大氣生物氣溶膠的源排放與源解析研究進(jìn)展

李彥鵬，馬天峰，杜勝利，謝雯文，張皓月，謝錚勝

(1. 長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

生物氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成成分之一，通常是指空氣動力學(xué)直徑小于100 μm且含有微生物或來源于生物性物質(zhì)的氣溶膠，主要包括細(xì)菌、真菌、病毒、塵螨、花粉和細(xì)胞碎片等[1-2]。自然界中，微生物普遍存在于土壤、水體、動植物表面等環(huán)境介質(zhì)中，在外界擾動作用下會以氣溶膠的形式不斷地排放到空氣中，形成微生物氣溶膠。由于其體積小，質(zhì)量輕，易于通過空氣介質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散和遠(yuǎn)距離輸送，再經(jīng)過損傷的皮膚、黏膜、消化道及呼吸道侵入機(jī)體, 從而引起和增加人類皮膚過敏、呼吸道感染、哮喘、心血管疾病和慢性肺部疾病等的發(fā)病幾率, 對人類健康造成巨大威脅[3-5]。近10多年來，SARS、甲型H1N1流感和新冠肺炎(COVID-19)等對社會與經(jīng)濟(jì)造成重大影響的流行性疾病，都與生物氣溶膠的源排放和傳播密切相關(guān)。除了人體健康效應(yīng)外，生物氣溶膠一方面可以通過吸收和反射太陽輻射與地面長波輻射，進(jìn)而直接影響氣候,另一方面作為云凝結(jié)核(CCN)和冰核(IN)導(dǎo)致云滴和冰晶的形成，從而間接影響全球氣候變化[6-10]。

很明顯，生物氣溶膠對傳染病、公共衛(wèi)生、大氣環(huán)境、氣候變化、生物反恐等眾多方面均具有重要影響。因此，近20年來，生物氣溶膠的研究迅猛發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域的論文逐年遞增，儼然成為目前氣溶膠領(lǐng)域最活躍的研究熱點和前沿之一。圖1統(tǒng)計了過去20年國內(nèi)外在生物氣溶膠領(lǐng)域所發(fā)表的論文數(shù)量(數(shù)據(jù)庫為Web of Science，關(guān)鍵詞為Airborne Microorganism或Bioaerosol, Bioaerosol Source，數(shù)據(jù)截至2021年2月)。從圖1可見，有關(guān)生物氣溶膠的論文呈逐年遞增趨勢，2000年大約發(fā)表了10余篇，而到2010年就突增到320篇以上，最近5年每年發(fā)表論文都在400篇以上。這些研究主要集中在生物氣溶膠的采樣監(jiān)測、時空分布、消殺防護(hù)及其環(huán)境與健康效應(yīng)等方面，而關(guān)于生物氣溶膠來源的研究相對少很多，目前每年不足40篇。基于此，本文主要聚焦大氣中微生物的來源，綜述生物氣溶膠的自然源和人為源及其影響因素的研究現(xiàn)狀，探討解析生物氣溶膠來源的定性與定量方法，以期為深入了解生物氣溶膠的輸送變化與時空分布，以及更好地監(jiān)控病原體的氣溶膠傳播與散布提供參考。

數(shù)據(jù)來源于Web of Science圖1 已發(fā)表的關(guān)于生物氣溶膠的論文數(shù)量Fig.1 Number of Published Articles on Bioaerosols

1 生物氣溶膠來源

大氣環(huán)境一般不具備微生物生存所需的營養(yǎng)條件，通常只是微生物的臨時寄居場所，而不是源。因此，空氣中微生物含量和群落組成在很大程度上取決于生物氣溶膠的來源?？傮w上來說，生物氣溶膠的產(chǎn)生包括自然排放(土壤、植被、水體等)和人類活動(人類、養(yǎng)殖場、污水處理廠、醫(yī)院等)，也就是自然源和人為源(圖2)。

圖件引自文獻(xiàn)[1]和[10]圖2 生物氣溶膠的來源及其大氣循環(huán)Fig.2 Sources and Atmospheric Circulation of Bioaerosols

