甄 泉,方治國,王雅晴,歐陽志云

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 1000852 中國科學院大學,北京 1000493 蚌埠醫(yī)學院 公共衛(wèi)生學院,蚌埠 233030 4 浙江工商大學 環(huán)境科學與工程學院,杭州 310018

微生物氣溶膠是指懸浮于空氣中的細菌、真菌、病毒以及它們的副產(chǎn)物等所形成的膠體體系[1]。細菌是微生物氣溶膠的重要組成部分,在PM2.5和PM10的生物組分中,其相對百分比可達80%以上[2-3]?？諝庵械募毦饕獊碓从谧匀唤绲耐寥?、水體、動植物以及人類的工農(nóng)業(yè)活動等[4],其在維持生態(tài)平衡和調節(jié)氣候變化中起著重要的作用[5]。然而,空氣中存在的病原菌可通過呼吸道或破損皮膚進入人體,對人類健康造成嚴重的危害。氣傳嗜肺軍團菌(Legionellapneumophila)曾多次導致軍團菌病在人群中的暴發(fā)流行[6],氣傳金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等機會致病菌可引發(fā)破損皮膚和局部組織甚至全身范圍的感染[7- 8]。因此,研究空氣細菌特征及動態(tài)變化規(guī)律,對控制和減少氣傳疾病,維護人類健康有著重要的理論和實際意義。

近年來,以高濃度細顆粒物(PM2.5)污染為主要特征的霧霾天氣已成為我國環(huán)境保護的焦點問題。霧霾天氣下空氣流動慢,較差的擴散條件導致空氣中細顆粒物等污染物迅速積累,并且導致空氣濕度增高、能見度降低和太陽輻射強度減弱。氣象條件和顆粒物理化性狀的改變可能對空氣細菌特征產(chǎn)生影響[2,4,9- 13],因此,霧霾空氣中細菌特征可能會發(fā)生顯著變化,其潛在的健康風險需重新評估。論文從群落結構、濃度變化及粒徑分布的角度,探討了霧霾天氣對空氣細菌特征的可能影響,并結合了霧霾天氣相關疾病的發(fā)病率,綜合評價了霧霾天氣空氣病原菌導致的人群潛在健康風險的變化,最后提出了以前研究存在的不足及未來的發(fā)展趨勢。

1 霧霾天氣對空氣細菌特征的影響

1.1 對細菌群落結構的影響

霧霾空氣中可培養(yǎng)的優(yōu)勢細菌屬主要有微球菌屬(Micrococcus)[2,14- 16],芽孢桿菌屬(Bacillus)[17-18],假單胞菌屬(Pseudomonas)[18- 20],葡萄球菌屬(Staphylococcus)[14- 16],不動桿菌屬(Acinetobacter)[19,21],乳酸球菌(Lactococcus)[18,20]等(表1)。

霧霾天氣對空氣細菌群落結構是否產(chǎn)生影響,目前的研究尚存爭議,不同科研人員獲得的研究結果不同。西安市霧霾空氣中可培養(yǎng)細菌奈瑟氏菌屬(Neisseria)的相對豐度升高,葡萄球菌屬(Staphylococcus),微球菌屬(Micrococcus)濃度降低[14- 16]；青島市空氣細菌DGGE檢測發(fā)現(xiàn),兩種天氣下凝膠電泳條帶的位置和亮度明顯不同[19,21]；重度霧霾天氣空氣中變形菌門(Proteobacteria)相對豐度增加到88.9%(非霧霾天為34.9%),厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度減少到3.9%(非霧霾天為24.3%)[3],這些研究表明霧霾空氣中細菌組成和群落結構發(fā)生了顯著變化。然而,北京[11,20]和濟南[18]等地利用高通量測序研究霧霾和非霧霾空氣細菌的變化卻得到相反的結果。濟南市空氣中的優(yōu)勢細菌屬為乳酸球菌屬(Lactococcus),芽孢桿菌屬(Bacillus),假單胞菌屬(Pseudomonas),嗜冷桿菌屬(Psychrobacter)[18],北京市的優(yōu)勢細菌屬為乳酸球菌屬(Lactococcus),假單胞菌屬(Pseudomonas),明串珠菌屬(Leuconostoc)[20],這些菌屬的相對豐度在霧霾和非霧霾天氣中沒有發(fā)生明顯改變。

