屋内バイオエアロゾル

屋内バイオエアロゾルは、屋内環境におけるバイオエアロゾルです。バイオエアロゾルは、空気中に浮遊する生物（微生物、植物、動物）由来の天然または人工の粒子です。これらの粒子は有機粉塵とも呼ばれます。バイオエアロゾルは、細菌、真菌（および真菌の胞子と細胞片）、ウイルス、微生物毒素、花粉、植物繊維などで構成されます。[1]バイオエアロゾル粒子のサイズは、空気力学的直径で1 μm未満から100 μmまで変化します。[2]生存可能なバイオエアロゾル粒子は、サイズが1～10 μmほどの微生物の単一細胞または凝集体として空気中に浮遊する可能性があります。 [3]バイオエアロゾルはさまざまな人間の健康への影響に潜在的に関連しており[4] [5] [6] [7]、屋内環境は独特の曝露状況を提供するため[7]、屋内バイオエアロゾルに関する懸念は過去10年間で増加しています。

情報源と影響要因

屋内環境のソース

屋内バイオエアロゾルは、屋外の空気と屋内のリザーバーから発生する可能性があります。[3] [4]屋外のバイオエアロゾルは、複雑な換気システムを備えた大規模な建物に簡単には移動できませんが、特定のカテゴリの屋外バイオエアロゾル（つまり、真菌の胞子）は、特定の期間（つまり、真菌の成長期）に自然換気された建物内で屋内バイオエアロゾルの主な発生源となります。[3] 住宅におけるバイオエアロゾルの主な発生源には、人間の居住者、ペット、ハウスダスト、有機廃棄物、および暖房、換気、空調（HVAC）システムが含まれます。[3] [4] [6] [8] [9]いくつかの研究では、人間の活動が屋内バイオエアロゾルの重要な発生源であると特定されています。[3] [8] [10] [11]人体は、話す、くしゃみ、咳などの活動を通じてバイオエアロゾルを直接生成する可能性がありますが、[10]その他の家庭内活動（洗濯、トイレの水洗、床掃除など）は間接的にバイオエアロゾルを生成します。[8] [10]微生物は塵の粒子上に蓄積して増殖するため、ハウスダストはバイオエアロゾルの潜在的な発生源です。[4] Woutersらによる研究[6]では、1997 年夏にオランダの 99 世帯を対象に、有機家庭廃棄物の屋内保管が微生物汚染に及ぼす影響を調査し、「家庭内の微生物汚染レベルの上昇は、分別された有機廃棄物の屋内保管と関連している」ことが示され、「感受性の高い人におけるバイオエアロゾル関連の呼吸器症状のリスク」が上昇する可能性があります。しかし、Woutersらによる分析では、[6]は、回収された沈降ハウスダストのサンプルに基づいており、空気中に浮遊するバイオエアロゾルの強力な指標とはならない可能性があります。住宅内の他の材料、例えば食品、観葉植物、繊維、木材、家具の詰め物なども、水分含有量が微生物の生育に適している場合、バイオエアロゾルの発生源となり得ます。[4] [10] 住宅以外の建物では、病院、下水処理場、堆肥化施設、特定のバイオテクノロジー研究所など、特定の屋内環境において、それぞれの環境特性に関連したバイオエアロゾルの発生源が存在することが明らかになっています。[2] [3] [11] [12] [13]

屋内バイオエアロゾル生成に影響を与える要因

これまでの研究[4] [9] [14] [15] [16]によると、バイオエアロゾル濃度に影響を与える主な室内環境要因には、相対湿度、換気システムの特徴、季節変動、温度、空気の化学組成などがあります。住宅の種類、建築材料、地理的要因などの他の要因は、呼吸可能な真菌や細菌（バイオエアロゾルの重要な構成物質）に大きな影響を与えないようです。[3]相対湿度は、室内バイオエアロゾルに影響を与える要因として最も広く研究されています。バイオエアロゾルの2つのカテゴリー、エンドトキシンと空中真菌の濃度は、どちらも室内の相対湿度と正の相関関係にあります（濃度が高いほど相対湿度も高くなります）。[4] [9] [15] [16]相対湿度は空中ウイルスの感染性にも影響を及ぼします。[14]換気システムの特徴付けに関しては、セントラル空調の使用が増えると、真菌バイオエアロゾル濃度が低下することがわかっています。[15]