1.1 自然源

自然界中存在的微生物，通常來自土壤、水體和植物表面等環(huán)境介質(zhì)[11-12]。土壤中的微生物群類具有種類多、物種多樣性極度豐富的特點[13]，是大氣生物氣溶膠重要的自然源。土壤中富含豐富的有機(jī)質(zhì)，適合微生物生長和繁殖，是微生物生長的天然培養(yǎng)基，因此，土壤擁有繁雜的微生物種群。研究表明，在森林土壤中，土壤原核細(xì)胞(無細(xì)胞核的生物，包括細(xì)菌和古生菌)數(shù)量約為4×107cell·g-1，而在其他土壤(包括沙漠和農(nóng)耕土壤)中，原核細(xì)胞數(shù)量約為2×109cell·g-1[14]。在風(fēng)力作用下，大量土壤微生物可以被氣溶膠化釋放到大氣中。Cao等研究表明，北京冬季空氣中的昏暗地嗜皮菌相對豐度很高，而該菌就常存在于干燥的土壤環(huán)境中[15]。Nuez等發(fā)現(xiàn)馬德里空氣中的某些致病細(xì)菌(如棒狀桿菌屬、腸球菌屬、軍團(tuán)菌屬和玫瑰單胞菌屬等)大部分來源于土壤[16]。Qi等研究表明，土壤向空氣中釋放了大量的子囊菌和擔(dān)子菌，是生物氣溶膠中真菌的主要來源之一[17]。此外，降雨可以促進(jìn)土壤釋放生物氣溶膠顆粒進(jìn)入大氣。在雨滴撞擊土壤表面的過程中形成了含有土壤細(xì)菌的氣溶膠，一滴雨滴可以使接觸的土壤中0.01%的細(xì)菌排放進(jìn)空氣里。Joung等綜合考慮氣溶膠化率、細(xì)菌平均表面密度、全球陸地面積與降水類型等因素，估算得到全球每年雨滴中傳播的細(xì)菌總數(shù)為(1.2～85.0)×1022[18]。

天然水體(如江河、湖泊和海洋)中也富含多種微生物，在泡沫和波浪破碎時，會形成大量的生物氣溶膠，在風(fēng)力和水力等其他外力作用下進(jìn)入大氣[4]。據(jù)報道，在東海海面上空的原核微生物濃度為(1.0～10.0)×104cell·m-3[19]；西北太平洋黑潮延伸區(qū)空氣中細(xì)菌濃度為(1.0～10.0)×104cell·m-3，平均存活率為93%[20]；東京上空的細(xì)菌長期受到東京灣海水的影響[21]。這些研究都證明了海洋是生物氣溶膠的重要來源。

此外，空氣中的致敏微生物通常也會來自于動植物的釋放。近年來，越來越多的研究表明，部分動物會成為病毒的中間載體，通過生物氣溶膠向人類傳播疾病[22]。例如， 2019年新冠肺炎爆發(fā)以來，研究人員從食品市場的果子貍分離出來的樣本病毒RNA檢測結(jié)果呈陽性，表明果子貍可能是次要宿主。隨后，馬蹄蝠也被發(fā)現(xiàn)有抗SARS-COV抗體，表明蝙蝠是病毒的傳播源之一[23]。同時，Lu等研究發(fā)現(xiàn)新型冠狀病毒與類SARS蝙蝠病毒的基因組高度相似，支持了上述說法，即關(guān)鍵宿主是蝙蝠[24-25]。蝙蝠釋放的病毒會通過氣溶膠傳播，致使中間宿主(馬、豬、果子貍或非人靈長類動物)患病，進(jìn)而導(dǎo)致人類患病，或直接導(dǎo)致人類感染病毒[22]。禽流感、口蹄疫等來源于其他動物的疾病，同樣會通過氣溶膠傳播，致使人類患病，引發(fā)重大公共安全事件[26-27]。

植物葉片表面通常也附著有許多微生物，它們可以隨風(fēng)遷移至大氣中。據(jù)估計，全球植物圈的細(xì)菌群落由多達(dá)1.0×1026個細(xì)菌組成，平均每平方厘米的葉片上含有(1.0～10.0)×106個微生物[28]。Lymperopoulou等同時采集相鄰有植被和無植被地區(qū)的空氣樣品，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)有植被區(qū)空氣中細(xì)菌和真菌的豐度是無植被區(qū)的2～10倍，且在順風(fēng)時空氣樣品中有超過50%的細(xì)菌可能來自于當(dāng)?shù)刂参颷29]。此外，來自于各類植物的花粉和真菌孢子作為生物氣溶膠的主要成分，在幫助植物進(jìn)行繁殖活動的同時，可能會引起人類呼吸道疾病發(fā)病率的增加[30]。除了對人類健康的影響外，一些植物排放的病原微生物也可以引起植物銹病、霜霉病和白粉病，是造成世界農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重?fù)p失的主要原因[31]。

眾多數(shù)據(jù)表明，生物氣溶膠排放在自然界中的土壤、水體和動植物表面廣泛存在，其排放強(qiáng)度和排放機(jī)制隨來源的不同而顯著不同。迄今為止，人類對生物氣溶膠的自然排放機(jī)制認(rèn)識只停留在風(fēng)力釋放、生物體自身行為以及氣泡破碎等原因，而且關(guān)于各種自然源的排放通量數(shù)據(jù)還十分匱乏。這些未知的自然源排放問題勢必影響人類對大氣微生物的時空分布與動力學(xué)演化規(guī)律的認(rèn)識，也勢必影響人類對其引起的健康風(fēng)險的預(yù)防和控制。因此，充分認(rèn)識各種自然源的排放機(jī)理和獲得排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)，是未來研究的重要方向之一。

