実験計画法を用いた公衆トイレにおけるトイレプルームバイオエアロゾル暴露動態の探索

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実験計画法を用いた公衆トイレにおけるトイレプルームバイオエアロゾル暴露動態の探索


サイエンティフィック・リポーツ 14巻、論文番号：10665（2024）この記事を引用する

要旨

トイレの洗浄時に発生するバイオエアロゾルは、室内環境における空気感染病原体の拡散や二次汚染の一因となる可能性がある。このことは、フォマイト媒介またはエアロゾルによる疾病伝播のリスク上昇をもたらす。本研究では、トイレ洗浄後のバイオエアロゾル曝露の増加に寄与する要因を系統的に調査し、曝露に関連するバイオエアロゾル濃度を予測するための経験的モデルを開発した。クロストリジウム・ディフィシル（Clostridium difficile）芽胞を播種した後、トイレ室内の空気をインパクションによりサンプリングした。その後、実験計画法（DoE）主効果スクリーニングおよび完全要因計画法を用いて、水洗後のバイオエアロゾル曝露リスクを高める有意な要因を調査した。その結果、接種細菌濃度（C）、洗浄後の経過時間（t）、横方向距離（d）、機械的換気（v）がバイオエアロゾル濃度の有意な予測因子であり、p値は0.05未満であった。交互作用項であるC×dは、最も近接し病原体負荷が最も高い場合、バイオエアロゾル濃度が232CFU/m3まで顕著に増加することを示した。Cとtの相互作用（C×t）は、バイオエアロゾルの生存率の時間依存的減衰を示し、濃度は洗浄直後の241 CFU/m3をピークに、時間の経過とともに顕著に減少した。横方向の距離と洗浄後の時間（d×t）の相互作用も、バイオエアロゾル濃度が徐々に減少することを明らかにし、バイオエアロゾル暴露リスクを軽減する空間的・時間的希釈の有効性を強調した。さらに、洗浄後すぐに相対湿度レベルが上昇し、トイレ環境の空気質に影響を与える。本研究は、バイオエアロゾル曝露を決定する曝露経路の理解を進めるだけでなく、バイオエアロゾル曝露を低減するための標的介入策を設計するための極めて重要な知見を提供するものである。推奨事項としては、抗菌性表面を備えた公衆トイレの設計、換気の最適化、暴露のピーク時に便器に最も近い表面を優先するための適時消毒プロトコルの開始などがあり、これにより、より健康的な室内環境を促進し、人の出入りの多いトイレ環境における公衆衛生を守ることができる。

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はじめに

トイレの洗浄により、便器に排出された尿、便、嘔吐物から感染性バイオエアロゾルが発生する1,2,3,4,5。これらのバイオエアロゾルは、洗面所の表面に沈殿するか、空気中に浮遊し続けるため、フォマイト媒介性またはエアロゾルによる疾患伝播のリスクが高まる6,7,8。エアロゾルによる疾病伝播のリスクは、187人発生した重症急性呼吸器症候群（SARS）の発生源としてトイレの排煙が示唆され9、呼吸器感染症の原因となる黄色ブドウ球菌や レジオネラ属菌などの病原体がトイレの排煙から分離されて以来、注目を集めている4,10,11,12。研究により、トイレの排煙のバイオエアロゾルの大きさは0.3～3µmで、地上から約1.5mの高さまで到達すると分類されている13。このことは、バイオエアロゾルが吸入され、気道に沈着する能力を反映しており14、呼吸器感染症を引き起こし、効果的な介入が緊急に必要であることを強調している。

効果的な手洗いの習慣を守り、適切な清掃プロトコルを実施することで、バイオエアロゾルによる表面汚染の可能性と、その結果としてのフォマイトを介した疾病伝播のリスクは大幅に減少している7,15,16。良好な衛生習慣を実践している人がいることは事実であっても、すべての人が一貫して適切な衛生習慣を守っているわけではないことを認識することが重要である。2015年の調査によると、糞便に接触する可能性のあるトイレを訪れた人のうち、石鹸を使った手洗いを行った人は全体のわずか26.2％しかいなかった17。さらに、医療環境（病院、医療センター、介護施設、その他患者の世話をする施設を含む）など、健康リスクが高い環境では、基礎疾患を持ち免疫力が低下している人が多いため、医療関連感染（HAI）に対する脆弱性が高まり、死亡リスクが高くなる18。その結果、患者の排泄物を流すことによる感染性トイレプルームバイオエアロゾルへの暴露は、他の免疫不全患者において、複数のHAIを発症し、抗菌薬耐性19を発症する可能性を高める可能性がある。抗生物質耐性の特性を持つブドウ球菌や 腸球菌の菌株、および宿主の免疫系20からの抗生物質攻撃に対して本質的に耐性を持つ持続性の芽胞を産生するクロストリジウム・ディフィシルなどの芽胞形成細菌は、過去の研究でエアロゾル化したトイレの排泄物から分離されている21,22,23,24,25。また、医療現場でトイレの汚水から分離されたこれらの細菌やその他のウイルス5,26は、ほとんどの病院グレードの消毒剤に耐性があり、洗浄後も残留することが判明している16,26,27,28,29。したがって、これらの知見は、トイレの排泄物に関連する病原体と闘う際の従来の洗浄方法の限界を明らかにし、この耐性汚染源に対処するために、厳格な室内空気洗浄および除染技術の開発に一層の注意を払う必要性を強調している。

トイレプルームバイオエアロゾルのサンプリングとリスク評価に関する研究5,23,24,30,31,32,33,34では、吸入や嘔吐物との接触によるバイオエアロゾルへの曝露を減らすために、十分な換気、トイレのふたの閉鎖、紫外線C（UVC）装置の使用などの介入が提案されている。しかし、これらの研究はいずれも、推奨される介入策を提案する前に、これらのバイオエアロゾルへの暴露リスクを増大させる要因を包括的に検討していない。さらに、トイレのふたの状態と換気は、トイレの洗浄後に放出されるバイオエアロゾルへの曝露を減少させる重要な要因として特定されており、さまざまな管理シナリオのもとで調査されている23,24,30。しかし、これまでの研究では、これらの要因の重要性を決定するために実施された実験回数に明確な正当性を与えることなく、これらの要因に優先順位をつけてきた。また、これらの要因を優先的に選択し、優先順位をつけて調査する根拠は、恣意的なものと思われる。さらに、換気と便蓋の状態の影響は、バイオエアロゾルへの暴露リスクの増加に寄与しうる他の要因の交絡効果の可能性を考慮することなく、独立して評価された。したがって、トイレ洗浄中に放出されるバイオエアロゾルへの暴露を最小化する実用的で全体的な介入策を開発するには、まずバイオエアロゾル濃度に寄与する要因間の相互作用を理解することが不可欠である。これは、実験計画法（DoE）を導入することで達成できる。