人体への健康影響

屋内バイオエアロゾルへの曝露に関連する健康への悪影響/疾患は、バイオエアロゾルとの関連が確認されているものと、バイオエアロゾルとの関連が疑われるが確認されていないものの2つのカテゴリーに分けられます。バイオエアロゾルは、結核、レジオネラ症、さまざまな形態の細菌性肺炎、コクシジオイデス症、インフルエンザ、麻疹、胃腸疾患など、特定のヒト疾患を引き起こすことが明らかになっています。[7] [17]バイオエアロゾルは、アレルギーや喘息など、いくつかの非感染性気道疾患にも関連しています。[5]屋内バイオエアロゾルの既知の成分として、β(1→3)-グルカン（ほとんどの菌類の細胞壁成分）は、カビによって引き起こされる非アレルギー性炎症反応の原因物質であると提案されています。[6]先進国におけるアレルギー性喘息の25%～30%は真菌によって引き起こされると報告されており、 [17]近年、空気中の微生物への人間の曝露に関する懸念の焦点となっている。[18]

他のいくつかのヒト疾患および症状は、屋内バイオエアロゾルと関連があると提案されているが、証拠が不十分なため決定的な結論を導くことができていない。一例として、よく知られているシックハウス症候群（SBS）がある。SBSは、上気道の刺激症状、頭痛、疲労、発疹など、特定の原因に関連付けることはできないが建物に関連した非特異的な訴えを指す。 [4] [19]過去20年間で、屋内バイオエアロゾルとシックハウス症候群との関連を示す研究が多数ある。[20] [21] [22] [23]しかし、関連研究のほとんどは、特定の種類のバイオエアロゾルの濃度と訴えの発生率との統計的相関関係に基づいて結論を導いており、これには方法論的にさまざまな欠点がある。たとえば、いくつかの研究ではサンプルサイズが小さく、[21]統計的結果に基づく推測の妥当性が決定的に損なわれている。また、多くの研究では、バイオエアロゾル以外の要因の影響を分析において排除することができず、統計的相関は理論的にはSBSとバイオエアロゾルの関連性を支持するには不適切である。追加研究により、バイオエアロゾルがSBSの原因となる可能性は低いことが明らかになった。[7] [24] [25]最近の疫学および毒物学的研究では、バイオエアロゾルへの曝露とシックハウス症候群との関連性の可能性が示唆されているが、これらの研究には方法論的な限界が残っている。[4] [26]

バイオエアロゾルがヒトの疾患を引き起こす能力は、その化学組成や生物学的特性だけでなく、吸入されたバイオエアロゾルの量やその粒度分布にも依存し、これらがヒトの呼吸器系へのバイオエアロゾル沈着部位を決定する。[3]空気力学的直径が10μmを超えるバイオエアロゾルは一般に呼吸器系の鼻部で遮断され、 5～10μmのバイオエアロゾルは主に上気道に沈着してアレルギー性鼻炎などの症状を引き起こし、空気力学的直径が5μm未満の粒子は肺胞に到達してアレルギー性肺胞炎などの重篤な疾患を引き起こす可能性がある。[3]

屋内バイオエアロゾルによる健康への悪影響が確認されていることから、様々な機関や団体がバイオエアロゾル粒子の総数に対する濃度制限を以下のように推奨している：1000 CFU/m 3（国立労働安全衛生研究所（NIOSH））、1000 CFU/m 3（米国産業衛生専門家会議（ACGIH））、培養可能な総細菌数が500 CFU/m 3を超えないこと。[10]ほとんどの種類の屋内バイオエアロゾルについて、特定の濃度制限または許容レベルを確立することは、複数の課題（例：サンプリングおよび分析方法の違い、人間の曝露測定との無関係性、組成の多様性と変動性など）を伴うことに留意する。[18]