1.2 人為源

1.2.1 人類自身

人類自身可以持續(xù)產(chǎn)生并釋放大量生物氣溶膠，造成室內(nèi)外空氣微生物污染及潛在健康風(fēng)險。人體內(nèi)外許多部位都攜帶著多種多樣的細(xì)菌[32]。據(jù)統(tǒng)計，人體表面皮膚和消化道大約攜帶(1.0～100.0)×1012種微生物[33]。如圖3、4所示，當(dāng)人類呼吸、講話、咳嗽和打噴嚏時產(chǎn)生飛沫會形成氣溶膠，這些氣溶膠中就含有大量微生物。Lindsley等研究表明，COVID-19、SARS、流感等呼吸道疾病的病毒主要傳播方式包括患者呼吸、咳嗽和打噴嚏時從口鼻排出帶有病毒的小液滴(即飛沫和氣溶膠)[34-39]。最近，Ma等研究發(fā)現(xiàn)SARS-COV-2病毒可以由患者呼吸直接釋放到空氣中[40]。呼吸釋放SARS-COV-2病毒的速率受到多種因素的影響(如患者活動及年齡等)，患病早期的患者呼吸釋放SARS-COV-2病毒到空氣的速率最大，最高可達(dá)1.0×105個·min-1[40]。這類生物氣溶膠的傳播距離相對較短，在密閉空間可存活較長時間，對人類健康威脅極大。因此，在室內(nèi)環(huán)境中，人類可能是生物氣溶膠的最大來源。

1.2.2 農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動

一些農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動(比如畜牧養(yǎng)殖、垃圾填埋場和污水處理廠等)也會頻繁地排放生物氣溶膠，這是構(gòu)成生物氣溶膠的另一重要來源[41-43]。表1總結(jié)了典型工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場所排放生物氣溶膠的研究結(jié)果。

從表1可以看到，養(yǎng)殖場(如養(yǎng)雞場、養(yǎng)豬場)空氣中生物氣溶膠濃度非常高，為(1.0～100.0)×103CFU·m-3[44]。Theofel等研究發(fā)現(xiàn)從一個家禽養(yǎng)殖場排放的灰塵和生物氣溶膠短距離擴(kuò)散到下風(fēng)向的一個杏仁果園，改變了果園植物葉片表面的微生物群落組成[45]。這項研究為農(nóng)場生物氣溶膠的排放和傳播提供了證據(jù)。同時，這些農(nóng)場的空氣環(huán)境中還能檢測到許多致病菌，包括芽孢桿菌屬(Bacillus)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)和鏈球菌屬(Streptococcus)[44,46-47]。這些菌屬主要來源于動物的排泄物和飼料，顯然這與農(nóng)場從事養(yǎng)殖活動高度相關(guān)。此外，Barberán等研究發(fā)現(xiàn)，寵物(尤其是貓和狗)對室內(nèi)微生物菌群結(jié)構(gòu)有較大的貢獻(xiàn)[48]，在有貓和狗的房間里，分別有24種和56種細(xì)菌群落豐度明顯增加。

污水處理廠也是主要的生物氣溶膠來源。在污水處理過程中，大量的微生物、毒素和代謝物被排放到空氣中，形成生物氣溶膠，并隨著氣流輸送到附近地區(qū)，影響居民健康[49-50]。Xu等研究發(fā)現(xiàn)，污水處理廠空氣中檢測到的細(xì)菌氣溶膠濃度為630～3 900 CFU·m-3，真菌氣溶膠濃度為51～6 900 CFU·m-3[51-52]。此外，污水處理廠內(nèi)各個處理單元微生物氣溶膠濃度存在很大差異。邱雄輝等在西安市第四污水處理廠發(fā)現(xiàn)[53]，細(xì)菌和放線菌氣溶膠濃度最大值出現(xiàn)在污泥脫水車間，而真菌氣溶膠濃度最大值出現(xiàn)在氧化溝，污泥脫水車間細(xì)菌氣溶膠濃度超過《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883—2002)[54]規(guī)定限值的3.1倍。

圖件引自文獻(xiàn)[38]圖3 人咳嗽排出的飛沫生物氣溶膠隨時間分布Fig.3 Distributions of Droplet Bioaerosols by Coughing over Time

圖件引自文獻(xiàn)[38]圖4 人呼吸排出的飛沫生物氣溶膠隨時間分布Fig.4 Distributions of Droplet Bioaerosols by Breathing over Time

