Предметы, которые нас окружают в быту, кажутся вполне безобидными. Конечно, и карандаш может быть опасен, а про беготню с ножницами нас предупреждали еще с детства. Но в обычных обстоятельствах и в рамках правильного использования опасности быть не должно. И так бы и было, если бы не микромир, многие представители которого с удовольствием поселяться у вас в организме, что может вызвать ряд негативных последствий. Для борьбы с микробами было изобретено множество средств, которыми мы исправно пользуемся, но которые не всегда гарантируют стопроцентный результат. Одним из загрязненных мест считается туалет, особенно в общественных местах. Его можно отмыть до блеска, обработать хлоркой и дезинфицировать спиртом, но чистота его будет нарушена после первого же использования. И тут возникает вопрос, насколько все же опасны с точки инфектологии общественные туалеты? Ученые из Колорадского университета в Боулдере (США) проанализировали динамику аэрозольных частиц, распространяющихся по воздуху в момент смыва. Как именно ученые проводили наблюдение, что оно показало, и как полученные данные можно применить на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Для современного человека туалет, а именно механизм его работы, кажется вполне обыденной вещью, на которую внимания особо никто не обращает (пока он работает исправно). Но с точки зрения физики во время смыва воды наблюдаются весьма любопытные процессы, объяснение которых может быть полезным для понимания степени опасности этого устройства в рамках распространения различных патогенов.

Смыв в туалете создает энергичный турбулентный поток, который выбрасывает капли и аэрозоли в воздух, достигая высоты более 1.5 м. Самые крупные капли оседают в течение нескольких секунд, а более мелкие аэрозоли (< 5 мкм) остаются во взвешенном состоянии. Присутствие патогенов на боковых стенках унитаза или в воде способствует загрязнению аэрозолей, а загрязнение воды в бачке может сохраняться после десятков смывов. Концентрации биоаэрозоля, выбрасываемого из туалета со смывом, варьируются в зависимости от типа туалета, эффективности вентиляции, радиального положения вокруг чаши, уровня давления подачи воды и наличия фекальных отходов. В то время как рост аэрозольного потока уменьшается, но не устраняется наличием закрытой крышки, туалеты в общественных, коммерческих или медицинских учреждениях обычно не имеют крышек. Ранее уже проводились исследования, изучавшие места попадания аэрозольных капель, но вот кинематику и физику того, как они попадают на те или иные поверхности, пока никто не изучал.

В то время как многие эпидемиологические ассоциации с фекально-оральными санитарными контекстами хорошо известны, их аэрозольные аналоги отсутствуют. Респираторные воздействия переносимых по воздуху микробов в санитарных условиях были в центре внимания общественного здравоохранения, поскольку с урбанизацией увеличилось количество закрытых общественных туалетов. Несмотря на то, что количественные оценки риска в этом гигиеническом контексте были разработаны, для их практического применения требуются характеристики источника выбросов, а также идентификация с временным разрешением, распределение, численность и специфическая стойкость потенциальных патогенов, находящихся в аэрозольном виде. Санитарное аэрозольное воздействие сильно зависит от поведения человека, что усложняет задачу оценки респираторных рисков в закрытых туалетах.

Риски, связанные с передачей респираторных и кишечных вирусов при использовании общественных туалетов из-за загрязненных аэрозолей из потока, взвешенных аэрозолей от предыдущих пользователей или передачи через поверхности, к которым часто прикасаются, должны быть снижены, где это возможно. Было показано, что SARS-CoV-2 и другие вирусы выживают на поверхностях в течение нескольких дней, а кишечные бактерии (потенциально патогенные и другие), такие как C. Difficile, распыляются при смыве и впоследствии оседают на поверхностях, создавая тем самым фомиты*.

Фомиты* — любые предметы, зараженные патогенными микроорганизмами или другими паразитами, при соприкосновении с которыми возникает риск заражения.

Текущие знания о потоках аэрозолей в туалетах основаны в основном на дискретных измерениях концентраций переносимых по воздуху и осевших частиц. Но полномасштабные измерения пространственно-временной динамики потока с временным разрешением, включая поля скорости воздушного потока, отсутствуют. Следовательно, рассматриваемое нами сегодня исследование должно заполнить этот пробел в знаниях.