実験計画法(DoE)は、統計的原則に基づき、科学的研究や実験の実施に使用される、ロバストで広く使用されている方法論である。DoEでは、従来の1因子ごとの研究とは異なり、複数の因子とそれらの相互作用を同時に系統的に探索することができる35。このアプローチにより、複雑な関係が明らかになり、逐次実験や単独実験での単純化を防ぐことができる。実験条件とサンプルサイズを注意深く選択することで、DoEは各実験から得られる情報を最大化し、関係するコスト、労力、時間、その他の資源を削減する。その後、実験データを分析して、研究された要因と望ましい反応との間の関係を記述する数学的モデルを開発することができる36。特筆すべきは、DoEの統計的基盤によって、研究結果の信頼性と妥当性が高まることである。多様な研究から得られたトイレのプルームバイオエアロゾル濃度に関する系統的レビュー37では、同じような病原体であっても、濃度、実験条件、サンプリング方法において食い違いがあり、かなりのばらつきがあることが明らかになった。その結果、トイレの水蒸気バイオエアロゾルに関連する疾病伝播リスクの理解を深めるために、過去の研究を再現し、進展させることは困難であることが判明した。DoEは、実験計画、実施、分析のための構造化され文書化された枠組みを提供します。これにより研究の再現性が高まり、他の研究者が結果を検証したり、発見を基に研究を進めることができるようになる35,36。DoEは、トイレ洗浄後のバイオエアロゾルへの曝露リスクを高める要因を調べるために、本研究および研究空間で初めて使用される。また、これらのバイオエアロゾルの濃度を予測するための経験的モデルを開発することも目的としている。本研究では、「曝露関連バイオエアロゾル濃度」という用語を使用し、個人がトイレ洗浄後に遭遇する可能性のある、潜在的に感染性のあるバイオエアロゾルの濃度を、吸入曝露または噴霧曝露のいずれによってであれ、表現している。本研究では、トイレ洗浄がトイレ環境内の既存の相対湿度レベルにどのように影響し、室内空気質に影響を及ぼすか、そして最終的に、相対湿度が曝露関連バイオエアロゾル濃度にどのように影響するかについても考察し、公衆衛生に潜在的な影響を及ぼす可能性を検討する。湿度は、バイオエアロゾルの生存、拡散、伝播の可能性に影響を与える可能性がある。特に、相対湿度が高いと、多くの病原体がエアロゾル化した状態で持続し、生存しやすくなることが示されており、空気中での生存時間が長くなり、吸入感染や噴霧媒介感染のリスクが高まる可能性がある38,39。逆に、湿度が極端に低いと、病原体の乾燥やエアロゾル化が促進されるため、バイオエアロゾルの動態に影響を与え、感染性に影響を及ぼす可能性がある38,40。

都市化が進み、「良好な健康と福祉」（SDGs 3）、「清潔な水と衛生」（SDGs 6）、「持続可能な都市とコミュニティ」（SDGs 11）といった持続可能な開発目標（SDGs）の達成に世界的に焦点が 当てられる中、公衆トイレの数は大幅に増加している。その結果、共同／共有公衆トイレは、手頃な価格の住宅や基本的な保健医療サービスへの適切で安全なアクセス、安全に管理された衛生設備、その他の関連する環境影響や公衆衛生評価の重要な指標として、おそらく今後も機能し続けるだろう。トイレプルームバイオエアロゾルの効果的な暴露とリスク評価を行うためには、主要な暴露要因を理解することが不可欠である。本研究では、トイレ洗浄後のバイオエアロゾル暴露を定量化し、リスク評価のためのトイレプルームバイオエアロゾル暴露経路の理解を深める。本研究の実際的な意義は、医療およびホスピタリティ（宿泊、飲食サービス、会議・イベント計画、娯楽・レクリエーション、旅行、観光）における政策立案者、施設管理者、公衆衛生当局に及び、政策立案と公衆衛生保護に役立つ。最終的には、SDGsに向けた前進に役立つであろう。

方法

本研究で使用した専用屋内トイレの説明

屋内トイレ（図1および図2参照）は、微生物学研究室内に特別に建設され、ヘルスケアやホスピタリティ環境で一般的に見られるトイレの外観を再現した。トイレの寸法（2.4m×1.6m、高さ3m）は、学校、病院、その他の商業施設や公共施設に設置される公衆トイレについて、英国の建築基準法BS6465-141およびApproved Document F42に規定されている標準要件を参考にした。機能的なトイレユニットをシミュレートするため、洗浄時間4秒の6Lデュアル水洗トイレ（Screwfix社製、型番SXPTP0056）を設置した。トイレ環境は、270～395m3/hの抽出速度を持つ機械的抽出換気システム（Vent-Axia、型番W161510）と、260 m3/hの清浄空気供給速度で高効率微粒子空気（HEPA）フィルター付き空気を供給する空気清浄機（Vent-Axia、型番496611）を使用して換気した。図2に示すように、空気清浄機はトイレの個室の側壁を模した位置に設置された。これは、側壁ファンがエアロゾルの除去効率を最適化するという先行研究の結果を反映したものである33。公衆トイレで空気清浄機を使用することは一般的ではないが、バイオエアロゾルや浮遊汚染物質を効果的に軽減するために、さまざまな室内環境で空気清浄機を使用することが、先行研究43,44で裏付けられている。本研究では、空気清浄機を組み込むことで、このような技術を公衆トイレの換気システムに組み込んだ場合の潜在的な結果を探ることを目的としている。この実験的アプローチは貴重な知見を提供し、公衆トイレ内の換気システムの設計と強化における将来の革新の指針となる可能性を秘めている。

図1

本研究で使用した特別に設計されたトイレのレイアウト。

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図2

実験に使用した専用トイレ・キュービクルのデジタル画像。(a)はポリシートで囲まれたキュービクルを示し、水洗実験とサンプリング実験中はキュービクルの入り口をジッパーで密閉する。(b) 蓋を開けた状態の便器と貯水槽。(c) 便器の蓋を閉めた状態。

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窓を排除し、空気清浄機を備えた機械換気に頼るという決定は、バイオエアロゾルの除去において機械換気の優れた性能を実証した過去の研究24に基づいている。さらに、英国の基準に従うと、公衆トイレの窓は適切な換気を確保するよりも、主に採光を目的としている。これらの窓は通常、プライバシーとセキュリティの懸念に対処するため、トイレの壁の高い位置に設置され、個人が安心して施設を利用できるようになっている。さらに、十分な換気を確保するために開放窓を使用することは、生物学的実験室環境で行われるこの研究では非現実的であり、特別に設計されたトイレの個室をポリエチレン素材で囲うことが一因となっている。したがって、窓を使用しないことで、自然換気が制限されている、あるいは実行不可能な室内環境を含む、幅広い室内環境に本研究の結果を確実に適用できる。本研究では、室内気流の干渉を受けずにトイレ洗浄後のバイオエアロゾル暴露リスクを上昇させる要因を受動的に分離するため、ジェット風乾燥機は除外し、キュービクルには手乾燥用のペーパータオルを設置した。ジェット風乾燥機は強力な気流を特徴とし、バイオエアロゾルの拡散と手指からトイレ環境への細菌の移行を促進することが知られている15。これを研究に含めると、トイレ洗浄による正味のバイオエアロゾルを正確に測定できなくなる。測定されるバイオエアロゾルは、トイレ洗浄とジェットドライヤーの両方からの寄与で構成されるからである。手乾燥にペーパータオルを使用することで、この研究では、要因の偏りのない評価が保証され、モデル化プロセスにおける潜在的な誤差を最小限に抑えることができる。

