COVID-19: Performance study of microplastic inhalation risk posed by wearing masks
概要
コロナウイルス感染症2019の世界的な拡大により、フェイスマスクの着用が世界的に新しい正常となっている。
マスク着用によるマイクロプラスチックの吸入はほとんど報告されていない。
本研究では、一般的に使用されている様々な種類のマスクを用いて呼吸シミュレーション実験を行い、マイクロプラスチックの吸入リスクを調査した。
また、様々な処理を施したマスクの再利用によるマイクロプラスチックの吸入についても実験を行った。
サージカルマスク、コットンマスク、ファッションマスク、活性炭マスクは繊維状のマイクロプラスチック吸入リスクが高いが、
想定使用時間内（4時間未満）であれば、どのマスクも概ね吸入リスクを低減できることが示された。
N95は繊維状のマイクロプラスチック吸入リスクが低い。
異なる消毒前処理を施したマスクを再使用すると、粒子状（例：粒状マイクロプラスチック）および繊維状マイクロプラスチックの吸入リスクが増加する可能性がある。
紫外線消毒は繊維状マイクロプラスチックの吸入に比較的弱い影響を与えるので、微生物学的な観点から有効性が証明されれば、マスクの再使用の処理プロセスとして推奨できる。
N95マスクの着用は、非着用に比べ、球状マイクロプラスチックの吸入リスクを25.5倍減少させる。
１．はじめに
コロナウイルス病2019（COVID-19）が全世界に広がる中、顔マスクは多くの国の市民にとって必需品となっている。
サージカルマスクとN95マスクは、COVID-19の感染リスクを低減するために最も有効なマスクと見なされてきた。
しかし、サージカルマスクが不足していることや、使い捨てで使うには比較的高価であることから、サージカルマスクの代わりに綿マスクなどを使っている人もいる。
その結果、マスクを消毒処理した後に再利用したり、単にそのまま再利用したりすることが一般的になっている。
しかしながら、マスクの不適切な使用は、COVID-19の感染リスクを高める可能性がある。
さらに、マスク着用時には、マイクロプラスチックの吸入を考慮する必要がある。
メルトブローファブリックはサージカルマスクの製造に用いられる芯材であり、その主成分はポリプロピレン（PP）である。
メルトブローファブリックの繊維径は約1～5μmであるため、細菌、浮遊粒子、飛沫、エアロゾルを拒絶するのに十分な高い濾過性能を発揮する。
サージカルマスクは3層構造になっている。
表と裏のカバーは繊維径20μm程度のPP製である。
サージカルマスクの中間層はメルトブローンファブリックで、ウイルス除去のコア素材となっている。
前述の素材を用いたマスクの使用・再利用時には、マイクロプラスチックやナノプラスチックが発生する可能性がある。
このような状態は、呼吸を介してマイクロプラスチックを吸引する危険性がある。
マイクロプラスチックは空気中にも存在し、呼吸時に吸い込む可能性がある。
Liuら（2019）は、中国・上海における浮遊マイクロプラスチックの発生源と潜在的なリスクについて調査した。
その結果、浮遊大気中マイクロプラスチック（SAM）はいたるところに分布しており、上海におけるSAMの年間推定重量は約120.72kgであることが示された。
Vianelloら（2019）は、室内空気中のマイクロプラスチックへの人間の曝露をシミュレーションし、
マネキンが24時間で最大272個のマイクロプラスチック粒子を吸入したことを明らかにした。
Abbasiら（2019）は、イランで採取した15gのストリートダストに大きさや形状が異なる900個のマイクロプラスチックと250個のマイクロラバーが検出されたと報告している。
このように、人間の健康を確保するためには、空気中からのマイクロプラスチックの吸入も考慮する必要がある。
このような場合、マスクを着用することで、バリアとして機能し、呼吸時の空気からのマイクロプラスチックの吸入を低減できる可能性がある。
現在、最も一般的に使用されている市販のマスクには、サージカルマスク、N95マスク、コットンマスク、ファッションマスク、活性炭マスク、不織布マスクなどがある。
マスクを着用することで、空気中のマイクロプラスチックやマスクの素材に由来するマイクロプラスチックを吸引する可能性がある。
マスクの一般的な消毒方法には、簡易洗浄、紫外線（UV）照射、送風消毒、アルコール消毒、日光照射などがある。
