检测畜牧场空气中的病毒并可视化传播风险

检测畜牧场空气中的病毒并可视化传播风险

2024/03/06

检测畜牧场空气中的病毒可视化传播风险 结合空气净化技术，预防牲畜传染病的传播

随着包括新型冠状病毒在内的各种传染病的传播，人们越来越需要能够捕获和检测空气中漂浮的病毒的技术。另一方面，也在畜牧生产场所牲畜传染病是一个重大的社会问题禽流感、猪瘟等疾病导致大量牲畜被扑杀，损失惨重，动摇了畜牧养殖户的经营根基。为了应对新型冠状病毒的传播，自 2020 年日本爆发疫情以来，AIST 一直在开发收集和检测人们生活空间中空气传播病毒的技术。 2023年，我们将开发这项技术，使其能够应用于畜牧生产现场。牛棚和猪圈空气中病毒的收集和检测我们进行了演示实验4379_4391|通过估计病毒的空间分布来“可视化传播风险”成功（2023/10/31 新闻稿）。我们还在开发一种将这种病毒检测技术与空气净化技术相结合的系统，以便可以用于实际的畜牧生产现场。我们与三位开发人员讨论了这些技术的要点及其未来前景。

检测空气中的稀释病毒

　空气中的病毒悬浮在人们咳嗽或打喷嚏时释放的飞沫和气溶胶中。作为新型冠状病毒感染的对策，室内CO₂根据人们的观察数据，我们还记得为防止感染传播而采取的措施，例如测量浓度和鼓励通风，以及呼吁人们限制活动以避免拥挤。然而，这些措施都是间接的评估指标，并不能捕捉到空气中的病毒本身。

　AIST 传感系统研究中心研究小组组长福田隆 (Takashi Fukuda) 说道。

　当人们聚集在一起时，感染的风险肯定会增加。然而，除非我们实际收集并检查空气中的病毒，否则不可能知道该病毒是否真的存在于该空间中。尽管已经建立了检测系统，但在某些情况下，没有症状的人也可以传播感染。我们认为，要正确评估感染风险，有必要直接评估空气中的病毒，因此我们开始开发直接收集和检测空气中病毒的技术。”

　病毒引起的传染病的传播也成为畜牧业的一个严重的社会问题。作为预防牲畜传染病的措施，2018年修订了《家畜传染病预防法》，明确了牲畜所有者“进行卫生管理以防止传染病发生和传播”的责任，并要求采取包括扑杀在内的多种应对措施。当大量牲畜因传染病被扑杀时，畜牧养殖户不仅遭受经济损失，而且还因扑杀行为而遭受心理伤害。此外，让业务重回正轨所需的时间和精力将是一个巨大的负担。

　与人类一样，如果怀疑牲畜受到感染，将对每只动物进行测试以确定其是否受到感染，并确定受感染的动物。然而，使用与人类相同的方法来识别病毒需要时间，并且同时存在感染者传播病毒的风险。此外，由于实际上不可能对所有动物进行测试，因此通常只从单个区域中选择少数动物进行检查，从而存在疏忽的可能性。

　为了有效防止感染传播，即使在畜牧生产场所，捕获并直接评估空气中的病毒也很重要。“基于我们为人类开发和积累的技术和知识，我们开发了一种可应用于畜牧生产场所的新型病毒传感技术”，与福田合作研究病毒传感的首席研究员 Masato Yasuura 说道。

通过去除检测抑制剂来检测病毒的“PTAS方法”

　首先，与受感染动物的体液相比，空气中的病毒浓度极低。此外，在牲畜饲养场中，空气中存在大量的灰尘、泥土以及来自粪便的气溶胶。因此，用空气采样器从空气中采集的样本，即使我们直接对样本进行PCR（聚合酶链式反应），也无法准确检测出病毒。因此，我们开发了一种称为 PTAS 方法的新技术，该技术可以在进行 PCR 之前从样本中去除检测抑制剂并浓缩病毒，”Yasuura 解释道。

　待收集的病毒具有核酸（DNA和RNA）包裹在含有蛋白质的外壳中的结构。该团队开发的PTAS方法首先利用一种名为羟基磷灰石的微粒来吸附样本中的病毒，这种微粒具有吸附蛋白质的特性。然后使用离心或其他方法浓缩病毒，以去除抑制检测的物质。通过使用PTAS方法进行处理，即使在从空气中采集的样本中也可以更容易地检测病毒。

展示了检测畜牧场空气传播病毒的能力

　研究小组在茨城县农林水产部畜牧课和畜牧卫生中心的合作下，在牛棚内采用PTAS方法进行了空气传播病毒检测测试，实际确认了一头疑似感染该病毒的牛犊。当在疑似感染犊牛的棚屋中收集空气，将样本带到实验室，使用PTAS方法制备并进行PCR检测时，在空气中检测到了病毒。

　“到目前为止，我们在实验室中创建了一个模拟病毒漂浮在空气中的环境的展位，并进行了反复的试点测试，但这次我们能够在牲畜生产现场实际证明 PTAS 方法的有效性。这是一项巨大的成就，”Yasuura 说。