サンプリングと検出方法

バイオエアロゾルサンプリング技術

その後の識別および定量を可能にするために、バイオエアロゾルはまず空気から捕捉される必要がある。屋内バイオエアロゾルを捕捉するという目的を実現するために、さまざまな空気サンプリング技術が使用されてきた。バイオエアロゾルサンプリングの重要な特性には、サンプリングの代表性、サンプラーの性能、およびその後の分析との互換性が含まれる。[27]長期サンプラーは理論的には短期サンプラーよりもサンプリングの代表性が優れているが、一時的な分解能が良好でない可能性がある。サンプラーの性能（すなわち、検出限界および範囲の上限）は、結果の信頼性に大きな影響を与える。[27]サンプラーの異なる特性はまた、さらなる分析（識別および定量）の可能性を制限する可能性がある。主要なバイオエアロゾルサンプラーの種類とそれらの可能なその後の分析を表1にまとめた。以前の研究で頻繁に使用されたサンプラーはアンダーセンインパクターである。[3] [11] [28]

表1 バイオエアロゾルサンプラーの主な種類（[27]より抜粋）
サンプラー デバイスの例 後続の分析の可能性
衝撃装置とふるいサンプラー アンデルセンインパクター。 SAS;バーカードサンプラー 栽培; 顕微鏡分析
インピンジャー AGI-30; Shipeサンプラー; ミゼット、多段式およびマイクロインピンジャー 培養; 顕微鏡分析; 生化学分析; 免疫測定
遠心サンプラー RCS; エアロジェットサイクロン 培養; 顕微鏡分析; 生化学分析; 免疫測定
フィルターカセット ガラス繊維、テフロンフィルター、ポリカーボネート 培養; 顕微鏡分析; 生化学分析; 免疫測定

一般的に使用されているバイオエアロゾルサンプラーには、一定の限界があります。ほとんどのサンプラーでは、塵などの非生物学的環境粒子をバイオエアロゾルから検出前に分離する必要があります。[29]空気中のバイオエアロゾルの希釈特性もサンプラーにとって課題となります。微生物の総濃度は10 6 /cm 3以上であるのに対し、バイオエアロゾルの濃度は一般的に1/cm 3未満であり、感染性エアロゾルの場合は1/m 3未満になることがよくあります。 [5]さらに、市販のバイオエアロゾルサンプラーの多くは、異なる空気力学的直径を持つ粒子の収集効率が調査されていないため、サイズ分解されたバイオエアロゾル情報を得ることが不可能です。[5]

識別および定量化方法

住宅環境における屋内バイオエアロゾルに関するこれまでの研究では、微生物は従来の培養法、すなわち選択培地上のコロニー形成単位（CFU）を数える手法によって定量化されてきた。[30]培養法にはいくつかの欠点がある。培養法は、実験室で培養できる微生物のごく一部しか存在しないという事実に基づき、環境中の微生物多様性を過小評価することが知られている。空気中の微生物のコロニー数は、通常、直接計測による数と大きく異なるため、この過小評価はバイオエアロゾルの定量において顕著となる可能性が高い。[31]また、培養法は比較的長い培養時間（24時間以上）を必要とし、労働集約的である。[29]その結果、培養法はもはやバイオエアロゾルの効果的かつ迅速な同定・定量には適しておらず、[29]免疫測定法、分子生物学的検査、光学的・電気的手法など、培養法に基づかない方法が、過去数十年間にわたって開発されてきた。[29]

これまでのバイオエアロゾル研究で採用されてきた主な培養非依存的な同定/定量法には、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)、[17]定量的ポリメラーゼ連鎖反応(qPCR) 、 [32 ]マイクロアレイ(PhyloChip)、[33]蛍光in situハイブリダイゼーション(FISH)、[34]フローサイトメトリー[34]および固相サイトメトリー[18]イムノアッセイ(すなわち、酵素結合免疫吸着法(ELISA)) [28]などがある。よく知られているPCRは、バイオエアロゾルの生物学的起源を同定し、定量化するための強力なツールである。PCRだけではバイオエアロゾル検出に関連するすべてのタスクを達成できるわけではなく、通常はDNA配列決定、マイクロアレイ、コミュニティフィンガープリンティング技術などの後続のプロセスの準備ツールとして機能する。PCRベースのバイオエアロゾル分析の一般的な手順を図1に示す。

