科研 | 山东大学：包装剥离过程中可吸入颗粒物和活菌释放到空气中：排放概况和机理（国人佳作）

2021-10-18 09:18

在包装剥离过程中，由于受力的不同，大量的非生物颗粒和活菌会以不同的首选方向释放到空气中。

导读

包装是保存和交付产品所必需的，并且对人类健康和环境有重大影响。在典型的剥离过程中，颗粒物（PM）可能从包装物中释放出来并转移到空气中，但人们对这种颗粒从包装到空气的迁移途径知之甚少。在这里，我们研究了总颗粒物和生物颗粒物的排放概况，以及通过剥离从包装释放到空气中的活菌水平以及垂直扩散能力和群落结构。结果表明，包装物中释放出大量可吸入颗粒物和活菌，它们沿不同的迁移方向向空气中迁移，这种迁移受包装材料、有效剥离面积、剥离速度和角度以及迁移物自身特性等因素的调控。包装携带的活菌扩散提供了直接证据，证明包括病原体在内的活菌可以在剥落引起的气溶胶中存活，并在保持存活的同时在不同距离上转移到空气中。根据实验数据和影片中的视觉证据，我们推测非生物颗粒是包装纤维在外部剥离力作用下断裂并释放到空气中的，微生物的扩散是由于剥离力引起的振动导致的表面微生物悬浮。这项研究提供了新的信息，即气溶胶颗粒可以将包装携带的物质和活菌从包装传递到周围环境中，从而推动了进一步的研究以表征此类气溶胶颗粒和微生物通过包装的地理迁移对健康的影响。

论文ID

原名：Release of inhalable particles and viable microbes to the air during packaging peeling: Emission profiles and mechanisms

译名：包装剥离过程中可吸入颗粒物和活菌释放到空气中：排放概况和机理

期刊：Environmental Pollution

IF：8.071

发表时间：2021.5.11

通讯作者：武艳

通讯作者单位：山东大学环境科学与工程学院

实验方法

实验于2019年和2020年的4月至6月在山东大学青岛校区45 m³的实验室内的石英台表面上的圆柱室中进行。实验采用八角位置识别方法来设计和标记剥离活动与受体之间的相对位置（图1A）。即以目标包装表面（长×宽= 40 cm × 40 cm）为核心，将设备和采集介质以8个相对的感受器-剥离-核心（RR）角（0°，45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°）放置在桌子上，如图1所示。剥离方向从0°到180°，来模仿人类最常用的剥离方式之一。实验采用三种常见的包装材料，纸箱（瓦楞纸板）、塑料（聚乙烯）和泡沫。起始剥离角度为40°，剥离速度为40cm/s，有效剥离面积（EPA）为400 cm²，剥离强度为337 N/m。检测颗粒浓度和荧光生物气溶胶浓度，并计算气溶胶排放速率；通过扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱分别测定颗粒形态与大小和化学成分；通过LIVE/DEAD BacLight细菌活力试剂盒和Illumina平台分别测定细菌活力和微生物群落结构；通过高速摄像机和立体显微镜记录剥离和颗粒生成过程，并通过Photoshop的堆栈跟踪技术绘制粒子轨迹。

图1.（A）用于描述颗粒和微生物的包装-空气迁移的实验装置。（B）实验室区域划分俯视图。

结果与讨论

1 包装剥离过程中的PM监控

图3和S1-S3显示了有无包装剥离时的平均总颗粒浓度。如图所示，包装剥离活动显著增加了可吸入超微米PM浓度（所有p < 0.05），这与预期一致，即颗粒可能从包装表面释放到空气中，因为施加在包装上的外部剥离力比粘结力强。无论本研究中使用哪种包装材料，随着超细可吸入颗粒物尺寸的增大，PM_{PeelingExposure}/PM_Control的比率增加（图3和S1）。纸箱包装剥离导致PM_{PeelingExposure}/PM_Control比率最高，其次是泡沫和塑料包装剥离。纸箱包装剥落引起的超微粒PM浓度超标，PM_1.0-2.5平均超标2.5倍，PM_2.5-5.0平均超标5.0倍，PM_5-10平均超标8.9倍。PM_1.0-2.5（248.8±35.5 颗粒/L）远高于其他两个粒径范围（PM_2.5-5.0为120.5±12.8 N/L及PM_5-10为88.0±5.6 颗粒/L）的净增加量，表明包装释放到空气中的80%的颗粒如果被人类吸入，可能沉积到呼吸性细支气管中，并可能对健康造成不利影响。除尺寸外，颗粒的化学和生物成分也是影响人类健康的重要因素，第3.3节对此进行了讨论。基于图S2所示的实时监测数据，我们发现通过剥离升高的PM峰值水平是短暂的，并且大多数颗粒沿着剥离力的同一方向迁移（即，沿着180°RR角迁移），这也得到了图2和补充影片1-3的支持。这些数据表明，包装或其他物品的安全剥离方向远离人类，在这项工作中标记为0°。

