Люди большую часть своего времени (примерно 90%) проводят в помещении, особенно когда в зимние месяцы наступают пронизывающие холода. Но когда люди собираются в зданиях, они делят не только пространство - они также делят микробов, некоторые из которых вызывают заболевания.
За последние несколько лет то, как патогены (особенно вирусы) перемещаются по внутренним помещениям - от школ и офисов до домов и больниц, - стало важной частью головоломки, позволяющей контролировать распространение инфекционных заболеваний, таких как COVID-19. Понимание особенностей передачи вирусов в зданиях может помочь в проектировании и управлении этими сооружениями для сохранения здоровья их обитателей.
Передача вирусов зависит от факторов окружающей среды (температура, влажность, характер использования помещения), людей, занимающих это помещение, и их деятельности (смыв в туалете, разговоры, прием пищи, уборка пылесосом), а также от характеристик самих вирусов (поверхностный заряд, взаимодействие с другими микробами, наличие вирусной оболочки и многое другое). "Это не просто вопрос, а сложная экология того, как вирусы выживают в окружающей среде", - говорит Чарльз Герба, профессор вирусологии в Центре устойчивых технологий водоснабжения и энергетики Университета Аризоны.
Хотя все эти факторы создают уникальную картину распространения вирусов в каждом конкретном помещении, существует несколько основных путей распространения патогенов. Один из способов распространения патогенов - через контаминированные поверхности (фомиты), например, дверные ручки, столешницы, клавиатуры, выключатели света, питьевые фонтанчики и т. д. Вирусы попадают на поверхности непосредственно (например, если к ним прикасается человек, зараженный вирусом) или оседают на них из воздуха.
Если кто-то прикоснулся к поверхности, содержащей инфекционный вирус, а затем коснулся своего лица (взрослые делают это каждые 3-5 минут в зависимости от ситуации, а дети - примерно 80 раз в час в зависимости от возраста), он может быть инфицирован.
Значимость и продолжительность передачи инфекции через фомиты зависит от вируса (например, от того, есть ли у него оболочка, которая делает его более чувствительным к воздействию внешних факторов, таких как дезинфицирующие средства) и его количества. Например, норовирус, вирус без оболочки, поражающий кишечник, может сохраняться на поверхностях до 2 недель, и фомиты являются неотъемлемой частью его передачи. SARS-CoV-2, оболочечный вирус, может выживать на поверхностях в течение нескольких дней, и передача через фомиты возможна и, вероятно, участвует в распространении вируса. Однако передача SARS-CoV-2 носит мультимодальный характер, при этом решающую роль играют аэрозоли и респираторные капли.
Аэрозоли (крошечные частицы воздуха, на которых могут летать вирусы) представляют собой еще один путь распространения вирусов в зданиях. Источниками аэрозолей, переносящих микробы, являются люди (например, при дыхании), домашние животные и другие. Вдыхание аэрозолей, содержащих такие вирусы, как SARS-CoV-2, грипп и респираторно-синцитиальный вирус (РСВ), может привести к заболеванию.
В то время как респираторные капли (которые крупнее аэрозолей) тяжелее и скорее всего выпадут из воздуха, чем испарятся, аэрозоли могут оставаться в воздухе от нескольких минут до нескольких часов, представляя собой потенциальный риск в течение длительного времени. Этот риск связан с тем, как воздух проходит через помещение (например, насколько сильна вентиляция), и с назначением здания. Например, в школах потенциально может быть больше патогенных микроорганизмов в воздухе из-за большого количества людей, собирающихся в помещении в течение длительных периодов времени с высокой проходимостью. "Мы быстро поняли, что распространение вирусов в помещении зависит от сценария и места, где вы находитесь - будь то гостиничный номер или больничная палата, это может иметь большое значение", - говорит Герба.
Аэрозоли из источников воды, таких как раковины и унитазы, также могут распространять патогены, а водопроводные системы/загрязненная вода - это еще один путь, по которому микробы перемещаются по зданиям. "Когда вы находитесь в ванной комнате и смываете воду в туалете, образуется шлейф аэрозолей", - объясняет Стефани Бун, научный сотрудник лаборатории Герба. "Мы измеряли [шлейф] на высоте до 3 футов от поверхности унитаза и до 2,5 футов за его пределами. Если у вас есть, скажем, [SARS-CoV-2] или грипп, или норовирус, эти вирусы [попадают] в этот шлейф". Эти патогены, связанные со шлейфом, контаминируют поверхности окружающей среды, которые могут представлять потенциальный риск заражения в течение нескольких дней, если их не обеззаразить.
Унитазы после смыва выбрасывают аэрозоли на несколько футов выше и вокруг себя. Источник: Crimaldi, J.P., et al./Scientific Report.
Герба подчеркнул, что все способы передачи инфекции взаимосвязаны. "Это довольно динамичный процесс, и я думаю, что одной из наших задач является [изучение] его динамики и определение его характеристик. Мы должны лучше понимать все эти факторы и то, как они взаимодействуют в окружающей среде".
Учитывая это, существует еще один, часто упускаемый из виду, способ передачи, который объединяет поверхностное загрязнение и аэрозольную передачу: ресуспензия вирусов. Ресуспензия происходит, когда переносимые воздухом частицы попадают на поверхность, а затем снова поднимаются в воздух при таких действиях, как ходьба или открывание двери. Может ли такое перемещение вируса из воздуха на поверхность и обратно привести к инфекции?