無毒性接種原菌の調製

この研究では、ヒト病原体の代用としてクロストリジウム・ディフィシル（Clostridium difficile）の非毒素原性株（NCTC 13574、National Collection of Type Cultures、英国）を使用した。C. difficile感染はしばしば下痢症状を伴うため、下痢便の外観に似せて胞子懸濁液を作成するために使用した。C. difficileは、医療現場における抗生物質関連胃腸炎および大腸炎の主な原因である20,45。抗菌薬耐性だけでなく、この細菌は空気中に芽胞を産生することでも知られており、この芽胞は熱や標準的な洗浄・消毒法にも耐性があり、表面に長期間残留することができる46,47。トイレの水蒸気を調査したいくつかの研究で、トイレの水蒸気中にC. difficileが存在することが報告されている22,48。そのため、エアロゾル化および糞便-経口経路を介した伝播が可能であることから、バイオエアロゾルを介した疾病伝播の研究において重要な病原体として注目されている。さらに、この研究で使用されたC. difficileの非毒素型は、トイレの水蒸気に関連するリスク22,49の過去の評価でサロゲートとして使用されたことと一致している。胞子懸濁液の調製は、空気中のC. difficileに関するBestら23の以前の研究で説明されたアプローチに基づいた。凍結乾燥した細菌を栄養ブロスで再水和し、選択的C. difficile寒天培地（Thermo Scientific™ Brazier'sClostridium difficileSelective Agar）で培養し、37℃で10日間嫌気培養した。培養中、特定の抗生物質と試薬を含む選択寒天培地は、UV光下でC. difficileコロニーの蛍光を促進する一方で、他の生物の増殖を効果的に阻害する。10日間の培養期間は、細菌が利用可能な栄養素をすべて使い果たして胞子形成に至るように選択された。

培養後、各プレートから目に見える増殖をすべて取り除き、1mlの滅菌生理食塩水に懸濁した。その後、同量の絶対エタノールを加え、懸濁液を室温で1時間放置し、植生細菌を死滅させた。得られた懸濁液を3000gで15分間遠心分離し、1mlの滅菌水に再懸濁し、使用するまで4℃で冷蔵保存した。最初の胞子懸濁液は、顕微鏡下で血球計数計を用いて定量し（図3参照）、最終的な胞子濃度は109spores/mlとなった。トイレに接種するための最終懸濁液中のC. difficileの総コロニー形成単位を測定するために、最初の胞子懸濁液を繰り返し希釈した。その後、希釈した各懸濁液1mlを選択的C. difficile寒天平板上に置いた。培養が完了したら、目に見えるコロニー数を数え、得られた濃度を平均して107CFU/mlの最終懸濁液濃度を得た。

図3

顕微鏡下で血球計数装置を用いたC. difficile芽胞の計数。この画像は、マラカイトグリーン溶液で染色した後のC. difficile芽胞の分布と濃度を強調し、C. difficile芽胞の計数を示している。血球計数装置の各グリッドを用いて芽胞を系統的に定量化する。赤い文字は芽胞の長さを示しています。

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実験計画法（DoE）

DoEスクリーニング設計実験

これまでの研究で、暴露に関連するバイオエアロゾル濃度に寄与するいくつかの要因が特定されている。これらには、便器に排出される病原体の濃度、洗浄後の経過時間、便器からの水平距離、便蓋の状態、換気の有無などが含まれる4,23,24,30,32。これらの研究から得られた知見を総合すると、潜在的に感染性のあるバイオエアロゾルの濃度が最も高くなるのは、汚染されたトイレを洗浄した直後で、便器に最も近い場所であることが一貫して示されている。その後、機械的換気を行い、発生源から離れた場所では、時間とともに濃度が急速に低下する。しかし、発生したバイオエアロゾルは、洗浄後最大60分間トイレ環境に残留する可能性があり、汚染が長引く可能性があることに注意することが重要である30。

暴露に関連するバイオエアロゾル濃度に影響を及ぼす主な要因を特定するという本研究の第一の目的を達成するため、暴露に関連するバイオエアロゾル濃度に影響を及ぼすと疑われる上述の要因の有意性を評価するために、12回の実行（表1参照）による無作為化主効果スクリーニングデザインを使用した。

表1 スクリーニング計画で使用した因子とそのレベル。

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主効果DoEスクリーニング実験デザインは、列挙されたような多くの因子を探索し、反応に影響を与える最も統計的に有意な因子を特定するための効率的なアプローチを提供する。スクリーニング実験によって特定されると、後続の実験は、これらの統計的に有意な要因の主効果と相互作用をさらに調査するために設計することができます。この合理化されたアプローチは、必要とされる実験全体の数を減らし、コストと時間の大幅な節約をもたらす35,36。スクリーニング計画で使用する因子の水準（すなわち数値範囲）の選択は、主に文献1,4,13,23,24,25,50および予備的な実験試験に基づいている。

手指衛生は感染予防において重要な役割を果たすが、トイレの水洗後の噴出物から のバイオエアロゾルへの曝露に影響を及ぼすと特定する文献がないため、研究因子としては含めなかった。さらに、実験モデルから手洗いを除外したのは、水洗のみに関連するバイオエアロゾル暴露のベースライン理解を確立し、初期調査における明確性と特異性のためにモデルを単純化するという目的に基づくものであった。

DoE完全要因計画実験

スクリーニング実験の後、スクリーニング計画で最も重要な因子の効果と相互作用をさらに調査するために、第二段階としてDoE完全要因計画を採用した。完全要因計画は主に、反応に対する各要因の影響と、反応に対する要因間の相互作用の影響を調べることで、反応に対する要因とレベルのすべての可能な組み合わせの影響を調べるために使用される35,36。完全要因計画は柔軟性があり、連続的、離散的、分類的な要因に対応する複雑な実験計画を扱うことができる。スクリーニング計画で検討された5因子のうち4因子は、統計的に有意であった（「結論」、「結果」のセクションを参照）。これらの因子は、表2に概略を示すように、3×2×2×2の完全要因計画に組み込まれ、暴露に関連するバイオエアロゾル濃度に対するこれらの統計的に有意な因子の主効果と相互作用をさらに調査した。