　下一步，研究小组测试了是否可以确定病毒浓度在太空中的分布。得知茨城县另一家农场确认出现大量出现呼吸道症状的奶牛后，他们在牛舍内外的三个地点同时进行了空气采样。

　牛棚的天花板上安装着一台大风扇，让空气轻轻地朝一个方向流动。当对经过PTAS方法处理的样本进行检测时，谷仓内的病毒浓度最高，顺风处次之，相邻谷仓前的病毒浓度最低。

　一个月后，在同一牛棚内进行类似测量时，牛棚内和下风处的病毒浓度下降，相邻牛棚前未检测到病毒。事实上，此时出现呼吸道症状的奶牛数量已经减少，人们认为检测结果反映了牛舍内感染的流行情况。这些实验结果将使病毒的空间分布及其随时间的变化可视化，从而导致在感染实际传播之前预测传播途径并控制风险的技术的发展。

　研究小组成功检测到一种病毒，这种病毒不仅会在牛棚里，而且还会在猪圈里的空气中引起猪的死亡。我们目前正在准备应用于禽舍。检测空气中的病毒按照牛舍、猪舍、鸡舍的顺序变得更加困难，这与牲畜舍的结构有关。牛棚为开放式结构，几乎没有墙壁，只有柱子和栅栏，因此始终通风。另一方面，禽舍是由墙壁和屋顶覆盖的封闭结构，空气容易滞留，灰尘较多，空气中存在大量检测障碍物。猪圈大致介于牛圈和鸡圈之间。

　在猪圈工作时，我们必须通过反复试验来调整检测方法。除了灰尘和泥土，鸡舍里还有很多羽毛飞来飞去，预计情况会更加困难。我们希望将每一步都弄清楚，让这项技术也适用于鸡舍。”Yasuura 热情地说。

分解空气中病毒的空气净化系统

　为了防止传染病的传播，不仅需要检测空气中的病毒，还需要将其从空气中清除。因此，我们与正在开发大气气溶胶去除系统的环境创造研究部高级首席研究员Nobuaki Negishi合作，同时开发结合了病毒传感和空气净化技术的系统。

目前，最流行的空气净化器是过滤式的，它通过细网过滤器对吸入的空气进行过滤，滤除花粉、灰尘等颗粒物，然后将净化后的空气吹出。适用于去除病毒的过滤器具有非常细的网孔，因此需要大量能量才能使空气通过。另一个问题是过滤器随着时间的推移会堵塞，从而降低处理能力并需要更换过滤器。

根岸开发了一种不使用过滤器的方法。空气流过内壁安装有光催化板的锯齿形结构。

　机制非常简单。当空气高速流过之字形结构时，气态空气会滑过，而气溶胶会撞击墙壁。水成分蒸发，病毒残留在墙上。墙上安装了光触媒板，因此病毒会被光触媒灭活，然后被分解。”根岸解释道。

　由于空气只是简单地通过锯齿形结构，因此比过滤时的能量损失更少。此外，灭活的病毒保留在光触媒上并在系统内被分解并不断自我清洁，因此无需更换部件。

　当根岸和他的同事使用小型原型设备测试实际可以从空气中去除多少病毒时，他们发现它是 45 m³（大约是典型家庭浴室的大小）可以连续去除几乎100%的连续引入的气溶胶。

　“由于该系统允许空气高速流动，我们认为它更适合在牲畜谷仓等大空间中使用，而不是在小房间中使用。我们在学校教室大小的区域模拟该系统的使用，发现教室中的所有空气都可以在 30 分钟内被处理过的空气替换，”Negishi 说。即使病毒进入畜舍，也可以在短时间内使病毒变得无害，畜舍内的空气可以被净化的空气所取代。

　病毒传感和空气净化技术的开发正在稳步推进，并在畜牧生产场所得到实际应用。另一方面，在畜牧生产场所实施此类新技术似乎仍然存在很高的障碍，例如资金问题和用户理解。正是在县农林水产厅和畜牧卫生中心的配合下，我们才得以在牛棚内进行示范试验。

　福田重视与配合技术验证测试的畜牧农民建立信任关系。这是因为与每天面临挑战的畜牧农民进行沟通并以使命感将他们团结起来至关重要。

　“在田间引入新系统需要花费大量资金。首先，我们需要进行一系列示范实验，以确保畜牧农民了解我们的技术是有用的。我们需要证明这是一项有价值的技术，如果人们愿意尝试，我们会很高兴。我们希望增加相信我们并愿意尝试的合作伙伴数量。''

　团队正在稳步努力将该技术推广到田间，以尽快减轻牲畜传染病造成的损失和畜牧养殖户的负担。

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*1：Negishi、Nobuaki 等人。 “开发用于处理室内空气的高速生物气溶胶消除系统。”建筑与环境227 (2023): 109800。左图(图形摘要)右图(图。 1(一)）[返回来源]