與污水處理廠相比，垃圾填埋場的微生物濃度相對較高且含有豐富的致病菌(枯草芽孢桿菌(B.Subtilis)、金黃色葡萄球菌(S.Aureus)、肺炎桿菌(K.Pneumoniae))[43]。垃圾填埋場因是露天場所，對周圍環(huán)境影響遠(yuǎn)大于其他場所。此外，垃圾填埋場不同功能區(qū)的生物氣溶膠濃度存在明顯差異。以空氣微生物氣溶膠總濃度計算，填埋區(qū)微生物氣溶膠最高濃度可超過6 000 CFU·m-3；滲濾液處理區(qū)微生物氣溶膠濃度略低于填埋區(qū)，通常為5 000～6 000 CFU·m-3；生活區(qū)微生物氣溶膠濃度約為3 500 CFU·m-3[55]；已封場填埋區(qū)微生物氣溶膠濃度為136～863 CFU·m-3，在各功能區(qū)中最低[56]。垃圾填埋場周圍空氣中的細(xì)菌氣溶膠濃度也被發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化[42]，夏季空氣細(xì)菌總數(shù)最高，春季和秋季次之，冬季最低。

由此可見，人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動場所排放的生物氣溶膠濃度普遍較高，不同場所排放的生物氣溶膠濃度和組成與該場所從事的生產(chǎn)活動相關(guān)，而且這些場所均發(fā)現(xiàn)了濃度較高的致病菌。因此，全面且系統(tǒng)地研究不同工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動場所中的生物氣溶膠排放特性與散布規(guī)律，是空氣微生物研究的重要內(nèi)容之一，對加深了解污染源、估算污染水平、制定污染控制措施和改善空氣質(zhì)量有重要意義。

2 源解析方法

為了更好地控制空氣質(zhì)量與預(yù)防流行病的傳播，識別生物氣溶膠的來源意義重大。為判斷空氣中微生物的來源，需要準(zhǔn)確地知道每一種微生物的來源及其貢獻(xiàn)率。因此，各種空氣微生物的來源分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。表2總結(jié)了目前氣溶膠中微生物源解析方法的優(yōu)點和局限性，主要微生物來源的識別方法有數(shù)據(jù)庫分析法(DAM)、相關(guān)性分析法(CAM)和模型分析法(MAM)3種。

表1 典型工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場所排放生物氣溶膠特征

通過數(shù)據(jù)庫檢索確定微生物來源是微生物學(xué)常用的一種方法。這種方法可以確定微生物的具體來源，并能夠進(jìn)一步計算各類來源對微生物的貢獻(xiàn)。在日本， Uetake等通過BLAST 檢索和MetaMeta-DB分析發(fā)現(xiàn)空氣中細(xì)菌部分來源于太平洋，為判斷微生物的遠(yuǎn)距離輸送來源提供了依據(jù)[21]。Fan等利用全球微生物目錄(Global Catalogue of Microorganisms,GCM)數(shù)據(jù)庫計算了北京地鐵空氣中微生物的源分布[59]。然而，這種方法并不能反映微生物和當(dāng)?shù)貪撛谠吹木唧w關(guān)系。

為研究不同潛在源與空氣微生物的關(guān)系，Bowers等利用統(tǒng)計學(xué)進(jìn)行分析計算[11,60]。相關(guān)性分析就是最為常見的一種分析方法。這種方法需要對采樣點周圍的潛在源(如土壤、葉片等)樣品進(jìn)行微生物分析，然后通過計算空氣樣本與其他樣本的微生物群落組成的相關(guān)性，定性識別并判斷哪一種或哪幾種潛在源對空氣微生物的貢獻(xiàn)率更高。例如，Bowers等利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)方法，得到葉片表面細(xì)菌群落與空氣中細(xì)菌群落更為接近的結(jié)論[11]。但是，相關(guān)性分析不能準(zhǔn)確定量潛在源的貢獻(xiàn)率。

為了獲得潛在源對空氣微生物的貢獻(xiàn)率，Knights等開發(fā)了Source Tracker模型[61]。該模型是建立在一種通過標(biāo)記基因和功能宏基因組識別污染源和污染比例的貝葉斯算法基礎(chǔ)上的。該模型主要優(yōu)勢是可以彌補(bǔ)主成分分析方法的不足，實現(xiàn)對已知和未知生物氣溶膠源環(huán)境的貢獻(xiàn)率直接定量估計，但該模型只能夠解析已收集的潛在源樣本，且存

表2 不同源解析方法的優(yōu)點和局限性

在計算誤差。Uetake等使用Source Tracker模型對東京上空細(xì)菌來源進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)靠近海岸的空氣長時間受到來自東京灣土壤和海水細(xì)菌的局部輸入[21]。Qi等使用Source Track模型對西安2018年夏季至2019年春季空氣中細(xì)菌和真菌的來源分布進(jìn)行分析(圖5)[17]。從圖5可以看出，西安全年氣載微生物主要來自于葉片表面，其對空氣細(xì)菌的貢獻(xiàn)占總來源的45.0%，對空氣真菌的貢獻(xiàn)占總來源的26.8%，且潛在源的貢獻(xiàn)率受季節(jié)影響不大。此外，通過模型計算還發(fā)現(xiàn)，43.8%的空氣細(xì)菌和63.5%的空氣真菌都來自未知源，推測遠(yuǎn)距離輸送可能也是生物氣溶膠的一個重要來源。