表2 全因数計画で使用した因子とそのレベル。

フルサイズの表

実験デザインと統計解析の目的で、連続変数を2レベルまたは3レベルに離散化し、完全要因計画アプローチを容易にした。各因子の2レベルまたは3レベルの選択は、因子間の有意な効果および交互作用を検出するのに十分な検出力を確保するための統計的原則に基づいたものである。このアプローチは、実験計画における標準的な慣行に沿ったもので、特に、さらなる調査のために有意な因子を特定することを目的とした予備的な研究において有効である。このように、植菌濃度は低濃度と高濃度で変化させ、実世界のシナリオで遭遇する可能性のある現実的な濃度範囲を反映させた。水洗後の経過時間は、バイオエアロゾル拡散に対する即時的（短期的）効果と遅延的（長期的）効果を捉えるために選んだ。バイオエアロゾルのサンプリングに選ばれたタイミングは、トイレ洗浄直後のバイオエアロゾル濃度に大きなばらつきがあり、時間とともに濃度が低下する一般的な傾向があることを示した先行研究から得た情報である24。このような特定の間隔でサンプリングすることで、バイオエアロゾル濃度のピークをとらえ、減少パターンを観察することができ、これは曝露リスクとバイオエアロゾルの存在を低減する換気の有効性を理解する上で重要である。さらに、暴露リスクに対する近接性の影響を評価するために、トイレからの横方向の距離を選択した。これにより、実験セットアップの制約の中で、これらの要因の影響とそれらの相互作用を系統的に調べることができた。

空気サンプリング手順と発生したバイオエアロゾルの実験分析

本研究におけるバイオエアロゾルのサンプリングは、サンプリング・プロセスの一貫性と信頼性を確保するため、バイオエアロゾル収集技術の訓練を受けた筆頭著者によって独占的に行われた。サンプリングは、400穴のMicro Bio MB1バイオエアロゾル・サンプラー（Cantium Scientific社、英国）を使用し、流速は毎分100Lで、遅延タイマーを備え、サンプル採取の正確なタイミングを可能にした。

MB1バイオエアロゾルサンプラーは、平均的な成人のトイレ使用時の座位姿勢に合わせて、床から0.8mの高さで便器の前に直接設置した24。各実験の前に、便器およびその周囲の表面を病院レベルの漂白消毒剤（5％次亜塩素酸ナトリウム）で洗浄し、予備実験で確認されたように、残留消毒剤と細菌を除去するために5回洗浄した。バイオエアロゾルサンプラーも、各運転開始前に病院レベルの漂白消毒剤で拭き取った。さらに、サンプラーの測定精度を維持するため、各実験の前に定期的な校正チェックを行った。以前の実験によるバックグラウンドのバイオエアロゾルで後続の実験が汚染されるのを防ぐため、各実験後、新しい実験を開始する前に、空気清浄機を作動させて1時間空気を清浄化した。

新しい選択的C. difficile寒天培地プレートが、各実験実行のためにサンプラー内に配置され、筆頭著者が調査因子を所定のレベルに設定した。これには、注射器を用いて既知濃度のC. difficile胞子を便器に添加すること、サンプラーを便器の真正面に0.8mの高さ、便器の中心から0mまたは1mの距離に設置すること、便器の蓋を開閉すること、機械換気システムをオンまたはオフにすることなどが含まれた。実験条件を設定した後、トイレを洗浄し、筆頭著者は直ちにキュービクルの入口から出てチャックを閉めた。サンプラーのディレイスタート機能により、0分と指定された運転では、洗浄後すぐに100Lの空気をサンプリングすることができた。洗浄後1時間で予定された運転では、サンプラーは洗浄後1時間で起動し、その後筆頭著者は微生物分析用の寒天プレートを回収するために再入室した。バイオエアロゾルの空気サンプリングは、各実験の実行ごとに、洗浄後に1回行った。本研究の主な目的は、トイレ洗浄後のバイオエアロゾル拡散動態を調べることであり、特に洗浄イベントに直接関連する要因に焦点を当てることであったため、実験デザインは、トイレを使用する個人の詳細な個人特性など、洗浄プロセスに直接関係しない変数を最小限に抑えるように構成された。そのため、実験全体の一貫性を確保し、人の存在に関連する変数を制御するため、トイレ洗浄後のバイオエアロゾルサンプリング中、トイレ室内に人はいなかった。実験セットアップでは、各実験の間、トイレの個室への入り口をジッパーで閉め、ドアを閉めたままトイレを流すという、公衆トイレと個室トイレの両方で一般的なシナリオを再現し、プライバシーを維持し、外部の気流とバイオエアロゾルの移動の影響を制限するために制御された環境を維持した。バイオエアロゾルのサンプリングが終わると、回収したすべての寒天プレートにラベルを貼り、37℃で48時間嫌気培養した。実際のコロニー数を求め、バイオエアロゾル収集の偏りを考慮するため、400穴サンプラーの正孔法51,52(1)を用いてインキュベーション後の数を調整した。

$${{n}_{c}= {n}_{f}\left[\frac{1.075}{1.052- \frac{{n}_{f}}{{n}_{h}}}\right]}^{0.483}$$

(1)

ここで、nhはサンプリングヘッドの穴の数、nfはカウントされたコロニー数、ncは補正カウントである。

補正されたカウント数は、式(2)52で概説されるように、暴露に関連するバイオエアロゾル濃度(BC)をCFU/m3で計算するために利用された。

$$BC=1000\frac{{n}_{c}}{{V}_{s}}$$

(2)

ここで、Vsはサンプリングした空気の体積（リットル）である。

実験から回収されたプレートの分析から得られたデータは、CFUのコロニー数であった。これらの数は、スクリーニング実験と完全要因実験において、暴露に関連するバイオエアロゾル濃度を計算するために利用された。この研究では、人体実験よりも環境および微生物学的側面を重視し、人工的に汚染されたトイレを流すことによる環境への影響を調査した。本試験では、トイレの水洗作業への関与は別として、被験者への影響に関する調査やデータ収集は行わなかった。この研究では、人体への影響に関するデータを収集していないこと、健康リスクを最小化するために無毒性のC. difficile芽胞を使用していることを根拠に、リスクアセスメントが実施され、承認された。さらに、実験は隔離されたクラス2の生物学的実験室で実施され、トイレ洗浄実験を行う人間のオペレーターだけに立ち入りが制限された。このオペレーターは、実験中の安全性を高めるために防護服を装備していた。