メルトブローンの生地は壊れやすく、水洗いやアルコール消毒、乾燥は繊維構造を傷つけ、防護機能の低下につながる。
一般的な消毒工程は、マスクの構造を損傷し、マスクから発生する外来物質やマイクロプラスチックを吸引する危険性を高める可能性がある。
本研究では、代表的な市販マスク7枚を選んだ。
異なる種類のマスクを介したマイクロプラスチックの吸入について、模擬呼吸装置を用いて調査した。
また、様々な消毒処理を施したマスクの着用によるマイクロプラスチックの吸入量も調査した。
この研究は、要件に基づいて使用または再利用するマスクを選択するためのガイダンスを提供することができる。
２．材料と方法
2.1 実験設定
本研究では、一般的に使用されている7種類のマスクを選択し、調査を行った（Fig.1）。
N95レスピレータ、サージカルマスク（各社A、B）、コットンマスク、ファッションマスク、不織布マスク、活性炭マスクである。
サージカルマスクと不織布マスクの違いは、その中間層にある。
サージカルマスクの中間層はメルトブローンで作られている。
一方、不織布マスクは、すべての層が不織布繊維でできている。
綿のマスクは綿でできている。
活性炭マスクは、内層と外層が不織布、中間層が活性炭布である。
ファッションマスクは、立体網目構造の有機ポリマーを3層構造にしている。
N95呼吸器は、外層と内層がスパンボンド、中間層3層がメルトブローの5層のPPでできている。
前述のマスクはすべて市販されており、一般的に使用されている。
流量15 L/minの真空ポンプ（ZK290, VMSTR, China）を使用し、テストしたマスクは吸引カップの上にしっかりと固定した（図S1）。
このため，空気中やマスクから濾過されたマイクロプラスチックはすべてカップに排出された。
１回の試験終了後、Milli-Q水を用いて吸引カップを丁寧に洗浄し、排出されたマイクロプラスチックを真空吸引でメンブレンに移した。
また、実験全体を通して、ブランクテスト、マスクなしでの吸引テスト、フィルター膜に空気だけを通すテストも実施した。
メンブレン上に排出されたマイクロプラスチックは、清潔なガラス製培養容器に移し、自然乾燥させた。
その後、顕微鏡でマイクロプラスチックを観察し、数を数えた。今回の実験では、超清浄な実験室では行わず、汚染対策も施していない。
これは、マイクロプラスチック吸入の現実的な状況を反映させるためであり、比較分析のためにブランクテストが設計されている。
異なる消毒工程を経たマスクの再利用によるマイクロプラスチック吸引リスクも調査した。
消毒工程は以下の通りである。
(1）紫外線照射30分（表裏各15分）
(2）アルコール消毒（マスクの両面にアルコールを噴霧し、室内で自然乾燥）
(3）送風消毒（送風機でマスクの両面に熱風を15分吹き付ける）
(4）洗浄（マスク両面を流水で軽く洗浄し、室内で自然乾燥）
(5）日光消毒（外気温35℃の正午に3時間日光下に放置）
また、比較のため、新品のマスクに消毒処理を施さないブランクテストも実施した。
さらに、このマスクを用いて呼吸シミュレーションを行い、マイクロプラスチックの吸入の可能性を調査した。
2.2 マイクロプラスチックの検出
マイクロプラスチックを顕微鏡で観察し、数えた。
典型的なマイクロプラスチックを選択し、ラマン分光法（inVia, Renishaw, the UK）を用いて検査した。
収集されたラマンスペクトルは、785nmのレーザーで100-3200(1/cm)の範囲内で検査された。
そして、サンプルのスペクトルは、特徴的なピークに基づいて参照ライブラリと比較された。
膜上に残ったマイクロプラスチックを試験管に移し、窒素ブロー装置で乾燥させ、0.5 mLの絶対エタノールを加えて1分間ボルテックスした後、
フーリエ変換赤外線（FTIR）分光器（Nicolet 5700, Thermo Fisher）とレーザー赤外線イメージングシステム（8700 LDIR, Agilent）で検査した。
FTIR分析は4000-400(1/cm)の範囲内で、1レプリケートあたり32スキャンで行われ、分解能は4(1/cm)である。
LDIR分析器は、マイクロプラスチックの主な種類とサイズ画分を特定することができる。
LDIRで使用されている技術の詳細な説明は、Scircle et al., 2020、da Costa Filho et al., 2020に記載されている。
スライド上の水溶性サンプル1滴を高速スキャンし、得られた情報をAgilent Clarityソフトウェアのライブラリで自動的にマッチングさせた。
