你房间里的二氧化碳，正帮助这些致命病毒存活

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2024-07-20 15:07

图片来源：pixabay

我们通常很少监测室内二氧化碳的含量，但事实是，室内较多的二氧化碳会给我们健康带来很多危险，甚至可能延长一些病毒的寿命。

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？

二氧化碳/碳酸氢根缓冲体系。（图片来源：原论文）

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？

随着二氧化碳增多，化学平衡向右移动受阻。（图片来源：Allen Haddrell）

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

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