荧光生物气溶胶颗粒（FBAP）也被发现通过剥离从包装转移到空气中（图3和S1）。与总颗粒物的行为不同，在纸板包装剥离过程中，生物PM_2.5-5.0的净增加（1236.4±101.4 颗粒/m³）略高于其他两个粒径范围（PM_1.0-2.5为1096.3±88.9 颗粒/m³及PM_5-10为756.2±50.3 颗粒/m³）的增加值。其他两种包装材料也有类似的结果（图S1）。对于所有测试的包装材料，生物气溶胶的净增加量仅占从包装释放到空气中的净颗粒增加量（0.004-0.01范围内）的一小部分。

包装玻璃对总颗粒物和生物颗粒物的PM_1.0数量浓度没有产生明显的变化，但在10-25μm粒径范围内显著增加了总颗粒物的数量浓度水平（图S3）。在剥离过程中观察到的大颗粒浓度的增加可能归因于雾化断裂的包装纤维，如补充影片1-3中所观察到的。对于小于10 μm的颗粒，在对照和剥离实验中，生物颗粒仅占总颗粒的很小部分（比例范围为0.03-0.05）（图S4）。就数量浓度而言，本研究中测得的生物气溶胶/气溶胶比率与已发表文献中的比率相当。例如，Huffman等人报告，在欧洲中部FBAPs通常约占总粗颗粒的4%（1-20 μm）。此外，在剥离过程中，给定尺寸范围内的生物气溶胶与总颗粒的比率低于对照组（图S4）。这些数据表明，非生物颗粒占通过剥离活动从包装释放到空气中的总颗粒的绝大多数。

图2. 颗粒生成和从包装到空气中迁移的可视化。（A）高速摄影机结合立体显微镜记录气溶胶的产生。（B）通过剥离固定包装表面产生气溶胶并由相机记录。（C）通过剥离未固定的包装表面产生气溶胶并由相机记录。比例尺为1 mm。在（B5）和（C5）中，基于粒子运动，利用Photoshop的堆栈跟踪技术弯曲粒子轨迹。有关详细信息，请参阅补充影片1-3。

图3.可吸入颗粒物的包装-空气迁移。（A）剥离暴露实验前和期间的总颗粒和生物气溶胶数浓度。(B）扫描电子显微镜（SEM）图像和（C）能量色散X射线光谱（EDX）分析通过剥离从纸板包装释放到空气中的空气颗粒。在此，总有效剥离面积为 200 cm²。在（A）中，本图中使用的颗粒浓度是在八个RR角处获得的浓度的算术平均值。在（C）中，Al信号来自Al基。数据点代表9个独立重复实验的平均值，误差线代表这些测量的标准偏差。*p < 0.05时有显著性差异，***p < 0.001时存在显著性差异，分别用SigmaPlot12.5进行配对t检验。

2 总颗粒物和生物颗粒物的排放率

根据方程式（1）和测量的颗粒沉积损失率系数（图S5），计算了按颗粒尺寸分解的平均和角度分辨发射率，如图S6和S7所示。无论包装类型如何，可吸入超细颗粒物的平均ERs随颗粒尺寸而显著变化，较小的颗粒以更高的速率排放。纸板包装在180°的所有尺寸范围内都以最高速率排放颗粒（21546-30178 颗粒/s），其次是泡沫（4184-4957 颗粒/s）和塑料（2492-3249 颗粒/s）。令人惊讶的是，与总颗粒物不同，FBAPs的排放率在三个尺寸范围内变化很小，在PM_2.5-5.0处出现轻微峰值。这一观察到的峰值可能是由于空气中聚集的细菌或真菌孢子从包装中释放到空气中，这与以前的文献报道一致。总的来说，就数量浓度而言，粒径范围为1.0-2.5和2.5-5.0 μm的颗粒在总颗粒物和FBAPs中占主导地位，占总排放率的70%以上。在所有测试的包装类型中都观察到了这种优势。