Результаты исследования

Изображение №1

Чтобы визуализировать и количественно оценить кинематику аэрозольного потока над туалетом с ручным смывом, типичным для тех, которые используются в Северной Америке (1А), ученые использовали непрерывные и импульсные лазеры для создания тонкого светового листа (1В), который освещает вертикальную плоскость. При смыве унитаза образующийся аэрозольный поток рассеивает свет, который фиксируется камерами сбоку (1С).

Последовательность смыва туалета начинается с дистанционного нажатия кнопки, которая активирует электромагнитный клапан, позволяя подаваемой воде поступать в клапан смыва (в общественных туалетах эта активация часто выполняется оптическим датчиком движения). Вода, поступающая в чашу, создает энергичный турбулентный поток. Уровни звукового давления, измеренные шумомером возле чаши, использовались в качестве показателя силы и продолжительности цикла смыва (1D). Действие смыва длится примерно 5.5 секунд после нажатия кнопки (t = 0), при этом большая часть энергии смыва приходится на 0.5 < t < 5 с. Большая часть звука, записанного для t > 6 с, связана с повторным наполнением чаши после смыва.


Изображение №2

Чтобы продемонстрировать структуру светящегося аэрозольного потока, ученые использовали лазер непрерывного действия и коммерческую цифровую камеру, чтобы сделать серию цветных снимков потока. Для этих фотографий была использована длинная выдержка (1/50 с), чтобы вызвать размытие движения частиц в локализованных областях высокоскоростных струйных структур потока, транспортирующих поток вверх из чаши. Неустойчивая и динамичная природа потока отчетливо видны на видео №1.

Видео №1

Чтобы собрать количественные данные о местоположении и движении аэрозольных частиц, был использован импульсный лазер и пара sCMOS-камер для изображения света, рассеянного частицами. В этом случае время экспонирования изображения (эффективная скорость затвора) определяется длительностью лазерного импульса (5 нс), в результате чего получаются четкие изображения с размытостью движения < 0.02 пикселя. Предыдущие исследования показали, что количество аэрозольных частиц коррелирует с уровнями патогенов в потоке. Поэтому ожидалось, что интенсивность рассеянного света на данных изображениях также будет коррелировать с уровнями потенциальных патогенов. Для повышения пространственного разрешения (250 мкм) каждая камера фиксировала отдельные, но слегка перекрывающиеся области потока. Два снимка сшивались вместе, чтобы сформировать один снимок шириной 0.57 м и высотой 1.23 м (1.59 м от пола).

Чтобы отобразить пространственную эволюцию аэрозольного потока, вызванного смывом (изображение №3), был использован метод определения порога интенсивности для расчета площади потока (или «облака») в разное время на каждом этапе одного смыва, где указанные моменты времени соответствуют циклу на 1D.


Изображение №3

Вычисленное облако (показана черным цветом) соответствует границам продвигающегося фронта аэрозолей. Поток выбрасывался вверх и назад к стене за туалетом, при этом наибольшая концентрация частиц возникала в струеобразных структурах во внутренней области площади. К моменту времени t = 4.5 с поток частиц ударялся о стенку, которая предотвращала его дальнейшее движение назад и усиливала движение вверх.

Движение потока хаотичное и турбулентное, о чем свидетельствует сложная и фрактальная природа облака с частыми «вкраплениями» свободного от аэрозолей воздуха, проникающего внутрь потока. Облако поднималось на высоту 1.3 метра за 7.5 секунд. Повторные опыты показали изменения структуры облака, так как хаотическая физика чувствительна к небольшим различиям в начальных условиях. Но характеристики крупномасштабного потока оставались неизменны.

Для временных отметок, идущих после 8 секунд, распространение потока и разбавление его окружающим воздухом ограничивало практическую возможность напрямую мониторить дальнейший рост потока. Чтобы показать, что поток растет и сохраняется в течение времени > 8 с, ученые использовали более чувствительный прибор для подсчета частиц в воздухе.