相対湿度（RH）のモニタリング

RS PRO DT802D air quality monitor and data logger (RS Components Ltd., United Kingdom)を使用し、0～90％のRHレベルを±5％RHの精度と0.1％の精度で検出できる。この装置は、トイレの床から1mの高さ、トイレの中央に設置され、測定値が、トイレの洗浄後の一般的な空気質を代表する、十分に混合された空気サンプルを反映するようにした。RHとバイオエアロゾルレベルがトイレ環境の空気質にどのように影響するかの相互作用を、無作為連続洗浄を用いて調べた。13回の無作為連続洗浄実験が実施され、トイレ洗浄後のRH濃度に有意な変化が観察された。

バイオエアロゾル濃度のモデリング

信頼性を高め、ばらつきの可能性を減らすため、各実験は3回繰り返された。したがって、合計108回の無作為化実験が行われた。完全要因実験セットアップでは、トイレ洗浄後のバイオエアロゾル濃度に対する 4 つの主要要因の影響を直接調査した。これには、洗浄前に便器に添加したC. difficile芽胞の初期濃度（C）、洗浄後にバイオエアロゾルサンプルを採取した期間（t）、バイオエアロゾルサンプルをトイレから採取した距離（d）、バイオエアロゾル濃度を低下させる機械的換気の有無と効率（v）が含まれる。暴露に関連するバイオエアロゾル濃度を予測するために、直接試験した因子と実験データに基づくそれらの相互作用の両方を組み込んだ経験的モデルを開発した。具体的には、バイオエアロゾル濃度に対するこれらの変数の複合効果を捕捉するために、側方距離とフラッシング後の時間（d×t）、接種細菌濃度とフラッシング後の時間（C×t）、および接種細菌濃度と側方距離（C×d）の相互作用を含めた。曝露に関連するバイオエアロゾルの濃度と関係する因子との関係を決定するため、実験結果を回帰分析を使って分析し、2次の多項式に当てはめた（式（3）を参照）。

Y={beta }_{0}+{beta }_{1}{x}_{1}+{beta }_{2}{x}_{2}+{beta }_{3}{x}_{3}+{beta }_{4}{x}_{4}+{beta }_{11}{x}_{1}^{2}+{beta }_{22}{x}_{2}^{2}+{beta }_{33}{x}_{3}^{2}+{beta }_{44}{x}_{4}^{2}+{\beta }_{12}{x}_{1}{x}_{2}+{\beta }_{13}{x}_{1}{x}_{3}+{\beta }_{14}{x}_{1}{x}_{4}+{\beta }_{23}{x}_{2}{x}_{3}+{\beta }_{24}{x}_{2}{x}_{4}+{\beta }_{34}{x}_{3}{x}_{4}+\varepsilon $$

(3)

ここで、Y = ばく露に関連する予測バイオエアロゾル濃度(BC)、β0 = 切片または定数項、x1、x2、 x3、x4 = それぞれC、t、d、v、β1、β2、β3、β4= それぞれC、t、d、 vの線形係数、 β11、β22、β33、β44=C、t、d、 vそれぞれの2次係数、β12、β13、β14、β23、β24、β34 =C、t、d、 v 間の交互作用係数 、 ε = ランダムな実験誤差項。

平均を比較し、得られたモデルと項の統計的有意性を評価するために、分散分析（ANOVA）とp値を用いた。所定の有意水準は0.05で、この閾値に等しいか、またはそれ以下の値を統計的に有意とみなした。暴露に関連するバイオエアロゾル濃度を予測するためのモデルフィッティングの精度と信頼性は、R2と修正R2 を用いて評価した。DoE、統計およびグラフ解析は、JMP統計ソフトウェアを用いて行った。

追加情報

本研究は、人工的に汚染されたトイレを流すことによる環境への影響を調べたものであり、流すという行為以外にヒト被験者に直接影響を与えたり、ヒト被験者からデータを収集したりすることはない。したがって、人体実験というよりは、環境または微生物学的研究に近い。人間の操作者（筆頭著者）がトイレの洗浄に関与することで、管理された環境内で現実の状況を正確に模倣することを目的としている。バイオエアロゾル拡散に対する洗浄の影響を分離するため、サンプリング中、トイレ室内では洗浄動作以外の人間活動は行わなかった。水洗プロセスへの人間の関与は、安全ガイドラインを厳守して実施され、Loughborough大学によるリスクアセスメントが承認された。このリスクアセスメントは、ヒト被験者からデータを収集しないこと、常に保護具を着用すること、健康リスクを低減するために非毒素性のClostridium difficileを使用することを条件としている。承認されたリスクアセスメント文書は、リクエストに応じて入手可能である。これらの予防措置により、本研究は健康および安全基準を遵守しながら、管理された環境でトイレ洗浄の動態を正確に再現することができた。

結果

全因子の主効果DoEスクリーニング分析

スクリーニング実験の結果（補足表S1参照）によると、接種された細菌濃度（C）、洗浄後の経過時間（t）、便器からの横方向の距離（d）、および機械的換気の有無（v）はすべて、トイレ洗浄中に潜在的により高濃度の感染性バイオエアロゾルに曝露するリスクを低減する上で統計的に有意な因子であった。スクリーニング分析モデルでは、R2乗値が0.96、p値が0.0003であった。

DoE完全要因分析

寄与要因の主効果の分析

DoE完全要因実験の結果（補足表S2参照）は、洗浄後の経過時間（p＜0.0001）、接種細菌の濃度（p＜0.0001）、および便器の中心からの横方向の距離（p＜0.0001）がすべて、最も有意な主効果を示した。水洗後の経過時間と便器の中心からの横方向の距離は、暴露に関連するバイオエアロゾル濃度に対して負の線形効果を示したが、接種細菌濃度は正の線形効果を示した。さらに、機械換気システムは有意な主効果（p = 0.0114）を示したが、その影響はC、t、dほど顕著ではなかった。

寄与因子間の相互作用の分析

交互作用項である側方距離×フラッシング後の経過時間（d×t；p＜0.0001）、接種菌濃度×フラッシング後の経過時間（C×t；p＝0.001）、および接種菌濃度×側方距離（C×d；p＝0.004）も統計的に有意であることが判明し、暴露に関連するバイオエアロゾル濃度に対する寄与因子の相互作用と絡み合った複合的影響が明らかになった。これは、曝露に関連するバイオエアロゾル濃度の正確な経験的モデリングと決定を可能にするために重要である。

C×d相互作用効果の解析

相互作用項であるC×d は、曝露関連バイオエアロゾル濃度が、接種細菌濃度と便器からの横方向距離の両方に顕著に依存することを明らかにした。図4では、Cが増加しdが減少すると、BCが増加することが観察された。dが最小の場合、Cの増加は、0CFU/m3から約232CFU/m3までの安定したBCの増加と相関する。しかし、Cが最小の場合、dの増加はBCに顕著な影響を与えない。Cと dが増加するにつれて、Cが107CFU/mlに達し、dが0.1 mになると、BCは0CFU/m3から約52CFU/m3まで上昇する。Cと dがともに増加し続けると、BCはdが0.8 m付近になるまで52 CFU/m3で安定する。