3 可视颗粒和活菌的包装-空气迁移

SEM图像（图3，S8和S9）和补充影片1-3从视觉上展示了颗粒通过剥离从包装到空气的迁移。SEM照片显示，这些雾化颗粒形状不规则，表面粗糙，粒径范围为1-40μm。EDX鉴定了从纸箱和泡沫包装迁移到空气的空气颗粒物中最丰富的元素为C和O，以及Mg、Si、S和Ca等其他元素。其他元素，如N、Na、S、Cl和K，仅在泡沫包装释放的颗粒中发现。除了构成包装材料基本框架的元素C和O外，其他化学品也常被用作添加剂以提高包装性能。这些数据表明，收集到的颗粒成分与原始包装材料相符，表明释放到空气中的颗粒可能是断裂的包装纤维。补充影片1-3中记录的粒子生成过程为这一推测提供了进一步的证据。

类似地，观察到包装携带的微生物通过剥离从包装表面转移到空气中，如图4所示。在最初的2 h内，在无菌水中收集的雾化细菌的生存能力没有显著变化。然而，在雾化180min后观察到细菌活力的显著变化，并且活菌的数量（图4B中的绿色细菌）显著低于初始数量。图4B所示的生存力结果结果表明，有活力的包装携带的微生物可以在剥离引起的气溶胶中存活，甚至在气溶胶化后180min仍然存活，并且不会像来自包装纤维的非生物颗粒那样经历物理破坏。

为了进一步研究雾化微生物的可培养性，我们使用无菌培养基收集雾化微生物，发现一些有活力的微生物会立即利用所提供的营养进行自我繁殖，如图4D和E所示。根据收集位置和RR角，观察并计数琼脂平板上的不同菌落数。从包装释放到空气中的细菌气溶胶的浓度远远高于真菌气溶胶的浓度（图4E）。考虑到青岛适宜的温度（20-25°C）和高相对湿度（65%-75%），具有足够元素（如C和O）浓度的包装表面可能为活菌的代谢甚至生长提供很好的条件。细菌在复制和繁殖方面比真菌快得多，这一事实可能导致细菌浓度高于培养基收集的真菌浓度。另一个可能的原因可能是气溶胶特性。众所周知，类型、种类和菌株会影响从固体表面到空气的微生物气溶胶性质，这可能导致细菌和真菌在包装表面表现出不同的雾化特性。

将微生物菌落从琼脂上洗掉，然后测序以鉴定从包装转移到空气中的特定可培养细菌和真菌属。如图4F、S10和S11所示，优势细菌属为芽孢杆菌属、类芽孢杆菌属、嗜冷杆菌属、微球菌属、考克氏菌属（Kocuria）和短状杆菌属（Brachybacterium），优势真菌属为青霉属和丝齿菌属（Hyphodontia）。基于图S10中的热图、主坐标分析（PCoA）和单向方差分析结果，我们发现从包装释放到空气中的微生物属似乎不受RR角和取样位置的影响。在物种水平上（图S11），鉴定出了一些病原微生物。例如，真菌Scedosporium boydii通常存在于污染的水和土壤中，可引起广泛的人类感染，尤其是囊性纤维化患者的呼吸道感染。根据文献报道和我们的数据（如图S12所示），我们推测附着在包装上的表面附着的微生物可能来自空气、包装材料纤维或人类。尽管这些细菌是如何通过包装传播的尚不清楚，但活的微生物，特别是病原微生物，可能会随着包装物的长途运输并在包装剥落过程中被人体吸入，从而对人体健康和疾病传播产生更大的影响。