圖件引自文獻(xiàn)[17]圖5 西安空氣細(xì)菌和真菌的來源解析柱狀圖Fig.5 Histogram of Source Identification of Airborne Bacterial and Fungi in Xi’an

此外，為了確定空氣微生物遠(yuǎn)距離輸送的源貢獻(xiàn)，混合單粒子拉格朗日軌跡(HYSPLIT)模型近來被學(xué)者們關(guān)注并采用[62]。Cáliz等在2007～2013年調(diào)查期間利用該模型計算了歐洲西南部比利牛斯山脈中部氣團(tuán)的中心和與每個氣團(tuán)相關(guān)的72 h軌跡相對頻率[圖6(a)]，為確定微生物的遠(yuǎn)距離輸送規(guī)律提供了可靠信息[63]。Qi等利用該模型在中國西安市雁塔區(qū)[圖6(b)]和秦嶺[圖6(c)]得到的反向軌跡顯示，空氣中的真菌和細(xì)菌可能來自其他地區(qū)的中遠(yuǎn)距離輸送[17,64]。

綜上所述，有多種方法可以確定生物氣溶膠的來源。生物氣溶膠的源解析有助于評價和控制微生物污染。因此，有必要進(jìn)一步開發(fā)更精確的微生物源解析方法，以揭示空氣中各種潛在微生物源的貢獻(xiàn)。近年來，蛋白質(zhì)、氨基酸、碳水化合物和脂類等生物成分已被用于識別氣溶膠來源和研究氣溶膠輸送軌跡[65]。此外，氣溶膠中的化學(xué)成分對空氣中的微生物源分布影響尚不清楚，在開發(fā)新的源識別方法時應(yīng)該考慮這個因素。

3 影響因素

3.1 地理區(qū)域

土壤和植物是生物氣溶膠的主要兩種來源。土壤和植物中微生物的結(jié)構(gòu)及物種多樣性具有明顯的地理差異，即生物地理學(xué)差異受多種氣候地貌條件的影響[66-67]，在不同的地理區(qū)域空氣中微生物群落的組成可能會有顯著變化。因此，地理區(qū)域是影響空氣中微生物組成的主要因素之一。

圖(a)引自文獻(xiàn)[63];圖(b)引自文獻(xiàn)[64];圖(c)引自文獻(xiàn)[17]；圖中括號內(nèi)數(shù)據(jù)表示氣流反向軌跡的相對頻率圖6 模型分析結(jié)果:氣團(tuán)中心和與每個氣團(tuán)相關(guān)的反向軌跡相對頻率Fig.6 Model Results: Cluster Centroids and Relative Frequencies of Back-trajectories Associated with Each Cluster

表3比較了世界不同地區(qū)空氣樣本中的微生物群落結(jié)構(gòu)。中國幅員遼闊，地形復(fù)雜，主要氣候類型為大陸性氣候和季風(fēng)性氣候，微生物群落結(jié)構(gòu)相應(yīng)也存在明顯差別。比如，長沙和烏魯木齊的優(yōu)勢菌門為變形菌門(Proteobacteria(相對豐度分別為81.20%和74.10%))[68-69]，而在北京觀察到的較多細(xì)菌為放線菌門(Actinobacteria(28.12%))和厚壁菌門(Firmicutes(19.30%))[70]。此外，不同地理區(qū)域在屬水平上也有明顯的差異。例如，烏魯木齊的優(yōu)勢菌屬為沙雷氏菌屬(Serratia)和代爾夫特菌屬(Delftia)[69]，長沙為叢毛單胞菌屬(Comamonadaceae)和芽孢桿菌屬(Bacillus)[68]，西安為假單孢菌屬(Pseudomonas)[60]，濟(jì)南為乳球菌屬(Lactococcus)[71]，北京為節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)[72]。 世界上其他地區(qū)的地理區(qū)域影響同樣明顯。丹佛位于美國西部，屬于山地氣候，細(xì)菌的優(yōu)勢菌門為變形菌門(Proteobacteria(相對豐度為34.60%))和厚壁菌門(Firmicutes(28.20%))，真菌的優(yōu)勢菌門為子囊菌門(Ascomycota(78.00%))和擔(dān)子菌門(Basidiomycota(21.00%))[11]。希臘塞薩洛尼基[73]和西班牙馬德里[16]屬于地中海氣候類型，這兩個城市的優(yōu)勢菌門為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)，但優(yōu)勢菌門的豐度還存在較大差異。在中國泰山和日本富士山檢測到的細(xì)菌和真菌群落也有很大差異[74-75]，可能與山地氣候、植被類型的差異有關(guān)。此外，海面(西太平洋)上的優(yōu)勢菌門為擬桿菌門(Bacteroidetes)，與內(nèi)陸細(xì)菌群落存在顯著差異[76]。