霧霾天氣不能改變北京市[20]、濟南市[18]空氣細菌組成和群落結構,表明霧霾環(huán)境對空氣細菌影響較?。欢靼瞇19,21]、青島市[3]的調查均顯示霧霾天氣下空氣細菌的優(yōu)勢物種及其相對豐度反生改變,體現(xiàn)不同細菌類群對霧霾特殊環(huán)境適應性差異。西安市霧霾空氣中細菌種類增多,Shannon指數(shù)增高,可能是較高的空氣濕度及顆粒物中營養(yǎng)物質有利于微生物生存和繁殖所致[19,21]；而青島市由非霧霾天到重度霧霾天的發(fā)展過程中,OTU數(shù)目,chao1、Shannon、Simpson指數(shù)不斷下降,表明大量細菌類群因不能適應霧霾環(huán)境減少或消失[3]。

表1 霧霾天氣下空氣細菌群落結構變化特征

1.2 對細菌濃度的影響

霧霾天氣不同城市空氣中可培養(yǎng)細菌濃度在102—104CFU/m3(表2),其中,青島市[23]、北京市[24-25]為102—103CFU/m3,西安市[14- 16,26- 28]為103—104CFU/m3,而使用不可培養(yǎng)法DAPI染色法[23]和定量PCR法[11,18]測定的空氣細菌濃度,其結果均較可培養(yǎng)方法高出103個數(shù)量級,達到105—106拷貝數(shù)/m3。

表2 霧霾天氣下空氣細菌濃度的變化規(guī)律

霧霾天氣對空氣細菌濃度的影響,目前的研究結果也不同。北京市霧霾日空氣細菌濃度較非霧霾日高6倍[20]；青島市霧霾日空氣微生物濃度7.09×105拷貝數(shù)/m3,高于非霧霾日(6.55×105拷貝數(shù)/m3)[23]；西安市霧霾天氣下空氣細菌濃度為1102.4—1736.5 CFU/m3,顯著高于非霧霾天氣(497.7—629.0 CFU/m3)[14],該市其他學者[15-16,26- 28]也得到霧霾天氣下空氣細菌濃度更高的結果。然而,北京市一些學者的研究卻得到相反的結果,Zhen等[11]發(fā)現(xiàn)北京市秋季空氣細菌濃度與PM2.5顯著負相關,胡凌飛等[29]調查發(fā)現(xiàn)非霧霾日空氣細菌濃度為325 CFU/m3,霧霾日下降至118 CFU/m3；高敏[25]、Gao[24,30-31]等也發(fā)現(xiàn)霧霾日空氣細菌較低。此外,青島市春季[32]、北京市冬季[11]的研究顯示,空氣細菌濃度與PM2.5無明顯相關性,不能確定霧霾對空氣細菌濃度的影響。

支持霧霾空氣中細菌濃度升高的學者認為,高濃度的顆粒物吸附了更多的細菌[14-15,20,23],且太陽輻射殺菌作用的減弱[14],使得更多的細菌進入空氣并存活下來。此外,較高的空氣濕度[14-15]和顆粒物中的營養(yǎng)物質可能也有利于微生物生存和繁殖[15]。支持霧霾空氣中細菌濃度降低的學者則認為,霧霾中高濃度有毒有害物質可損傷細菌[24,29,31],導致其死亡率升高,霧霾天氣下細菌內毒素濃度達到12.4 EU/m3,較非霧霾天高出2倍[20],也傾向于這種可能機制的存在。

1.3 對空氣細菌粒徑分布的影響

粒徑大小決定了顆粒物進入人體呼吸系統(tǒng)后沉積部位[33],是人體暴露及后續(xù)危害評價的重要參數(shù)。Anderson六級采樣器具有采集粒徑范圍寬、采集效率高、操作簡便等優(yōu)勢,在研究空氣細菌粒徑分布中被廣泛應用[34]。眾多學者調查了空氣細菌粒徑分布,研究表明正常天氣室外空氣細菌粒子呈偏態(tài)分布,主要分布在大粒徑顆粒物上[14-15,24,29- 31,35- 38]。北京市非霧霾天氣55%—80%的空氣細菌分布在>2.1 μm(第1—4級)的大顆粒物上[24],西安這一比例達到79.7%[15]。