Бун изучает этот вопрос. Она использует бактериофаги в качестве аналога того, как вирусы, заражающие человека, перемещаются по помещению. В ходе недавних экспериментов Бун и ее коллеги наносили бактериофаги на ковер, деревянный пол, шторы и другие поверхности. Они определяли количество фагов, осевших на агаровые чашки, расставленные по всему помещению, через 1 час после завершения какого-либо действия, нарушающего порядок (например, уборки пылесосом).
Ученые обнаружили, что такие действия, как уборка пылесосом, ходьба и открывание штор, приводили к перемещению вирусов далеко от первоначального места контаминации. Например, когда человек 5 раз прошел по ковру в непроветриваемом помещении, фаги обнаруживались на расстоянии более 7 футов от места ходьбы и почти 6 футов над поверхностью пола (на деревянных полах взвесь была менее значительной). "Мы были ошеломлены", - рассказывает Бун, отмечая, что если бы фаг был жизнеспособным респираторным вирусом, то он был бы подвешен в зоне дыхания детей и взрослых, находящихся в помещении, особенно в присутствии пыли.
Фактически, во всех случаях пыль играла ключевую роль в том, насколько далеко и высоко распространялся вирус. Этот феномен был продемонстрирован и для вирусов, заражающих людей: "аэрозольные фомиты" (т.е. пыль окружающей среды) способствовали распространению гриппа А в модели морской свинки. Бун подчеркнула, что твердые частицы также увеличивают экспрессию ACE2 (рецептора SARS-CoV-2) в легочных тканях мышей, что может способствовать восприимчивости к инфекции. Однако необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, влияет ли пыль на динамику инфекции и каким образом.
Представляет ли ресуспензия вируса в целом риск заражения для человека, также пока неясно. В одном из исследований было высказано предположение, что взвесь частиц на поверхностях является важным источником РНК вируса SARS-CoV-2 в воздухе больничных палат, хотя ученые не исследовали инфекционный вирус. В другом исследовании было обнаружено, что смоделированная в лаборатории взвесь вируса гриппа А действительно попадает в воздух, но ее концентрация на 2 порядка ниже, чем при моделировании прямого респираторного выброса.
"Мы продемонстрировали, что можем повторно аэрозолировать вирус с поверхностей до диапазона вдыхания - [но] действительно ли существует риск? Достаточно ли вируса попадает в воздух, чтобы вызвать риск? Снизит ли очистка и дезинфекция фомитов риск повторного выделения аэрозоля?" задается вопросом Герба. "На эти вопросы мы еще не ответили".
Знания о перемещении вирусов по зданию являются ключевым фактором при проектировании и управлении внутренними помещениями для минимизации передачи патогенов. Такие решения могут начинаться с нуля, в том числе с проектирования зданий, чтобы минимизировать тесное взаимодействие между жильцами и контролировать потоки людей и трафик. Бун отмечает, что меры могут быть такими же простыми, как выбор твердых полов вместо ковровых покрытий в домах, чтобы снизить вероятность взвешивания и накопления пыли.
Дезинфекция поверхностей также может свести к минимуму их загрязнение и снизить риск повторного попадания вируса в организм. Бун советует обращать внимание на такие места "повышенного прикосновения", как ручки холодильника, дверные ручки и выключатели света, которые часто упускаются из виду во время обычной уборки. Она также рекомендует избегать загрязненных микробами приспособлений для уборки, таких как губки, и вместо них использовать бумажные полотенца или предметы, которые можно регулярно стирать. Ученые также разрабатывают самодезинфицирующиеся материалы и/или материалы с вирусоцидными покрытиями, которые могут минимизировать риск заражения, избегая при этом потенциально негативного воздействия химических чистящих средств на окружающую среду и здоровье людей.
Однако даже самые загрязненные поверхности не представляют особой опасности, если с ними никто не взаимодействует. Герба подчеркнул необходимость проведения исследований по оценке рисков, чтобы определить, какие и где существуют риски заражения, и есть ли способы оптимизировать энергию и ресурсы для целенаправленной дезинфекции. В начале пандемии COVID-19 "много усилий было направлено на дезинфекцию в отношении SARS-CoV-2", - сказал он. "Не переусердствовали ли мы с этим? Могли бы мы лучше распределить ресурсы? Вот почему так важно понять, как распространяется вирус в закрытых помещениях".
Когда речь идет о передаче аэрозолей, идеальным вариантом является архитектура, поддерживающая адекватную вентиляцию и исключающая возможность застоя воздуха (например, закрытые коридоры). Кроме того, системы вентиляции помещений имеют решающее значение для борьбы с распространением вирусов, передающихся воздушно-капельным путем. Выбор систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, которые соответствуют планируемому использованию помещения (например, медицинское учреждение по сравнению со школой или домом) и обеспечивают эффективность оборудования и энергозатрат, а также эффективно удаляют загрязняющие вещества из воздуха, является неотъемлемой частью создания и эксплуатации зданий с учетом микробов. Новые технологии улавливания аэрозолей или технологии, позволяющие обнаруживать и быстро оповещать обитателей помещений о присутствии вирусов в воздухе, могут стать дополнительным источником информации о мерах по предотвращению передачи вирусов в помещениях.