由此可見，不同地域的生物氣溶膠濃度、組成與微生物的排放源直接相關(guān)，同時也受到不同地理區(qū)域的氣候、地勢、地形等因素的影響。正是由于生物地理差異帶來的不同地區(qū)微生物群落組成多樣性存在顯著差異，才造成了空氣中微生物的群落組成在不同地理區(qū)域有顯著差異[77-78]。

3.2 土地利用類型

土地利用是為了滿足人類生產(chǎn)和生活需要對環(huán)境的一種干預(yù)。在同一地理區(qū)域或行政區(qū)內(nèi)，由于人類干預(yù)方式和干預(yù)程度不同，會導(dǎo)致不一樣的土地利用類型。土地利用可以創(chuàng)造具有特定環(huán)境屬性的“微環(huán)境”，在生物氣溶膠的產(chǎn)生、傳播、氣溶膠化、再懸浮、擴(kuò)散、輸送和分子間相互作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用[79]。

目前，土地利用類型的劃分還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，本文將同一區(qū)域(城市)劃分為市區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)田和森林4種土地類型(圖7)。從圖7可以看出，郊區(qū)、農(nóng)田及森林環(huán)境的微生物總豐度和細(xì)菌群落存在顯著差異[81]，森林中優(yōu)勢細(xì)菌是伯克氏菌門(Burkholderiales)，而城市則是放線菌門(Actinobacteria)。研究表明，人類活動會導(dǎo)致郊區(qū)和山區(qū)的微生物濃度存在明顯差異，并且郊區(qū)和山區(qū)的微生物群落結(jié)構(gòu)在門水平上組成相似，但優(yōu)勢屬各有不同[17,64]。Balyan等發(fā)現(xiàn)，不同用途的城市土地(綠地、居民區(qū)和商業(yè)區(qū))真菌和細(xì)菌生物氣溶膠濃度存在顯著差異，相比之下，商業(yè)區(qū)的細(xì)菌氣溶膠濃度較高，而綠地的真菌氣溶膠濃度更高[82]。此外，城市綠地同樣影響了空氣中的細(xì)菌群落，Bowers等發(fā)現(xiàn)酸桿菌科(Acidobacteriaceae)在綠地的相對豐度較高，而醋桿菌科(Acetobacteraceae)則是停車場的優(yōu)勢菌科[81]。

表3 世界不同地區(qū)空氣樣本中的微生物群落結(jié)構(gòu)

圖(a)中，a、b、c表示是否存在統(tǒng)計學(xué)顯著差異，相同字母表示對應(yīng)土地利用類型之間沒有顯著差異(p>0.05)，不同字母表示對應(yīng)土地利用類型之間存在顯著差異(p<0.05)圖7 不同土地利用類型的生物氣溶膠特征Fig.7 Characteristics of Bioaerosols in Different Land-use Types

農(nóng)業(yè)用地的差異主要是耕作方式和種植的主要作物不同造成的。研究表明，農(nóng)作物采收過程中真菌釋放受糧食和耕地類型的影響[83]，如霉菌毒素(鐮刀菌，F(xiàn)usarium)的出現(xiàn)主要受耕作制度的影響。此外，施肥類型對氣載微生物的影響同樣不容忽視[84]。工廠、污水處理廠、垃圾填埋場、農(nóng)場等人類活動區(qū)域大多位于郊區(qū)，不同的人類活動將產(chǎn)生不同的生物氣溶膠，這些生物氣溶膠還可能對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，并釋放出不同的條件致病菌[46]。森林地區(qū)受人類活動的影響較小，有自己獨特的生態(tài)系統(tǒng)。不同的植物類型在葉片表面有不同的微生物群落，使得森林的微生物群落具有鮮明特征[85]。

上述研究都表明不同土地類型近地面的生物氣溶膠濃度和群落特征明顯，且受潛在源的影響而發(fā)生改變。因此，土地利用類型必定會對空氣中的微生物群落產(chǎn)生重要影響[86]。進(jìn)一步研究調(diào)查不同土地利用類型中空氣微生物的特征，將有助于合理規(guī)劃土地利用格局，控制生物氣溶膠排放對人類的影響。

3.3 環(huán)境條件

生物氣溶膠的群落結(jié)構(gòu)因地區(qū)而異，即使在同一地點的微生物群落結(jié)構(gòu)也會有明顯的季節(jié)差異，這表明微生物群落的結(jié)構(gòu)也受環(huán)境條件(氣象因素和空氣污染等)的影響[87]。