霧霾天氣對空氣細菌粒徑分布規(guī)律及變化趨勢的影響,目前的研究結果也并不完全一致(表3)。北京[24-25,29,31]、西安[27]等地的研究顯示,霧霾天氣下空氣細菌粒徑的偏態(tài)分布規(guī)律沒有改變,多數(shù)細菌仍主要分布于大粒徑上。胡凌飛[29]和Gao[31]調查了北京市霧霾天氣下<5 μm的細菌氣溶膠比例及中值直徑,與非霧霾天沒有顯著差異,表明霧霾天氣沒有改變空氣細菌粒徑分布；而Gao[24]、高敏[25]、李婉欣[27]的研究表明,隨著霧霾程度的增加,北京市、西安市細細菌粒子比例逐漸下降,細菌粒子的中值直徑顯著增加,細菌氣溶膠粒徑分布向粗顆粒遷移。西安[14- 16,26,28]、青島[32]等地另一些調查卻發(fā)現(xiàn),霧霾天氣下1.1—2.1 μm的細菌小粒子比例升至最高[14-15,32](約25.0%[14]),表明霧霾天氣空氣細菌的粒徑分布規(guī)律發(fā)生了明顯改變。霧霾天氣細菌的中值直徑在(1.96±0.29) μm,非霧霾天氣為(2.32±0.12) μm[15],霧霾天氣下細菌粒徑分布有變小的趨勢[15-16,26,28]。

支持霧霾空氣中細菌粒徑分布變大的學者[25,27,32]將原因歸結為霧霾天氣下高濃度的小顆粒物碰撞和聚集,形成較多的大粒徑顆粒。支持霧霾空氣中細菌粒徑分布變小的學者[14-15]認為原因可能是霧霾天氣大粒徑團聚物比例的減少,以及獨立懸浮于空氣中細菌個體增加。此外,細顆粒物成分可能為微生物生長提供營養(yǎng)也促進微生物在細顆粒物上的比重的增加。

表3 霧霾天氣下空氣細菌粒徑分布的變化規(guī)律

*以上研究均使用Anderson采樣器采樣,培養(yǎng)計數(shù)分析 (CFU/m3)

1.4 不確定性分析

霧霾天氣對空氣細菌群落結構、濃度變化及粒徑分布的影響及其可能機制,目前尚存諸多不確定性。霧霾天氣下高濃度的細顆粒物是否攜帶大量細菌？顆粒物成分及氣態(tài)污染物是促進細菌生長還是損傷細菌活性？不確定性可能受到細菌采集、檢驗及鑒定方法的影響,傳統(tǒng)培養(yǎng)法計數(shù)鑒定損失了90%以上不可培養(yǎng)細菌信息[5],生物標記法可能受多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbon,PAH)、二次有機氣溶膠(secondary organic aerosol,SOA)等非生物化合物發(fā)射的熒光干擾[20],不同分析方式可能檢測到不一致的細菌類群和濃度。不確定性還可能受城市氣候類型、地域環(huán)境,采樣點交通狀況、植被覆蓋,采樣季節(jié)、時段,霧霾程度及化學組分,大氣溫度、濕度、壓強等環(huán)境因子影響[4],這些環(huán)境因子的不同配置綜合作用于空氣細菌,使得其變化方式更加錯綜復雜,難以判定。

Zhen等[11]對比發(fā)現(xiàn)大氣污染物與氣象因素對北京市空氣細菌濃度和群落結構的相對影響發(fā)現(xiàn),同一季節(jié)內細菌特征的變化由氣象因子主導,大氣污染物的影響較小,非霧霾日氣象條件的差異及PM2.5、O3、SO2、NO2等大氣污染物與氣象因子的共線性可能是導致研究結果不一致的重要原因。從這個角度回顧表1—3研究,一些結果也印證了這種可能性,武麗婧[19]發(fā)現(xiàn)霧天、霾天空氣細菌群落結構極為相似,而與晴朗天氣差異很大；西安市非霧霾日空氣細菌濃度更低[14],可能與其選擇在陰雨天有關。目前學者在調查霧霾天氣下空氣細菌特征變化時,主要關注于PM2.5或AQI對空氣細菌的影響,相對忽視了氣象因素、時空差異的重要性。然而,空氣細菌特征變化是諸多環(huán)境因子綜合作用的結果,識別各階段的主導環(huán)境因子可能是深入理解霧霾空氣中細菌特征變化的重要途徑。因此,今后的研究應側重于長期監(jiān)測以涵蓋更多的時間及氣象變化,同時,研究應擴展到很多的城市類型,只有在比較分析大量研究結果的基礎上,才有可能剝除干擾因素,揭示潛藏在深處的內在規(guī)律,以及探尋出更深層次的原因。