図4

曝露に関連するバイオエアロゾル濃度に対するCと dの相互作用を示すサーフェスプロット。

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C×t の相互作用効果の解析

相互作用項C×tは、接種されたバクテリアの濃度が高いほど、曝露に関連するバイオエアロゾル濃度に対して、異なる時間間隔でさまざまな影響を及ぼす可能性があることを明らかにしている。図5 に描かれているように、BC は C の増加およびt の減少に伴って上昇する。Cと tの上昇に伴い、BCは、Cが5×106CFU/mlに達し、tが10分まで延長すると、0 CFU/m3から約59 CFU/m3まで上昇する。Cと tが約40分まで増加し続けると、BCは77 CFU/m3で安定した。40 分を超えると、C の増加によるBCへの影響は、t が最も高いときの 59 CFU/m3 から 0CFU/m3へと徐々に減少する。

図5

曝露に関連するバイオエアロゾル濃度に対するCと tの相互作用を示すサーフェスプロット。

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d×t の相互作用効果の解析

d×tの相互作用は、変数間の逆相関を明らかにし、水洗源からの横方向の距離が長く、水洗後の時間が長いほどバイオエアロゾル濃度が低下し、横方向の距離が短く、水洗後の時間が短いほどバイオエアロゾル濃度が上昇した。これは図6で明らかで、dと tの両方が同時に増加するとBCが減少し、逆にdと tの両方が同時に減少するとBCが増加する。

図6

曝露に関連するバイオエアロゾル濃度に対するdと tの相互作用を示す表面プロット。

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トイレ洗浄がトイレ環境の空気質に及ぼす影響

13回の無作為連続洗浄実験を行った結果、トイレ洗浄後の相対湿度濃度に有意な変化が観察された。モニタリング期間中、トイレ洗浄直後の相対湿度（補足図S1参照）が上昇していた。その後、トイレ洗浄を開始してから約10分後に、相対湿度は徐々に低下した。

曝露関連バイオエアロゾル濃度予測モデル

式（4）は、曝露関連バイオエアロゾル濃度決定のために経験的に導き出された簡易予測モデルを示している。

$$BC=82.39+1.11{e}^{-5}C-87.96d-1.44t-0.61{e}^{-5}Cd-0.01{e}^{-5}Ct+1.83dt+10.28$$

(4)

予測モデルは非常に有意であった(p < 0.0001)。R2は0.72、修正R2は0.68であった。

考察

スクリーニングデザインの結果、研究された因子のうち、C、d、t、vのみが暴露に関連するバイオエアロゾル濃度に影響を与える上で有意であることが明らかになった。便器内の病原体濃度が高くなると、より多くの病原体が空気中に放出され、表面上の微生物負荷が増加し、吸入または表面接触による病原体曝露のリスクが高まる可能性がある4,7。洗浄後時間が経過すると、曝露に関連するバイオエアロゾル濃度は、重力沈降や周囲の空気中への拡散などの自然プロセスにより減少する1。機械換気システムは空気交換に不可欠であり、汚染された空気を新鮮な空気と交換することで、バイオエアロゾル濃度を低下させる。これらのシステムのHEPAフィルターは、バイオエアロゾルを含む浮遊粒子を効果的に捕捉する24,43,44。便器からの距離は、バイオエアロゾル濃度に大きく影響する。バイオエアロゾルは、便器からの距離が短いと拡散・希釈する余地が少なくなるため、濃度が高くなる。逆に、バイオエアロゾルは便器からの距離が長いほど効果的に拡散し、濃度が低くなる。この現象は、以前の研究4,54,55で指摘されたように、水洗後に便座付近の表面が汚染される現象を解明するものである。この研究では、トイレのふたが開いているか閉じているかは、バイオエアロゾル濃度に大きな影響を及ぼさなかった。このことは、ふたの位置決めだけではバイオエアロゾル濃度を低減させる効果的な手段ではないことを示唆しており、他の寄与因子の関与を示唆している。この所見は、相反する証拠を示している既存の文献と一致している。蓋を閉めるとバイオエアロゾルレベルが低下すると報告している研究がある一方56,57、シートと蓋の間の隙間がバイオエアロゾルを逃がす可能性があると主張している研究もある8。さらに、その後のトイレ使用中に蓋を持ち上げたり調節したりすると、特に洗浄エネル ギーが高いトイレ（400kPaまたは50psiを超える粒子のない水がトイレに供給される）1,25 では、封じ込められたバイオエアロゾルが乱れる可能性がある。スクリーニング実験では、交絡因子を無視して主効果を評価するため、C、d、t、またはvとバイオエアロゾル濃度との間に非線形関係が生じる可能性がある。洗浄後の経過時間や側方距離のような要因は、換気や気流の影響を受ける拡散や希釈と密接に結びついているため、スクリーニング結果だけに頼るのは不十分である。これを解決するためには、完全要因分析によるさらなる調査が重要であった。

完全要因分析において観察された主効果の大きさのばらつきは、測定方法の感度に起因しており、C、t、dは機械的換気よりも顕著な効果を示した。とはいえ、バイオエアロゾルレベルの低減における機械的換気の役割は極めて重要である。機械的換気の重要性は、これまでの研究でも強調されており、排気換気が有効な場合、トイレのプルームバイオエアロゾルに関連した感染症の疾病負担が2倍減少することが示されている58。これは、新鮮な空気の交換と空気の流れが、空気の停滞とバイオエアロゾルの蓄積を緩和するためである。人の出入りが多い公衆トイレでは、こうした要因によって曝露に関連するバイオエアロゾル濃度が上昇する24,59。暴露に関連するバイオエアロゾルに対する機械的換気の主効果が、C、 t、およびdと比較してあまり顕著でないことから、換気だけではバイオエアロゾル濃度を有意に低減できない可能性も示唆される。機械換気の有効性は、気流速度、方向、洗浄源に向かう分布、空気清浄プロセスによって影響される可能性が高いが、今回の研究では調査していない要素である。

C×dの相互作用から、洗浄後の便器に最も近い位置にいる人は、潜在的に上昇したバイオエアロゾル濃度にさらされるリスクが高いことが推測される。この発見は、トイレ洗浄後のバイオエアロゾルの拡散と空間的濃度分布の複雑な動態に光を当て、曝露リスクの評価と効果的な緩和戦略の開発における距離の極めて重要な役割を強調している。糞便中の病原体濃度をコントロールすることは難しいかもしれないが、より広い意味での意義は、トイレプルームバイオエアロゾルへの曝露を低減するための物理的距離対策を提唱することにある。距離と濃度の相互作用を考慮し、便器に最も近い表面の徹底的かつ定期的な清掃を優先する清掃手順の厳格化など、的を絞った介入策を実施することができる。さらに、公衆トイレの設計には、便器に隣接した清掃が容易で抗菌性のある表面を取り入れ、曝露を最小限に抑えるべきである。効果的な換気は、バイオエアロゾルの希釈と除去に不可欠であり、トイレの換気システムは、特に便器に近い部分でバイオエアロゾルを効果的に捕捉・除去するために、局所的に最適化することができる。

