COVID-19大流行的爆发引起了人们对通过生物气溶胶传播风险的高度关注，这成为建筑环境和公共卫生领域跨学科研究的焦点[1]。生物气溶胶在室内环境中悬浮时间较长，可以通过气流在房间、楼层甚至建筑立面之间传播，导致“超级传播事件”[2]，[3]。因此，研究高层建筑中室内生物气溶胶的暴露证据和传播特性对于制定更好的预防和控制措施至关重要。然而，迄今为止，很少有研究将宏基因组鸟枪法测序与实时气溶胶监测相结合来表征生物气溶胶的暴露和传播。
建筑排水系统已被确定为空气传播病原体的主要“培养基”和“垂直传播通道”[3]。当局部水封干燥、管道开裂或地面排水口失去屏障时，冲厕产生的负压脉冲结合烟囱效应，会导致携带病毒的粪便颗粒气溶胶化。这些颗粒随后沿排水管垂直传播，形成从“污水-排水系统-气溶胶-呼吸道”的隐蔽跨层传播链[2]，[3]，[4]，[5]，[6]。流行病学调查和可追溯性研究初步证实了排水系统在气溶胶传播中的作用[4]，[7]，[8]，[9]。对香港一栋住宅楼病例群的分析显示，SARS-CoV-2通过故障排水系统在楼层间传播，居住在感染者上方的邻居更容易被感染[10]。然而，由于病毒传播通常是短期事件，监测和预测较为困难；因此，直接研究住宅建筑排水系统中传染性气溶胶的扩散模式是不可能的。因此，可以使用示踪气体和数值模拟来研究生物气溶胶的扩散[11]，[12]。研究人员向排水管中添加SF6作为示踪气体，监测其浓度和管道压力，得到的垂直迁移结果与实际感染病例分布一致[13]，[14]。当使用固体荧光素琼脂作为模拟粪便样本时，冲厕产生的粪便气溶胶可以传播到呼吸区域并沉积在隔墙和地板上[15]，位于中性压力层（NPL）上方的用户感染风险高于NPL下方的用户[16]。此外，计算流体动力学（CFD）数值模拟表明，即使立管内压力差为2帕斯卡也足以驱动气溶胶的纵向传输[14]，[17]，[18]，[19]，[20]。示踪和模拟实验为气溶胶的长距离传播提供了直接证据，但仍缺乏对排水系统中气溶胶时空分布模式和传播特性的定量描述。
准确测量气溶胶的粒径分布对于预测其传播特性至关重要[21]。对缺陷卫生管道系统的分析显示，超过99.5%的颗粒物直径小于5微米，单次冲厕释放的细颗粒物量相当于一个成年人大声说话6.5分钟的排放量[2]。在一个密封容器中对蹲式马桶进行单次冲厕的测试中，产生了290,000个直径大于0.3微米的颗粒，其中90%为亚微米级（小于1微米）[22]，[23]。然而，目前大多数研究仅报告总颗粒数。关于生物活性颗粒的监测数据极为匮乏，基于实验室的模拟实验难以再现现实世界的条件——包括实际的建筑通风模式、居住者行为和气溶胶扩散动态。因此，缺乏对真实住宅环境中生物气溶胶动态的定量、时间分辨观测。
此外，随着高通量测序技术的广泛应用，使用16S rRNA基因测序或宏基因组学的研究发现Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria是废水和管道生物膜中的主要细菌门类，这些生物膜常常藏匿机会性病原体[24]，[25]，[26]，[27]，[28]。然而，由于空气中的微生物生物量较低以及DNA提取的难度，对其进行的基因组研究相对较少[29]，[30]。迄今为止，还没有研究在同一建筑单元的多个楼层同时收集废水和空气样本，以在基因组层面建立废水和空气相关微生物之间的直接遗传联系。这一空白阻碍了提供由排水系统介导的室内微生物暴露的直接分子证据。
因此，本研究旨在通过三个相互关联的任务来量化高层建筑中生物气溶胶的暴露证据和传播特性，如图1所示。首先，对高通量测序数据进行宏基因组鸟枪法测序分析，以分析污水-空气样本中的生物多样性、群落关联性和病原菌。其次，采用激光诱导荧光的在线监测技术来确定生物气溶胶的粒径和时间分布特性。然后，使用固体荧光素琼脂和气溶胶作为指示剂，测量气溶胶在马桶释放后的纵向传播以及横向扩散和沉积特性，以证明“污水井-气溶胶-室内”的传播路径。本研究的结果将为高层建筑排水系统的生物安全风险提供分子和物理证据，并为制定预防和控制策略提供科学依据。