3.3.1 氣象因素

Jones等對生物氣溶膠濃度影響的研究發(fā)現(xiàn)，溫度、濕度、風(fēng)速和太陽輻射均對生物氣溶膠排放有影響[88]。溫度和相對濕度影響了真菌孢子的釋放量，并控制了真菌孢子的釋放過程。與土壤表面的微生物相比，植物表面微生物在較低風(fēng)速下受影響更大，并重新懸浮在空氣中。太陽輻射經(jīng)常起到殺菌作用，降低了空氣中微生物的濃度[89]。此外，降雨也會影響空氣中微生物的濃度。研究表明：雨滴的濺射會從植物和土壤表面釋放出大量的生物氣溶膠顆粒進(jìn)入空氣，增加了微生物的濃度；雨滴還會將生物氣溶膠從高空轉(zhuǎn)移到地表環(huán)境中[90]。

圖8展示了采用Spearman相關(guān)性分析得到的西安空氣中細(xì)菌濃度與氣象因子的相關(guān)性[17]。結(jié)果表明，不同菌屬對不同氣象因子的響應(yīng)不同。大多數(shù)菌屬的濃度水平與溫度、相對濕度、風(fēng)速成正相關(guān)關(guān)系；但也有一些細(xì)菌(如棲熱菌屬(Thermus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和貪噬菌屬(Variovorax))與環(huán)境溫度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。這項研究為進(jìn)一步從特定生物種屬的角度探討生物氣溶膠與氣象因子的關(guān)系提供了依據(jù)。

除了氣象因素，季節(jié)變化也會明顯影響生物氣溶膠的排放。多項研究發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)生物氣溶膠濃度和群落結(jié)構(gòu)具有顯著差異[17,64,91]。

圖件引自文獻(xiàn)[17];TEM表示溫度;RH表示相對溫度;WS表示風(fēng)速;AQI表示空氣質(zhì)量指數(shù)圖8 基于Spearman相關(guān)性分析的西安細(xì)菌優(yōu)勢菌屬熱圖Fig.8 Heatmap of Dominant Bacteria Genera in Xi’an Based on Spearman Rank Correlation

3.3.2 空氣污染

近幾年，Zhen等討論了空氣污染對生物氣溶膠的影響[92]；Xie等觀察到霧霾期間生物氣溶膠濃度較高，但在嚴(yán)重污染天氣生物氣溶膠濃度又有下降趨勢[93]。他們推測霾污染時可能存在互為相反的、影響生物生長的競爭機(jī)制：細(xì)顆粒的載體與促進(jìn)作用以及污染物中化學(xué)物質(zhì)的毒性作用共同決定了空氣微生物的濃度變化。氣態(tài)污染物(SO2、CO)對生物氣溶膠濃度的影響也是有爭議的，仍需進(jìn)一步探索。Zhen等發(fā)現(xiàn)空氣污染物對生物氣溶膠的影響小于氣象因素，這可能是氣相和顆粒相污染物的排放有明顯季節(jié)性的原因[92]?？諝馕廴疚锍擞绊懮餁馊苣z濃度之外，某些氣態(tài)污染物(O3、NOx等)和顆粒污染物還可以與生物氣溶膠中的蛋白類物質(zhì)發(fā)生氧化、硝基化和交聯(lián)聚合等多種化學(xué)反應(yīng)，造成其結(jié)構(gòu)功能發(fā)生改變，從而可能改變其過敏潛力[94-96]。

圖(a)引自文獻(xiàn)[97]；圖(b)引自文獻(xiàn)[17]圖9 環(huán)境因子對生物氣溶膠的影響Fig.9 Effects of Environmental Factors on Bioaerosols

目前，有關(guān)污染物對生物氣溶膠影響的研究大多集中在定性分析上，但人類對于不同類型污染物對生物氣溶膠的定量影響知之甚少。近幾年，兩種定量方法被用于確定環(huán)境因素與生物氣溶膠之間的關(guān)系，即聚合增強(qiáng)樹(ABT)[97]和多元回歸樹(MRT)[17]。Fan等指出大氣污染物對潛在的空氣傳播致病菌有不同程度的影響[圖9(a)][97]，其中PM10和PM2.5是影響顆粒物中潛在致病菌的主導(dǎo)因素，分別占相對影響的27.56%和19.88%。此外，SO2和NO2對PM10(相對影響分別為6.70%、6.79%)和PM2.5(11.36%、11.92%)中的致病菌群落組成也有不同的影響。對于真菌生物氣溶膠，Qi等研究表明，空氣中真菌群落豐度受顆粒物污染水平的影響顯著(相對影響為42.8%)，其次是O3(22.57%)[圖9(b)][17]。

3.4 小 結(jié)

綜上所述，影響生物氣溶膠的因素非常復(fù)雜，目前還沒有一個統(tǒng)一的結(jié)論。因此，進(jìn)一步的研究可以考慮采用更先進(jìn)的統(tǒng)計方法(如自變量篩選、共線診斷、主成分分析等)，重新整合潛在的影響因素，更好地闡明它們之間的相互作用；此外，設(shè)計并開展實驗室煙霧箱實驗以確定單一環(huán)境與污染因素對生物氣溶膠的影響也是十分必要的。