C×t相互作用は、飛沫の沈降、微生物の生存率、バイオエアロゾルの拡散の複合効果を反映し、暴露に関連するバイオエアロゾル濃度に総合的に影響する。トイレが洗浄された直後、初期のバイオエアロゾル濃度は顕著に上昇するが、時間の経過とともに、いくつかの微生物の生存率は著しく低下する。これは、洗浄中のエアロゾル化によって引き起こされる乱気流、換気の効率、および本研究で使用したC. difficileのような嫌気性微生物にとって好ましくない環境条件に起因すると考えられる32,54,55,60。時間が経過するにつれて、トイレ環境内の効果的な換気は浮遊バイオエアロゾルの乾燥を助け、その生存能力を低下させ、バイオエアロゾル濃度を低下させる。さらに、トイレ内の気流は浮遊バイオエアロゾルの分散と希釈に寄与する。これは、トイレのプルーム・バイオエアロゾルによる健康リスクは、洗浄後0～15分 の間に高くなり、35分経過したあたりで耐えられるようになることを示す先行研究と一致している24。曝露に関連するバイオエアロゾルのピーク濃度は、通常、洗浄後10分以内に起こる。これは、より大きな飛沫が速やかに沈殿し40,61,62、便器付近の表面を汚染するためである。その結果、バイオエアロゾル濃度に寄与する空気中飛沫の数は、時間の経過とともに著しく減少する。C×tの相互作用効果から、重要な時間間隔や洗浄後の曝露ピーク時間帯に的を絞った介入が必要であることが示唆される。適時の洗浄および消毒プロトコルは、洗浄後に放出される初期のバイオエアロゾル濃度を減少させることができる。さらに、トイレ洗浄水中の残留消毒剤を維持することで、便器内に排出される病原体の濃度を下げることができ、感染性バイオエアロゾルの発生を抑えることができる。換気の改善は、このような相互作用による効果のもう一つの意味合いであり、時間とともに変化するバイオエアロゾル濃度と飛散パターンに対応するために、風量を調節する必要がある。EU規格EN16798-1では、効果的な換気のために、隔離された空間での換気量10 L/s/人または排気ファンの連続運転を推奨している54。この規格を換気システム設計に組み込むことで、トイレの換気をより正確に調節し、バイオエアロゾルの伝播ダイナミクスの変化に対応することができる。この相互作用効果により、水洗後のバイオエアロゾル濃度に影響を及ぼす細菌濃度、時間、および環境因子の相互作用が浮き彫りになったが、曝露に関連するバイオエアロゾル濃度に影響を及ぼす特定の環境条件、細菌種、およびその他の因子を調べるには、実験設定の包括的な分析が不可欠である。

交互作用項、t×dは、時間と横方向の距離の両方が暴露に関連するバイオエアロゾルの濃度にどのように影響するかを明らかにする。この相互作用は、便器からの横方向の距離が異なると現れ方が異なることから、トイレ環境におけるバイオエアロゾルの拡散には、これらの変数間の複雑な相互作用があることが示唆される。トイレが洗浄されると、バイオエアロゾルが放出され、周囲の空間に拡散する。時間の経過とともに、これらのバイオエアロゾルは拡散し、洗浄源から遠ざかる。この拡散速度は、気流24,43,44、乱流、物理的障壁などの要因に左右される。当初、バイオエアロゾルの濃度は、洗浄源に近いため、横方向の距離が近いほど高くなる。しかし、洗浄後の経過時間が長くなるにつれて、バイオエアロゾルの乾燥と輸送における気流の影響が明らかになり、バイオエアロゾルの濃度が低下する。これらの知見は、時間が経過し、サンプリング地点が水洗源から遠ざかるにつれて、細菌性バイオエアロゾルが急速に減少することを示した先行研究と一致している37。t×dの相互作用は、距離が短いほど顕著で、バイオエアロゾルが散乱する時間が長くなり、横方向への移動距離が長くなるにつれて希釈されるため、時間の経過とともに濃度が急速に低下する。短距離でのバイオエアロゾル濃度を緩和し、その拡散を妨げるには、局所排気システムまたはバイオエアロゾルを迅速に除去できる高効率エアフィルターを備えた、より高い換気率が不可欠である。この研究では、tの主効果はdと Cの主効果に比べてより顕著な効果を示した。特に、60分後には、横方向の距離と細菌濃度の重要性は減少する。

無作為化水洗実験から、水滴が増加し、トイレ環境の水分レベルが上昇する。これにより、水洗直後の相対湿度レベルが上昇する。相対湿度が高いと、バイオエアロゾルの乾燥が長引 き63 、エアロゾル化した多くの病原体の持続性と生存性が助長され、空気中での生存時間が延び、感染症伝播のための吸入や表面堆積のリスクが高まる可能性がある38。さらに、相対湿度が高いと、汚染された表面（フォマイト）からの病原体の移動効率が高まるため、フォマイトを介した感染リスクが高まる39。バイオエアロゾルの伝播挙動およびエアロゾル化する可能性のある病原体の生存率に対する相対湿度の影響から、室内環境における相対湿度をヒトの健康に推奨される40～60％の範囲内に管理することの重要性が浮き彫りになった64,65。これは、除湿機、適切なHVACシステム、または空気交換と湿度管理を促進する換気戦略を用いて達成することができ、潜在的病原性バイオエアロゾルへの曝露に関連する健康リスクを最小限に抑えることができる。不十分な換気と相対湿度の上昇の組み合わせは、カビを含む病原体を含んだバイオエアロゾルの温床となる。したがって、本研究の結果に基づくと、使用頻度が高く、頻繁に水洗される公衆トイレは、潜在的に有害なバイオエアロゾルにさらされるリスクが高い可能性がある。

曝露に関連するバイオエアロゾル濃度について経験的に導き出された簡易予測モデルのR2および調整済みR2は、バイオエアロゾル濃度の変動の大部分がモデルで説明されていることを示唆している。この研究では、トイレ洗浄後のバイオエアロゾル曝露リスクの上昇に、さまざまな要因がどのように寄与しているかを調べた。この研究では、便器に排出される病原体の濃度、トイレからの距離、洗浄後の経過時間、トイレ環境の機械換気システムに焦点を当てた。この研究から重要な知見が得られたが、曝露に関連するバイオエアロゾル濃度を予測するために使用したモデルの限界を認識することが重要である。

