科研动态

环境与气候研究院马楠德国马普化学所苏杭程雅芳合作在Science发表论文:口罩可以有效降低新冠病毒的传播概率

 


近日,ScienceFirst release的方式发表了德国马克斯-普朗克化学研究所苏杭教授程雅芳教授及暨南大学马楠教授题为Face masks effectively limit the probability of SARS-CoV-2 transmission热点研究,结合气溶胶理论和流行病学理论揭示了口罩使用降低新冠肺炎基本再生数(R0的机制,并解释了不同病毒浓度环境下口罩效用存在差异的原因。

佩戴口罩是降低病毒空气传播的常用手段,可以减少感染者的病毒排放和健康人的病毒吸入,因此也是当前世界范围内控制新冠疫情的主要措施之一。但对于口罩的防护效用目前还存在很大争论:30%-70%的颗粒物通过率意味着即使佩戴医用外科口罩仍会吸入或排大量气溶胶颗粒物,因此一些观点认为医用口罩或者普通口罩可能无法有效防护新冠病毒,一些针对口罩效用的随机临床实验也未能给出统一和明确的结论,与之相反,统计数据显示高口罩佩戴率的地区确实更有效地控制了新冠疫情。

德国马克斯-普朗克化学研究所的苏杭教授程雅芳教授及暨南大学马楠教授等近期在Science上发表的论文中建立了一种新的量化模型,解释了上述问题。他们指出,由于感染概率和吸入病毒数量存在非线性关系,口罩造成的吸入病毒数量减少并不意味着相同比例的感染概率降低。感染概率对于吸入病毒数量的敏感性主要决定于环境空气中的病毒浓度水平:在低病毒浓度区,吸入病毒数的降低会造成感染概率的显著下降,因此口罩可以有效降低感染概率;而在高病毒浓度区,感染概率基本不随吸入病毒数变化,因此口罩效用有限。所以,量化口罩防护效用的关键在于明确环境空气中的病毒浓度水平。由新冠肺炎的基本再生数(R0=2-4)可以推测,在大多数环境中新冠病毒都处于低浓度区,因此医用外科口罩可以有效抑制新冠病毒的传播概率。

论文指出,不同防护措施之间的协同作用可以有效增强每种防护措施的效用。例如在医院病房等潜在高病毒浓度区环境下,有效通风和增加社交距离等措施可以使空气病毒浓度降低至低浓度区,从而使口罩防护更为有效;感染者佩戴口罩减少病毒排放也能有效降低空气病毒浓度,从而使增加社交距离的作用更为显著。此外,研究还指出,虽然呼吸道排放的液滴模态(粒径大于5µm)颗粒物体积远大于气溶胶模态颗粒物(粒径小于5µm),但气溶胶模态所含病毒数高于液滴模态,由于气溶胶模态颗粒物在空气中停留时间更长且更容易穿透口罩,因此聚集人数较多且通风较差的室内环境更易于病毒的积累从而导致更高的传播概率。

本研究结合气溶胶理论和流行病学理论,针对当前对于口罩防护新冠病毒效用的争论给出了科学的解答,对于当前新冠疫情防控具有重要指导意义。


 

图(AC)中黑线为感染率与中值感染剂IDv,50归一化后的吸入病毒数的函数关系。在高病毒浓度区(virus-rich regimeAB),无论是否戴口罩,吸入的病毒数都远高于IDv,50,因此感染概率始终接近于1。在低病毒浓度区virus-limited regimeCD),吸入病毒数接近或低于IDv,50,佩戴口罩可以有效降低感染概率。图(BD)中,红色点代表空气中含有病毒的颗粒物,绿色空心点代表不含病毒的颗粒物。


 

感染人群戴口罩、健康人群戴口罩、和所有人群佩戴口罩情形下口罩对于病毒空气传播的抑制作用A不同基础感染率下佩戴医用外科口罩后的人群平均感染率。B基于(A)得到的医用外科口罩在不同基础感染率下的防护效用。CD与(AB)类似,展示N95/FFP2的结果。在计算中假定人群吸入病毒数为对数正态分布(s = 1)。灰色阴影指示基于新冠肺炎的基本再生数(R0=2-4)推算的人群平均感染概率范围。

 

论文DOI10.1126/science.abg6296

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/early/2021/05/19/science.abg6296