高湿地区住宅墙体内表面菌种识别及动态环境下生长特性研究

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霉菌孢子可能引起呼吸道疾病,其毒素也对人的肝肾功能有损伤。作为室内表面积最大的结构,墙体内表面对霉菌在室内的增长起重要作用。研究霉菌在不同墙体内表面材料上的生长特性可以使我们更加清楚室内所需要调节的工况从而避免霉菌的滋生。本文以重庆市为代表,首先通过实地调研的方法获得了重庆市人居环境的典型室内工况和住宅空气中常见菌种类型,随后根据调研获得的成熟霉菌图像研发了一种菌种识别方式,然后在常见壁面材料上接种了两种优势菌种,使其在两种典型工况下生长,分析不同工况或材料对它们生长的影响,最后结合可见霉斑灰度均值完善了霉菌生长的评价模型。研究首先通过对重庆市主城区33户家庭进行现场调查,通过采集现场灰尘、空气孢子并逐分监测家庭一天24小时的温湿度变化情况,来获取重庆市主城区室内常见菌种类型以及实验生长工况。根据灰尘DNA测序结果可知,从属类分析,有12.7%为曲霉,占比最大,其中38.48%为帚状曲霉,占曲霉属的比例最大,因此选取它为实验菌种之一;同时根据空气采样培养的图片结果,发现浓度最高的几个菌种依次为黑曲霉、青霉菌、白曲霉、帚状曲霉、黄曲霉、白色链霉菌等,因此选取了黑曲霉作为另一种实验曲霉菌种。通过对空气样本中的真菌孢子在恒温恒湿箱中培养,获得了433张成熟菌种图像。以这些图像为基础,结合计算机视觉YOLO算法,设计了一个可以识别菌种的工具。YOLOv5是一种检测精确、速度快的检测算法,能够从一张图中识别出不同种类的物体,并确定其位置坐标。为了验证其效果,根据菌落的分布状态和个体大小分为四组,分别为“大而密集的菌落”,“大而稀疏的菌落”,“小而密集的菌落”,“小而稀疏的菌落”。结果显示,从菌种来看,黑曲霉的识别精确度最高,其平均精度均值(Map)为72.7%,其次为白霉菌(70%)、黄曲霉(46.5%)和青霉菌(36.0%),对于帚状曲霉和白色链霉菌的识别效果较差;从形态分类来看,较为成熟的、生长较为稀疏的菌落识别的效果最高(F1-Score:0.531),密集的小菌落效果最差(F1-Score:0.356)。根据温湿度调研结果将重庆市住宅内一天的温湿度分为高温高湿和低温高湿两种工况,并分别确定每时每刻的温湿度平均值作为两种实验工况。随后根据住宅入户测试调研结果,选择三种占比较高的墙体表面材料:石膏、乳胶漆和纯纸墙纸。在该三种生长基质上接种两优势菌种,并在上述两种工况下进行培养,利用Open CV计算机视觉库对各样本的面积占比进行统计。结果显示:高温高湿工况下,黑曲霉更容易在石膏上面生长(1.134%),其次是乳胶漆(0.963%)和纯纸墙纸(0.756%);而低温高湿工况下,黑曲霉几乎不在石膏(0.156%)和乳胶漆(0.241%)上产生霉斑,而纯纸墙纸(1.699%)则长势较好。高温高湿工况下,帚状曲霉在纯纸墙纸(0.177%)上霉斑生长趋势明显,其次是乳胶漆(0.100%)和石膏(0.053%);而在低温工况下,乳胶漆(0.002%)和墙纸(0.031%)上的霉斑极少,石膏(0.144%)则反而相较高温有所增长。最后,为了弥补霉菌污染等级的判断仅仅局限于面积的变化这一缺点,在此加入了霉斑灰度均值这一变量。通过对比分析发现:高温高湿工况下,黑曲霉在纯纸墙纸上的灰度变化最大(31.53),乳胶漆变化量最小(12.42);低温高湿工况下,石膏上的黑曲霉在统计初期就有着远超另外二者的发育速度,且优于同时期高温工况的数据(27.25),乳胶漆的变化量无太大变化(18.5),而墙纸上黑曲霉的发育则受到了抑制(26.25)。帚状曲霉在高温高湿工况下的灰度变化统一优于低温高湿,且乳胶漆的对比最明显。根据上述研究内容,本文所提出的菌种识别方案能够帮助建筑技术研究快速识别菌种,另外在评估霉菌生长特性时通过面积和灰度均值综合评价了霉菌生长的污染程度,旨在为重庆市室内工况调节和壁面材料的选择提供指导,从而更好地保障人居环境健康。
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