только для воды обычно используется многоступенчатая система очистки, которая, в том числе, включает одну или несколько способов, приведенных в предыдущем параграфе для воздуха,
и которая, как правило, заканчивается термической обработкой.
Тогда как для воздуха порой не используется ни один из перечисленных в предыдущем параграфе способов очистки и защиты от патогенов, а термообработка воздуха даже не рассматривается в качестве одного из возможного пути инактивации в нем вредных микроорганизмов.
Недостатки и ограничения способов, применяемых
сегодня для борьбы с патогенными микроорганизмами
в воздухе.
Литература
1. Bolashikov Z.D., Melikov A.K. Methods for air cleaning and protection of building occupants from airborne pathogens // Build Environ. 2009. vol. 44. № 7. p. 1378-1385.
2. Riley R.L., Knight M., Middlebrook G. Ultraviolet susceptibility of BCG and virulent tubercle bacilli // Am Rev Respir Dis. 1976. vol. 113. № 4. p. 413-418.
3. Chang J.C., Ossoff S.F., Lobe D.C., Dorfman M.H., Dumais C.M., Qualls R.G., Johnson J.D. UV inactivation of pathogenic and indicator microorganisms // Appl Environ Microbiol. 1985. vol. 49. № 6. p. 1361-1365.
4. Ko G., First M.W., Burge H.A. The characterization of upper-room ultraviolet germicidal irradiation in inactivating airborne microorganisms // Environ Health Perspect. 2002. vol. 110. № 1. p. 95-101.
5. Peccia J., Werth H.M., Miller S., Hernandez M. Effects of Relative Humidity on the Ultraviolet Induced Inactivation of Airborne Bacteria // Aerosol Sci Technol. 2001. vol. 35. № 3. p. 728-740.
6. Tseng C.-C., Li C.-S. Inactivation of Virus-Containing Aerosols by Ultraviolet Germicidal Irradiation // Aerosol Sci Technol. 2005. vol. 39. № 12. p. 1136-1142.
7. Nardell E.A., Nathavitharana R.R. Airborne Spread of SARS-CoV-2 and a Potential Role for Air Disinfection // JAMA. 2020. vol. 324. № 2. p. 141-142.
8. García de Abajo F.J., Hernández R.J., Kaminer I., Meyerhans A., Rosell-Llompart J., Sanchez-Elsner T. Back to Normal: An Old Physics Route to Reduce SARS-CoV-2 Transmission in Indoor Spaces // ACS Nano. 2020. vol. 14. № 7. p. 7704-7713.
9. Heßling M., Hönes K., Vatter P., Lingenfelder C. Ultraviolet irradiation doses for coronavirus inactivation — review and analysis of coronavirus photoinactivation studies // GMS Hyg Infect Control. 2020. vol. 15. № p. Doc08-Doc08.
10. Beggs C.B., Avital E.J. Upper-room ultraviolet air disinfection might help to reduce COVID-19 transmission in buildings: a feasibility study // PeerJ. 2020. vol. 8. № p. e10196.
11. Schuit M., Gardner S., Wood S., Bower K., Williams G., Freeburger D., Dabisch P. The Influence of Simulated Sunlight on the Inactivation of Influenza Virus in Aerosols // The Journal of Infectious Diseases. 2020. vol. 221. № 3. p. 372-378.
12. Szeto W., Yam W.C., Huang H., Leung D.Y.C. The efficacy of vacuum-ultraviolet light disinfection of some common environmental pathogens // BMC Infect Dis. 2020. vol. 20. № 1. p. 127-127.
13. Asadi S., Cappa C.D., Barreda S., Wexler A.S., Bouvier N.M., Ristenpart W.D. Efficacy of masks and face coverings in controlling outward aerosol particle emission from expiratory activities // Scientific Reports. 2020. vol. 10. № 1. p. 15665.
14. Derrick J.L., Li P.T.Y., Tang S.P.Y., Gomersall C.D. Protecting staff against airborne viral particles: in vivo efficiency of laser masks // J Hosp Infect. 2006. vol. 64. № 3. p. 278-281.
15. Beder A., Büyükkoçak Ü., Sabuncuoğlu H., Keskil Z.A., Keskil S. Preliminary report on surgical mask induced deoxygenation during major surgery // Neurocirugia. 2008. vol. 19. № 2. p. 121-126.
16. Sangkham S. Face mask and medical waste disposal during the novel COVID-19 pandemic in Asia // Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 2020. vol. 2. № p. 100052-100052.
17. Li Y., Tokura H., Guo Y.P., Wong A.S.W., Wong T., Chung J., Newton E. Effects of wearing N95 and surgical facemasks on heart rate, thermal stress and subjective sensations // Int Arch Occup Environ Health. 2005. vol. 78. № 6. p. 501-509.
18. Tiliket G., Sage D.L., Moules V., Rosa-Calatrava M., Lina B., Valleton J.M., Nguyen Q.T., et al. A new material for airborne virus filtration // Chem Eng J. 2011. vol. 173. № 2. p. 341-351.
19. Borkow G., Zhou S.S., Page T., Gabbay J. A Novel Anti-Influenza Copper Oxide Containing Respiratory Face Mask // PLOS ONE. 2010. vol. 5. № 6. p. e11295.