有趣的是，我们还发现，不同的微生物气溶胶表现出不同的包装-空气迁移能力。如图4D和E所示，随着与核心（发生剥落的地方）的距离增加，细菌和真菌的CFU水平在所有八个RR角都下降。细菌和真菌气溶胶在几乎静止的空气中的水平移动距离范围为0-72 cm，细菌的运输能力略好于真菌（图4E）。此外，释放的细菌气溶胶的最大垂直传输距离约为80 cm，真菌气溶胶的最大垂直传输距离约为50 cm（图S13）。迁移距离测量差异的一个可能原因是不同的气溶胶具有不同的粒径。细菌气溶胶可能比真菌气溶胶小，较小颗粒的惯性效应相应小于较大颗粒的惯性效应，因此导致细菌气溶胶比真菌气溶胶在空气中的传输增加。其他因素，如微生物表面密度和气溶胶性质，也可能影响空气中的传输距离。此外，与具有优先轨迹的非生物粒子相比，可培养的微生物以烟花爆炸的形式从包装中分散到空气中。

图4. 活菌的包装-空气迁移。（A）微生物活力试验的实验程序示意图和（B）细菌DNA染色的荧光显微镜图像示例。红点和绿点分别表示死细菌和活细菌。（C）微生物可培养性、群落结构和水平扩散鉴定的八角辐射实验设计。（D）培养基上收集的可培养细菌的代表性照片。（E）从包装中释放到空气中并通过培养基收集的可培养细菌和真菌的CFU数。（F）从包装释放到空气中的可培养细菌的属群落结构。在（C）和（E）中，不同颜色的矩形表示培养基与剥离核心的收集距离。在（F）中，X轴上的N、E和S表示RR角为0°、90°和180°，这些数字表明了与发生剥落活动的核心之间的距离。此处，有效剥离面积为400 cm²。数据点代表排除控制样本后9个独立重复实验的平均值，误差线代表这些测量的标准偏差。

4 包装表面非生物颗粒和微生物的释放机制

为了研究剥离包装中非生物颗粒和微生物的释放机制，我们比较了非固定表面振动和固定表面剥离两种实验条件下颗粒和微生物的净浓度增加，如图5所示。振动场景包括（V1）振动无胶带的未固定目标包装表面和（V2）振动完全被胶带覆盖的未固定目标包装表面（每侧5条胶带）。类似地，固定表面剥离方案包括（P1）从仅被两条胶带覆盖的固定目标包装表面剥离两条胶带和（P2）从被五条胶带完全覆盖的固定目标包装表面剥离两条胶带。虽然振动力和剥离力在这项工作中不具有可比性，但在每种情况下的比较可以揭示不同类型颗粒物的释放机制。基于非固定表面振动试验，我们发现振动未覆盖的包装表面使总颗粒（尤其是大于2.5 μm的颗粒，p < 0.05）的数量浓度和可培养微生物（p < 0.01）明显增加，表明未覆盖的包装表面是可培养微生物和可吸入大颗粒物的重要来源。非常有趣的是，方案P1导致总颗粒和细菌的浓度高于方案P2（尽管有效剥离面积和剥离强度相同），这进一步证明，除了剥离面积，被测表面的未覆盖部分（未受到剥离）可能是总颗粒，尤其是微生物颗粒的不可忽视的来源。这种贡献可能是由于剥离力引起的振动导致颗粒/微生物悬浮的结果。将这些结果与本工作中的其他实验数据相结合，例如，总颗粒物和生物颗粒物的净增加量显著不同（如图3所示；不同的首选动机方向，如图2和4，S2和S6所示；影片1-3），我们推测，非生物颗粒和微生物的释放机制可能有很大的不同（参见图5右图中的释放机制）：非生物颗粒可能主要是包装纤维在包装表面受到外部剥离力的作用而断裂并释放到空气中，而活菌的分散可能是由于剥离力引起的振动使表面微生物悬浮所致。不同的释放机制导致非生物颗粒和微生物颗粒在空气中的迁移方向不同。在包装到空气的迁移方面，我们观察到了由于物理破坏或振动导致的固体颗粒从包装释放到空气中，这与之前的研究发现PFOA因高温而从包装中蒸发到空气中不同。此外，研究发现，颗粒从包装到空气的迁移路径与包装到食品的迁移路径的机制不同，后者主要由化学物质的扩散和对食品的吸附所控制。

图5. 在四种实验情景下，颗粒物和微生物的净浓度增加，包装表面的非生物和生物颗粒物向空气的潜在释放机制。关于四个场景V1、V2、P1和P2的详细信息显示在左图和第3.4节中。在表中，*p < 0.05的显著性差异，**p < 0.01的显著性差异，分别用SigmaPlot12.5进行配对t检验。