サンプリングと分析方法の厳密な較正と標準化にもかかわらず、バイオエアロゾルのサンプリングと芽胞の列挙技術には固有のばらつきがあり、C. difficile芽胞の測定濃度に不確実性をもたらす可能性がある。この変動性はバイオエアロゾル研究における一般的な課題であり、測定を繰り返し、確立されたプロトコルを遵守することで、可能な限り軽減された。加えて、湿度や空気交換のわずかな変動は、管理された環境のため最小ではあるが、バイオエアロゾルの拡散と生存に影響を与えたかもしれない。暴露に関連するバイオエアロゾル濃度を予測するために開発された経験的モデルは、特定の実験条件と要因に基づいている。このモデルは貴重な洞察を提供する一方で、異なる環境、特に自然換気や様々な居住パターンを持つ環境に適用することは、その一般化可能性に関して不確実性をもたらす可能性がある。病原性バイオエアロゾルの代用として非毒素性のC. difficile芽胞を使用することで、安全な実験が可能になるが、同様の条件下での他の病原体の挙動に関する不確実性も生じる。異なる病原体の耐性と生存率は大きく異なる可能性があり、異なる微生物間での我々の知見の適用性に影響を及ぼす可能性がある。

バイオエアロゾル発生に関与する要因が非常に多様であることを考慮すると、モデルの適合性は適切であるが、残存データには若干の適合性の欠如があり、これはバイオエアロゾルの発生と気流が非常に変動的で複雑であり、単一のモデルで完全に捉えることが困難であることを示している。したがって、バイオエアロゾルの発生と伝播現象の理解に有意義に寄与する、文献で強調されている統計的に有意な要因に焦点を当てることがより適切であった。本研究は、トイレ洗浄後のバイオエアロゾルの動態に関する知識の拡大に貢献し、将来の研究がこれらの不確実性をより包括的に構築し、対処するための基盤を提供する。

さらに、予測モデルは完全には当てはまらないかもしれないが、新たなパターン、関係、さらなる調査に値する領域を明らかにした。本研究で実施された分析では、バイオエアロゾル暴露のリスクの高まりを理解する上で極めて重要な、統計的に有意な因子が特定された。具体的には、病原体濃度、便器からの横方向の距離、洗浄後の経過時間がバイオエアロゾル暴露リスクに大きく寄与していた。これらの知見は、病原体濃度が高く、側方距離が短く、水洗時間が短い場合にバイオエアロゾル暴露リスクが高くなることを示した先行研究4,23,30,58,66と一致している。この研究で示された数値は、バイオエアロゾル濃度が上昇する可能性のある閾値を標準化したものではないことを強調しておく必要がある。その代わり、本研究で明らかになった傾向に意義がある。

結論

トイレ洗浄後のバイオエアロゾルの伝播に関する本研究の実証的調査から、バイオエアロゾル暴露リスクの形成に最も影響力のある要因に関する重要な洞察が得られた。相互作用分析により、バイオエアロゾル濃度は病原体負荷と近接性（C×d）の組み合わせに最も大きく影響され、最も近い距離で遭遇するバイオエアロゾル濃度が最も高く、便器に排出される細菌濃度が最も高いことが明らかになった。バイオエアロゾルの生存能力（C×t）の時間的動態は、濃度が最高値まで急上昇し、その後、機械的換気と自然拡散メカニズムが効果を発揮するにつれて減少する、洗浄直後の重要な窓をさらに強調する。時間と洗浄源からの横方向の距離（d×t）の関係は、バイオエアロゾル濃度の低減における距離と時間的経過の有効性を強調し、空気の質を促進する上での機械的換気の重要性を強調している。さらに本研究は、トイレ洗浄が一時的な湿度変動を引き起こすことを示し、湿度を安全なレベルに維持することでバイオエアロゾルの生存率と関連する健康リスクを低減する機械的換気の役割を強調した。この研究結果は、バイオエアロゾル暴露を軽減するために、強化された換気システム、戦略的な施設設計、厳格な清掃プロトコルを統合することを提唱している。さらに、トイレの蓋の位置がバイオエアロゾルレベルに及ぼす影響はごくわずかであることから、既存の推奨事項の再評価が促され、より複雑な要因の相互作用についてさらなる調査が必要であることが示唆された。バイオエアロゾルの動態に関する定量的で豊富な分析を提供することで、本研究は、共同トイレ環境におけるバイオエアロゾルのリスクを管理する上で、より効果的な公衆衛生戦略の開発に向けて貴重な知見を提供するものである。今後の研究では、バイオエアロゾル暴露リスクと緩和戦略のより全体的な理解を深めるために、利用者の行動や手洗い、性別、体重、身長、服装、トイレの使用時間、トイレのデザイン、自然換気と機械換気の比較効果、病原体の特徴など、人の存在に関連する変数を追加して、これらの知見を拡張すべきである。今後の研究では、本研究で得られた知見を基に、気流速度、方向、洗浄源に向かう分布、空気清浄プロセスなどの要因が、機械換気の有効性にどのように影響するかを調査することも必要である。

本研究の結果は、SDGs3、6、11の目標を支持し、その実施に向けた洞察を提供するものである。トイレプルームバイオエアロゾルへの曝露に寄与する要因を特定することで、本研究は、公共エリアにおける衛生習慣とインフラの改善に役立ち、その結果、重要な環境衛生上の課題に対応するための十分な情報に基づいた意思決定と行動を促進することができる。

データの利用可能性

本研究で処理されたデータは、論文および補足情報に含まれている。実験から収集した生のデータセットは、合理的な要求があれば、対応する著者から入手可能である。

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謝辞

著者らは、この研究を支援してくれたラフボロー大学の研究学生制度に感謝している。本論文で述べられている見解は著者らのものである。

著者情報

著者および所属

  1. 英国レスターシャー州ラフボロー、ラフボロー大学建築・土木工学部
    エリザベス・N・パディ、オルワソラ O. D. Afolabi & M. Sohail

貢献

E.N.P.は、着想、実験の設計と実施、統計分析と解釈、図の作成、原稿執筆と編集に貢献した。O.O.D.A.およびM.S.は、本研究の構想および設計に貢献し、管理および材料面での支援、監督、原稿の批評および編集を行った。著者全員が最終原稿を読み、承認した。

責任著者

Elizabeth N. Paddyまで。

倫理申告

競合利益

著者らは競合する利益はないと宣言している。

追加情報

出版社からのコメント

シュプリンガー・ネイチャーは、出版された地図の管轄権の主張および所属機関に関して中立を保っている。

補足情報

補足情報。

権利と許可

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転載と許可

この記事について

この記事の引用

Paddy, E.N., Afolabi, O.O.D. & Sohail, M. Exploring toilet plume bioaerosol exposure dynamics in public toiletts using a Design of Experiments approach. Sci Rep 14, 10665 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-61039-w

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  • 2024年1月11日受領

  • 2024年4月30日受理

  • 2024年5月09日発行

  • DOIhttps://doi.org/10.1038/s41598-024-61039-w

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