20. Kawabata N., Ujino I. Removal of virus from air by filtration using a composite microporous membrane made of crosslinked poly(N-benzyl-4-vinylpyridinium chloride) // React Funct Polym. 1998. vol. 37. № 1. p. 213-218.
21. Morawska L., Tang J.W., Bahnfleth W., Bluyssen P.M., Boerstra A., Buonanno G., Cao J., et al. How can airborne transmission of COVID-19 indoors be minimised? // Environ Int. 2020. vol. 142. № p. 105832.
22. Habibi-Yangjeh A., Asadzadeh-Khaneghah S., Feizpoor S., Rouhi A. Review on heterogeneous photocatalytic disinfection of waterborne, airborne, and foodborne viruses: Can we win against pathogenic viruses? // J Colloid Interface Sci. 2020. vol. 580. № p. 503-514.
23. Hand D.W., Perram D.L., Crittenden J.C. Destruction of DBP precursors with catalytic oxidation // Journal AWWA. 1995. vol. 87. № 6. p. 84-96.
24. Matsunaga T., Tomoda R., Nakajima T., Nakamura N., Komine T. Continuous-sterilization system that uses photosemiconductor powders // Appl Environ Microbiol. 1988. vol. 54. № 6. p. 1330-1333.
25. Cho M., Chung H., Choi W., Yoon J. Different Inactivation Behaviors of MS-2 Phage and <em>Escherichia coli</em> in TiO<sub>2</sub> Photocatalytic Disinfection // Appl Environ Microbiol. 2005. vol. 71. № 1. p. 270-275.
26. Zhang C., Li Y., Shuai D., Shen Y., Wang D. Progress and challenges in photocatalytic disinfection of waterborne Viruses: A review to fill current knowledge gaps // Chem Eng J. 2019. vol. 355. № p. 399-415.
27. Sæbjörnsson K.O., Fang L. Laboratory study on incomplete oxidation of a photocatalytic oxidation air purifier // HB 2006 — Healthy Buildings: Creating a Healthy Indoor Environment for People, Proceedings. 2006. vol. 2. № p. 271-276.
28. Filipić A., Gutierrez-Aguirre I., Primc G., Mozetič M., Dobnik D. Cold Plasma, a New Hope in the Field of Virus Inactivation // Trends Biotechnol. 2020. vol. 38. № 11. p. 1278-1291.
29. Lunov O., Zablotskii V., Churpita O., Chánová E., Syková E., Dejneka A., Kubinová Š. Cell death induced by ozone and various non-thermal plasmas: therapeutic perspectives and limitations // Scientific Reports. 2014. vol. 4. № 1. p. 7129.
30. Bassolé I.H., Juliani H.R. Essential oils in combination and their antimicrobial properties // Molecules. 2012. vol. 17. № 4. p. 3989-4006.
31. Friedman M., Henika P.R., Mandrell R.E. Bactericidal activities of plant essential oils and some of their isolated constituents against Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, and Salmonella enterica // J Food Prot. 2002. vol. 65. № 10. p. 1545-1560.
32. Jantan I.b., Karim Moharam B.A., Santhanam J., Jamal J.A. Correlation Between Chemical Composition and Antifungal Activity of the Essential Oils of Eight Cinnamomum. Species // Pharm Biol. 2008. vol. 46. № 6. p. 406-412.
33. Asif M., Saleem M., Saadullah M., Yaseen H.S., Al Zarzour R. COVID-19 and therapy with essential oils having antiviral, anti-inflammatory, and immunomodulatory properties // Inflammopharmacology. 2020. vol. 28. № 5. p. 1153-1161.
34. Silva J.K.R.d., Figueiredo P.L.B., Byler K.G., Setzer W.N. Essential Oils as Antiviral Agents. Potential of Essential Oils to Treat SARS-CoV-2 Infection: An In-Silico Investigation // Int J Mol Sci. 2020. vol. 21. № 10. p. 3426.
35. Brochot A., Guilbot A., Haddioui L., Roques C. Antibacterial, antifungal, and antiviral effects of three essential oil blends // MicrobiologyOpen. 2017. vol. 6. № 4. p. e00459.
36. Bakkali F., Averbeck S., Averbeck D., Idaomar M. Biological effects of essential oils—a review // Food Chem Toxicol. 2008. vol. 46. № 2. p. 446-475.
37. Carson C.F., Hammer K.A., Riley T.V. Melaleuca alternifolia (Tea Tree) oil: a review of antimicrobial and other medicinal properties // Clin Microbiol Rev. 2006. vol. 19. № 1. p. 50-62.
38. https://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/Boiling_water_01_15.pdf
4. Crick F.H., Watson J.D. Structure of small viruses // Nature. 1956. vol. 177. № 4506. p. 473-475.
5. Lin Y., Yan X., Cao W.-C., Wang C., Feng J., Duan J., Xie S. Probing the structure of the SARS coronavirus using scanning electron microscopy // Antiviral therapy. 2004. vol. 9. № p. 287-289.
6. Yao H., Song Y., Chen Y., Wu N., Xu J., Sun C., Zhang J., et al. Molecular Architecture of the SARS-CoV-2 Virus // Cell. 2020. vol. 183. № 3. p. 730-738.e713.