2.3 マイクロプラスチック吸入リスクのランク付け
本研究では、マイクロプラスチックの吸入リスクをランク付けした。
各マスクからカウントされたマイクロプラスチックの量を、並行してテストしたブランクのケースで割った。そして、得られた値を高いものから低いものへと並べた。
また、ランキングも高いものから低いものへと並べた。本研究では、リスクランキングのみを取得した。
2.4 速度論（キネティクス）
マイクロプラスチックの吸入を想定した呼吸シミュレーション試験を2、4、8、24、48、96、120、168、360、720時間、
異なる消毒工程後のマスク再使用試験を2、4、6、8、10、12時間行い、球状と繊維状のマイクロプラスチックを別々に数えた。
球状と繊維状のマイクロプラスチックの蓄積量は、0次反応線形回帰モデルにフィットさせた。
また、各条件下で対応する傾きすなわちk値を算出した。
2.5 統計解析
結果の有意性はANOVAで評価し，P < 0.05を統計的に有意とみなした。
本研究では、SPSS 20.0を使用した。
3. 結果および考察
3.1 マスクの種類によるマイクロプラスチックの吸引リスク
マスクを用いた呼吸シミュレーション実験では、マイクロプラスチックが観察された（Fig.2）。
観察されたマイクロプラスチックは、ほとんどが繊維状と球状であった。
表1に、720時間のマスク呼吸シミュレーション実験における繊維状のマイクロプラスチックの蓄積量を示す。
真空吸引720時間後の繊維状マイクロプラスチックの蓄積量は、活性炭マスクで最も多くなった。
また、マスクを着用しない場合と比較しても、N95レスピレータが最も繊維状マイクロプラスチックの量が少なかった。
マスクなしの場合、720時間の真空吸引で1835個の繊維状マイクロプラスチックが検出された。
これらのマイクロプラスチックは空気中に由来するものであった。
これらの結果から、N95レスピレーターは長時間使用しても、空気中の繊維状マイクロプラスチックの吸入を軽減することができると結論された。
７種類のマスクの使用によるマイクロプラスチック吸入リスクを吸引時間２時間から720時間まで検証した結果、
繊維状マイクロプラスチック量の増加は時間と高い直線相関を示した（P < 0.01）。
N95、サージカルA、コットン、ファッション、不織布、サージカルB、活性炭マスクの連続使用後、およびブランクの場合、
２時間の模擬呼吸に基づく繊維状マイクロプラスチック量はそれぞれ25、38、92、69、47、112、153、172粒子であることがわかった。
吸引時間が24時間未満の場合、活性炭マスクを除くブランクケース（マスクなし）の繊維状マイクロプラスチック量は、マスクありのケースよりも常に多かった。
この研究で使用した活性炭マスクは低価格のブランドであった（すなわち、0.2 RMB/枚、1 RMB ≒ 0.14 USD、他のマスクの価格は表S1に記載）。
研究された活性炭マスクを使用することによってもたらされる繊維状のマイクロプラスチック吸入の高いリスクは、
このマスクの生産に使用される劣悪な材料に起因すると言える（Neupane et al.2019）。
マスクの質の悪い材料は簡単に破損し、発生したマイクロプラスチックを使用者が吸引してしまったのだ。
まとめると、テストしたすべてのマスクは、マスクを着用しない場合と比較して、２時間未満の使用であれば、空気中からのマイクロプラスチックの吸入を減らすのに役立つ。
低品質のマスクを４時間以上着用すると、マスクを着用しない場合よりも繊維状のマイクロプラスチックを吸引するリスクが高くなる可能性がある。
マスクを長時間再使用した場合、N95のみ、マスクを着用しない場合と比較して、繊維状マイクロプラスチックの吸入リスクが低くなる。
再使用のマスクを２時間着用した場合の繊維状マイクロプラスチックの吸入リスクは、
高い方から、マスクなし＞活性炭マスク＞サージカルBマスク＞綿マスク＞ファッション＞不織布マスク＞サージカルAマスク＞N95の順となった。
再使用のマスクを720時間着用した場合の繊維状マイクロプラスチックの吸入リスクは、
高い方から活性炭マスク＞サージカルBマスク＞綿マスク＞ファッションマスク＞不織布マスク＞サージカルAマスク＞マスクなし＞N95の順となった。
このことから、720時間使用したマスクは、使用していないマスクよりも繊維状のマイクロプラスチックが多く、
これらの繊維状のマイクロプラスチックは、ほとんどがマスク自体に由来していることがわかった。
（つづく）