5 影响粒子迁移的因素

颗粒的包装-空气迁移包括两个步骤：颗粒从包装表面的释放和颗粒在空气中的运动。如图6、S1和S14-S16所示，通过剥离产生的粒子显示出受到各种因素的影响，例如封装表面特性、有效剥离面积、剥离速度、包装放置时间和角度（BP和RR角）。对于总颗粒，有效剥离面积、包装表面粗糙度、剥离速度和BP角是影响排放曲线的重要因素（p < 0.05），而包装剥离强度和剥离前放置时间不是显著因素（p > 0.05）。此外，根据图6中的线性回归分析，细颗粒PM_1.0-2.5的斜率明显高于其他两个粒径范围的斜率，表明细颗粒最容易受到这些影响因素的影响。对于可培养微生物，剥离速度和BP角不是显著因素（p > 0.05），而有效剥离面积和剥离前包装放置时间对其释放量有显著影响（p < 0.05）。剥离前放置时间越长，细菌CFUs的增加可能是由于空气中微生物的新沉积或包装表面上微生物的繁殖。此外，我们还发现，BP角、剥离速度和目标包装表面状态（固定与否）是影响粒子轨迹的重要因素（图2和S16）。改变BP角或剥离速度都可以显著改变雾化微生物的垂直和水平迁移距离（图S16）。摄像机可以观察到的粒子轨迹类似于向下开口的抛物线：固定表面剥离的标准抛物线和非固定表面剥离的倾斜抛物线（图2和补充影片1-3）。

图6. PM净增加与各因子的线性回归分析。请注意，左右图采用了不同的垂直比例。图中PS表示剥离速度，BPA表示开始剥离角度，EPA表示有效剥离面积，PST表示剥离强度。数据点代表排除对照样本后9个独立重复实验的平均值，误差线代表这些测量的标准偏差。

结论

总的来说，这项工作证明了三个非常新的和重要的结论。首先，当受到剥离时，包装可以释放相当数量的非生物和生物颗粒到空气中。其次，活的包装细菌和真菌能够在剥离引起的气溶胶中存活，并能在适当的条件下繁殖。此外，不同的微生物在保持活力的同时，可以以不同的垂直和水平飞行距离转移到空气中，这将进一步实现病原体在空气中的长距离传播。第三，我们发现非生物颗粒和微生物颗粒的释放机制不同。非生物颗粒可能是包装纤维因施加在包装上的外部剥离力而断裂并释放到空气中，而生物颗粒的分散可能是由于剥离力引起的振动引发表面微生物再悬浮。了解这些机制有助于防止包装中的颗粒，特别是活病原体的包装-空气迁移。

包装-空气迁的移现象变得越来越重要，特别是由于公众对包装的需求不断增加。这项研究首次清楚地表明，由于剥离活动，可吸入气溶胶和活菌通过这种包装-空气迁移路径对空气产生了意想不到的贡献，这对于表征颗粒物的来源和健康影响非常重要，特别适用于包装快递公司和包装材料生产/回收公司的工作环境。这种迁移可能受到多种因素的影响，包括包装材料、有效剥离面积、剥离速度和角度，以及迁移物本身的特征和性质（例如，类型、大小和密度）。考虑到活菌只占空气中微生物总数的一小部分，本研究的结果可能低估了从包装转移到空气中的微生物数量，未来的研究可以调查不同环境条件下包装携带微生物的气溶胶化效率，以及包裹运送过程中微生物的潜在地理迁移。结合以往对包装-食品迁移的识别，未来还需要对包装中化学物质和生物颗粒向产品和环境的迁移进行系统研究，以保护产品和消费者。此外，关于典型剥离活动产生的可吸入气溶胶和生物气溶胶的首次报告，其中通过剥离产生的颗粒/生物气溶胶的吸入暴露被确定为不可忽略的人类暴露途径，表明需要研究各种剥离活动（例如，抛光机对木材的抛光，蔬菜和水果的去皮及人体组织的临床解剖剥离）对空气环境的PM贡献。

主要发现：在包装剥离过程中，由于受力的不同，大量的非生物颗粒和活菌会以不同的首选方向释放到空气中。