PCR ベースのバイオエアロゾル分析への道。
図1 PCRベースのバイオエアロゾル分析への経路（[17]より改変）。記載されている数字は、分析を成功させるために必要なバイオエアロゾルの量を示しています。

バイオエアロゾルに対する分子生物学的手法は、従来の培養に基づく方法に比べて大幅に高速かつ高感度であり、より多様な微生物を明らかにすることもできる。16S rRNA遺伝子の変異を標的として、マイクロアレイ（PhyloChip）を使用して、バイオエアロゾル中の細菌と古細菌の両方を包括的に同定した。[33]米国EPAは、qPCRを使用して真菌胞子の屋内環境を特徴付ける新しい方法を開発した。[5] Langeらによる研究では、[34] FISH法を使用して、豚舎の複雑な天然バイオエアロゾルサンプル中の真正細菌を正常に特定した。ただし、分子生物学的ツールには限界がある。PCR法はDNAを標的とするため、細胞の生存を確認できない場合があった。[18] qPCR技術をバイオエアロゾル検出に使用する場合、最終結果を較正するための標準曲線を作成する必要がある。ある研究では、「qPCRによる定量化に使用する曲線は、対象となる環境サンプルの取り扱いと同じ環境マトリックスと手順を用いて作成する必要がある」こと、また「培養細菌懸濁液（従来の手法）を用いて作成した標準曲線に依存すると、環境サンプル中の微生物量が大幅に過小評価される可能性がある」ことが示唆されている。[32]マイクロアレイ技術は、複雑な環境バイオエアロゾルにおける自然配列の多様性と潜在的なクロスハイブリダイゼーションという課題にも直面している。[33]

異なる地理的地域における集中度

出版された文献に記録されている世界各地の屋内バイオエアロゾルの濃度レベルは、表 2 にまとめられています。

表2 世界各地における室内バイオエアロゾル濃度
地理的地域 研究期間 サンプリング/調査規模 平均濃度レベル（CFU/m 3） 存在する主要な微生物 参考文献
アメリカ中西部 1991年4月～9月 27（苦情のない家庭） 生菌数：970、培養可能な菌類：1200。 該当なし [15]
台湾、台北地域 1996年7月 保育所40施設（DC）、オフィスビル69棟（OB）、住宅22棟（H） 細菌：7651(DC)、1502(OB)、2907(H)；真菌：854(DC)、195(OB)、695(H)。 該当なし [35]
アメリカ合衆国の25州 1994-1998 100棟の大規模オフィスビル 総細菌数（平均）：101.9、総細菌数（90パーセンタイル）：175。 中温細菌 [36]
ポーランド、上シレジア地方 1996-1998 70戸の住宅 家庭内の細菌エアロゾル：1000、オフィス内の細菌エアロゾル：100。 ミクロコッカス属;表皮ブドウ球菌 [3]
アメリカのボストン市 1997年5月～1998年5月 21のオフィス 菌類：42.05（標準偏差=69.60） 該当なし [4]
香港、中国 約1週間 2つのオフィス 最高細菌濃度: 2912; 最高真菌濃度: 3852。 クラドスポリウム;ペニシリウム [16]
韓国の大邱市 2003年6月～2004年8月 バー41軒、インターネットカフェ41軒、教室44軒、住宅20軒 総細菌数および総真菌数: 10～1000。 該当なし [37]

屋内バイオエアロゾルの制御へのアプローチ

室内バイオエアロゾルの発生源と影響要因に基づき、関連する汚染を制御するための適切な対策を講じることができます。潜在的に効果的な戦略としては、1) 屋外エアロゾルの流入を制限すること、2) 相対湿度を高レベル（<60%）未満に保つこと、[7] 3) 適切な濾過装置を換気システムに設置し、濾過された屋外空気を室内環境に取り込むこと、4) 汚染源（屋内有機廃棄物など）を削減・除去することなどが挙げられます。米国と同様に、1980年代半ばの結核増加により、過去20年間で室内空気処理は大幅に進歩しました。[5]現在または開発中の室内空気浄化技術には、濾過、エアロゾル紫外線照射、電気集塵、単極イオン放出、光触媒酸化などがあります。[5]

参照

参考文献

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