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撰文 | 王怡博
审校 | clefable
在读这篇文章之前,我可能需要请你回想一下高中化学课上有关化学平衡的知识。比如,对于二氧化碳/碳酸氢根这一缓冲对,随着二氧化碳增多,化学平衡会往哪个方向移动?
英国布里斯托大学的化学家艾伦·哈德雷尔(Allen Haddrell)这几年的研究工作就是在做类似事情,不过他与同事是在设计的仪器内,探究缓冲体系内二氧化碳含量增加后,病毒的存活会发生怎么样的变化?
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酸碱缓冲
在哈德雷尔的研究生涯中,他一直致力于设计仪器,以便更好地了解在人呼气、咳嗽和打喷嚏后发生的复杂化学反应。因为这些反应决定了人呼出的微粒能漂浮多远,以及在空气中停留多长时间。据Statnews的报告,2013 年,英国国防科学技术实验室(Defense Science and Technology Laboratory)找到哈德雷尔,希望他能制造一台机器,研究细菌在呼出微粒中能存活多长时间。
科学家通常使用雾化器来做这些实验。上个世纪30年代,美国科学家与工程师威廉·威尔斯(William Wells)在实验室里制造了一种能雾化不同液体的雾化室,可用于展示携有细菌或病毒的气溶胶在空气中的散播。但哈德雷尔与同事转向了压电电子学,通过构建电动力场,来捕捉空中微粒的移动和变化,包括尺寸与化学成分的变化。他们将这种装置命名为CELEBS,并在2019年发现它可以很好地用于研究大肠杆菌。
后来,随着新冠大流行开始,哈德雷尔与同事将目光投向了令人担忧的空气传播病毒,尤其是新型冠状病毒。2022年,他们在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表文章,报告了新冠病毒的衰变速度比此前报道的要快:进入空气后,气溶胶上90%的病毒载量会在20分钟内失活。重要的是,他们提出,呼出微粒中病毒衰变的驱动力是气溶胶的pH值,而不是温度和湿度。
在这项研究引发一些争议后,他们利用CELEBS系统梳理了所有可能和呼出微粒中新冠病毒死亡相关的因素,包括温度、湿度和盐含量等。结果与上一项研究保持一致,他们发现,在所有可能的机制中,气溶胶的pH值起着最大的作用。哈德雷尔在2024年4月接受《化学世界》(Chemistry World)的采访时表示,唾液等分泌物中含有大量碳酸氢根,随着碳酸氢根以二氧化碳的形式离开气溶胶,气溶胶的pH值会从中性急剧上升到10以上(呈碱性)。而他们认为,正是这样的高pH或者说碱性环境,引发了病毒的快速死亡。
今年4月,哈德雷尔与同事在《自然·通讯》(Nature Communications)上发表研究,进一步探究了二氧化碳的含量对病毒存活的影响。
喜酸性
1908年,劳伦斯·约瑟夫·亨德森(Lawrence Joseph Henderson)建立了一个方程式,将碳酸(或者说二氧化碳)描述为天然缓冲剂。对于人体,我们的血液会将碳酸氢根(携带溶解的二氧化碳)输送到肺部,当我们呼气时,呼吸微粒中的碳酸氢根会在与外界空气接触后,迅速分解并释放出二氧化碳,导致微粒的pH值上升。但如果是在一个封闭空间里,比如室内,随着二氧化碳增多,化学平衡向右移动的程度便会受阻,从而阻止微粒pH值的升高。这样一来,病毒活性又会发生什么?
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利用CELEBS系统,哈德雷尔与同事改变了环境内二氧化碳的浓度(从400ppm到6500ppm),其中室外二氧化碳的浓度通常在300~400ppm。结果发现,当他们将二氧化碳浓度提高至800ppm(这一水平通常被认为是室内通风良好的情况)时,病毒死亡的速度就得以降低,即增加了病毒的空气稳定性。此外,若二氧化碳水平上升到3000ppm,与有很多人、拥挤的室内空间相当时,就气溶胶中病毒的总载量而言,40分钟后,微粒内的病毒含量会增加9倍(是干净空气中的10倍)。
这些数据表明,二氧化碳浓度的微小增加就能导致病毒的空气稳定性增加,降低病毒的失活速度,且二氧化碳浓度越高,表现越明显。
此前,我们强调通风换气是为了稀释空气中的病毒含量,而哈德雷尔等人把关注点放在了空气环境对病毒衰变的影响上,如果能够了解影响病毒衰变的环境因素,我们或许就能找到方法来使病毒失活。未来,他们也会探究其他病毒对二氧化碳浓度的敏感性。
如果用二氧化碳探测器室内的二氧化碳浓度,你很有可能发现超过1000ppm的水平,在一些拥挤的房间里,这一水平甚至可能达到3000或5000ppm。这样的室内环境已经足以带来许多健康问题,包括咽喉疼痛、感冒等。而哈德雷尔等人表明,传染性病毒也很喜欢这样的环境。尤其是对于呼吸道病毒来说,充满了二氧化碳的环境就像家一样舒适。
参考链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47777-5
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2200109119
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2023.0062
https://www.conferencesthatwork.com/index.php/meeting-industry/2024/06/viral-contagion/
https://www.statnews.com/2024/06/04/co2-ventilation-research-virus-airborne-life-haddrell-celebs/
https://www.chemistryworld.com/news/elevated-carbon-dioxide-lets-sars-cov-2-live-far-longer-in-droplets/4019501.article