4 結(jié) 語

生物氣溶膠的擴(kuò)散及來源研究對于更好地了解微生物在大氣中的分布，以及與生物氣溶膠有關(guān)的流行病傳播至關(guān)重要。過去的20年中，國內(nèi)外在生物氣溶膠的源特征、源識別和影響因素等方面都取得了一定的成果。然而，關(guān)于生物氣溶膠源的一些重要科學(xué)問題至今仍未解決，需要重視。

(1)生物氣溶膠的排放有自然源和人為源兩大類，其排放量和排放組成受多種因素(如排放源本身、氣象條件、季節(jié)變化、污染條件和土地利用類型)的影響。由于排放方式復(fù)雜，影響因素眾多，目前學(xué)界對生物氣溶膠局部輸入的研究多體現(xiàn)在微生物濃度的變化及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，缺少對不同環(huán)境下生物氣溶膠的排放機(jī)理和排放通量的研究。因此，未來應(yīng)加強(qiáng)不同來源(如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場所、人畜行為、天然土壤水體等)生物氣溶膠排放特性與擴(kuò)散規(guī)律的研究，特別是對自然源排放通量、人為源排放強(qiáng)度的定量研究；與此同時，還應(yīng)對已有的大氣擴(kuò)散模型(如全球化學(xué)氣候模型EMAC)進(jìn)行改良，估算不同生態(tài)系統(tǒng)生物氣溶膠的排放情況。這可以為準(zhǔn)確預(yù)測生物氣溶膠的排放與輸送，評估生物氣溶膠對大氣質(zhì)量和公共衛(wèi)生的影響提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)影響生物氣溶膠源排放的因素眾多而且非常復(fù)雜，這其中土地利用類型、環(huán)境與污染因素的影響不容忽視。已有研究多是生物氣溶膠受自然因素影響的研究，但在室外環(huán)境中影響因素過多，各種因素之間的相互作用較為復(fù)雜，無法得出單一影響程度。因此，設(shè)計并開展實驗室煙霧箱實驗以確定單一環(huán)境與污染因素對生物氣溶膠的影響十分必要；此外，進(jìn)一步的研究還應(yīng)該考慮運(yùn)用更先進(jìn)的統(tǒng)計方法，以期整合潛在的各種影響因素來深入闡明它們之間的相互作用。

(3)除了當(dāng)?shù)氐淖匀辉磁c人為源排放，遠(yuǎn)距離輸送也是生物氣溶膠的一個重要來源。目前，判定生物氣溶膠遠(yuǎn)距離傳播的方式主要是通過反向軌跡模型判定氣團(tuán)走向，從而分析微生物的來源。但這個過程中忽略了生物氣溶膠的大氣轉(zhuǎn)化過程，對生物氣溶膠轉(zhuǎn)化后的人體-環(huán)境氣候效應(yīng)有所忽視。因此，深化對生物氣溶膠遠(yuǎn)距離輸送的研究十分必要。其中，考慮微生物在大氣中可能發(fā)生的化學(xué)變化的擴(kuò)散和輸送模型，對于幫助精確預(yù)測微生物的遠(yuǎn)距離輸送和時空分布意義重大。

(4)目前使用的微生物源解析方法主要有數(shù)據(jù)庫分析法、相關(guān)性分析法和模型分析法3種，但這3種方法都存在一定的局限性，且無法準(zhǔn)確分析微生物的具體來源及潛在源對生物氣溶膠的貢獻(xiàn)。近年來，基于蛋白質(zhì)、氨基酸、碳水化合物和脂類等生物成分作為識別氣溶膠來源的技術(shù)得到了很好的發(fā)展，這些技術(shù)可以有效了解潛在源對生物氣溶膠的貢獻(xiàn)程度，是一種較為精確的微生物源解析方法。開發(fā)更精確的微生物源解析方法，可以更有效地揭示空氣中各種潛在微生物源的貢獻(xiàn)，為精準(zhǔn)控制微生物污染提供科學(xué)手段。

謹(jǐn)以此文慶祝長安大學(xué)七十周年華誕，祝愿長安大學(xué)百尺竿頭，更上層樓！猶記2005年西學(xué)歸國入職長大以來，曾偏安于城南一隅的明德門，常奔波在歡聲笑語的擺渡車，也疾走過光影細(xì)碎的育才路，還徘徊過槐蕊初綻的雁博園，更采樣過風(fēng)雪交加的水工樓，與學(xué)校一道經(jīng)歷風(fēng)雨終見“雙一流”彩虹，幸甚至哉！值此七十華誕，詩以賀之。

七秩長大·七律

七十光陰彈指間，砥礪前行沐春風(fēng)。

三校合并譜新篇，兩地辦學(xué)謀長功。

名師薈萃交地環(huán)，高徒芬芳水路空。

長大一鳴從此始，直上青云跨彩虹。