Для количественной оценки величины, направления и структуры воздушного потока, вызванного смывом, который переносит аэрозольный поток, была использована велоциметрия изображений частиц (PIV от particle image velocimetry) для расчета полей мгновенных скоростей внутри оболочек потока (изображение №4).


Изображение №4

Как отмечают ученые, поток был удивительно энергичным и хаотичным, а также демонстрировал сильное струйное поведение со скоростью 1 м/с или выше (красные области на изображении выше), которое непредсказуемо колеблется в течение первых 6 секунд. Мгновенные скорости значительно превышали скорости окружающего потока в лаборатории (10-15 см/с) и иногда достигали более 2 м/с. Следовательно, большие, неравномерные и нестационарные скорости эффективно транспортировали и рассеивали аэрозоли, выбрасываемые из чаши унитаза во время смыва.


Изображение №5

Затем ученые использовали оптический счетчик частиц для измерения размера и количества аэрозольных частиц, выбрасываемых во время смыва. Это позволило оценить степень распространения частиц по отношению к человеку. Измерения производятся в трех точках (5A): точки 1 и 2 находятся над чашей, а точка 3 находится в отдалении от задней стенки. Количество частиц также оценивалось по временным меткам (5B): до смыва (серый цвет на графиках), в момент смыва (красный) и спустя 60 секунд после смыва (синий).


Изображение №6

Над чашей (точка 1 и 2) количество частиц увеличивалось примерно на порядок или более в течение 30 секунд после начала смыва, а затем постепенно уменьшилось. В точке 3 увеличение количества частиц было менее заметным, но сохранялось в течение обоих временных интервалов (во время и после смыва).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Некоторые исследования звучат очень круто. Это может быть разработка лекарства от рака или поиск внеземных цивилизаций. Но есть исследования, которые кажутся либо странными, либо бесполезными. Это суждение поспешно и чаще всего ошибочно. Так же можно сказать и о рассмотренном нами сегодня труде.

Ученые изучили динамику аэрозольных частиц, образующихся во время смыва воды в унитазах. Хоть тема исследования и попахивает Шнобелевской премией, в ней имеется смысл. Нам всегда говорили, что после туалета нужно мыть руки, так как туалет — это особенно грязное место. Но мало кто уделяет внимание тому, что аэрозольные частицы, которые витают в воздухе, также несут серьезную опасность для человека, если в их состав входят какие-то патогены.

В ходе исследования ученые установили, что поток частиц во время смыва крайне быстро и энергично распространяется на внушительную площадь. К примеру, чтобы достичь высоты в 1.3 метра от чаши унитаза, аэрозолю потребуется всего лишь 7.5 секунд. Еще более важным наблюдением является тот факт, что взвешенные частицы остаются в воздухе достаточно длительное время.

С точки зрения физики, поведение аэрозольного облака ученые характеризуют как хаотичное и слабо предсказуемое. Опыты проводились с применением исключительно воды. Если же добавить в нее твердые отходы, то поведение облака будет совершенно другим, чем во время наблюдений. Еще один важный фактор — это место проведения опытов (унитаз стоял в центре вентилируемого лабораторного помещения объемом 300 м3 без перегородок). В реальных же условиях (к примеру, общественного туалета) рассеивание и разбавление аэрозолей воздухом будет происходить намного медленнее, т. е. концентрация частиц будет повышенная.

Во время наблюдений ученые применили лазерные технологии для визуализации динамики распространения частиц, что ранее не делалось. По их мнению, подобная методика может стать основой для разработки новых тактик снижения риска распространения патогенов. Это может касаться и создания новых методов дезинфекции помещений, и даже проектирования новых форм чаш унитазов, которые будут предотвращать формирование аэрозольного потока такой интенсивности.

Каким бы смешным ни казалось данное исследование, его основная задача весьма серьезна — понимание того, как могут распространяться патогены. Ведь зная путь, по которому патоген передается от человека к человеку, его можно перекрыть, тем самым снизив риск заражения и сохранив здоровье миллионов людей.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?