2 霧霾空氣中的病原細菌

雖然霧霾天氣空氣細菌群落結構、濃度變化和粒徑分布如何變化尚未得到一致的結果,但現(xiàn)有北京[39]、西安[14]、杭州[40]、青島[19,41]等地的研究表明,霧霾空氣中細菌物種多樣性較非霧霾空氣顯著增加,病原細菌的種類可能也隨之增加。霧霾空氣中發(fā)現(xiàn)的病原細菌屬主要有：葡萄球菌屬 (Staphylococcus),不動桿菌屬 (Acinetobacter),假單胞菌 (Pseudomonas),鞘脂單胞菌屬 (Sphingomonas),鏈球菌屬 (Streptococcus),奈瑟菌屬 (Neisseria) 等[14- 16,18,20-21,40],同一屬內可能包括非致病菌種。胡亞東等[17]通過分離純化,研究了北京和保定霧霾空氣中的細菌群落結構,其中蠟樣芽胞桿菌 (Bacilluscereus),地衣芽孢桿菌 (Bacilluslicheniformis),枯草芽孢桿菌 (Bacillussubtilis),氧化節(jié)桿菌 (Arthrobacteroxydans) 屬人類病原菌；Gao等[9]將Miseq序列blast到種的水平,共發(fā)現(xiàn)18種病原細菌,豐度最高的是屎腸球菌 (Enterococcusfaecium) 和大腸桿菌 (Escherichiacoli),其次有瘡皰丙酸桿菌 (Propionibacteriumacnes),陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae),表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis),銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa) 等；Cao等[2]利用宏基因組測序的方法鑒定了霧霾空氣中微生物組成,48種優(yōu)勢類群中潛在病原細菌有坐皮膚球菌 (Kytococcussedentarius),約氏乳桿菌(Lactobacillusjohnsonii),產(chǎn)氣莢膜梭菌(Clostridiumperfringens),施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzeri),嗜麥芽窄食單胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia) 和白色擬諾卡氏菌(Nocardiopsisalba)。學者們在評估空氣細菌健康風險時,更關注病原菌的鑒定及相對豐度的高低,卻忽略了細菌毒力強弱和其侵染途徑。致病力強的病原菌即使低豐度也可導致疾病,而致病力弱的病原菌則需要較高濃度才能引起感染。人體直接暴露于空氣的部位主要是呼吸道和皮膚,如果空氣病原菌不是通過這兩種途徑侵入,其健康風險也會顯著降低[7- 8,42]。

表4是空氣中可能通過呼吸道或皮膚侵入人體并有較廣泛臨床表現(xiàn)的病原細菌。表中的病原細菌均屬于機會致病菌,它們的致病力較弱,且在總細菌群體中相對豐度較低?？諝庵械募毦^大多數(shù)是對人體無害的非病原菌[2],Woo等[48]研究表明病原細菌僅占細菌總數(shù)的0.48%,Gao等[9]的研究結果為3.61%。霧霾天氣某些病原菌的相對豐度增加,如肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumonia)從輕度污染的0.012%增加到重度污染的0.05%[2]。隨著霧霾天氣的增多,呼吸道感染病例呈逐年上升趨勢[54]。劉丹等[55]發(fā)現(xiàn),霧霾中的細顆粒物與人角質細胞的過敏反應密切相關。霧霾天氣中病原細菌對人體健康危害的增加,一方面與霧霾天氣下病原細菌的種類和相對豐度的增加有關,另一方面也與霧霾天氣人體免疫力的下降密切相關。

表4 幾種通過呼吸道和皮膚侵入人體的重要空氣病原菌

霧霾天氣中累積的高濃度細顆粒物和化學毒物對人體免疫系統(tǒng)的破壞是加重空氣病原菌危害的重要原因。致病菌侵入人體時,首先要穿透人體的屏障結構。(1)皮膚和粘膜的物理屏障：皮膚表層由較厚的結構致密的扁平上皮細胞組成,并含有不易被微生物降解的角蛋白阻擋致病菌穿透,粘膜表面有多種附件和黏液層以阻擋致病菌的粘附定植[42]。大氣污染物誘導炎癥反應和隨后的呼吸道粘膜及皮膚屏障的損傷[55- 58],破壞了皮膚和粘膜的完整性,為病原菌入侵打開一個缺口,有利于病原菌侵入人體；(2)微生物屏障：呼吸道粘膜和皮膚上寄居著大量細菌、真菌,正常菌群構成的菌膜屏障是人體抵御外籍菌侵入的重要防御系統(tǒng)。正常菌群通過與致病菌競爭粘附部位和營養(yǎng)物質,或者產(chǎn)生抗菌物質等方式,抑制外籍菌的粘附與繁殖,以保持人體的微生態(tài)平衡[42]。大氣污染物可能改變皮膚微生物群落[57],同時對呼吸道菌群的定植有明顯影響[59],可能導致呼吸道微生態(tài)失調[60-61],機會致病菌大量繁殖,誘發(fā)呼吸道和皮膚的感染發(fā)病。除了破壞屏障結構,大氣污染物對人體內吞噬細胞、補體、細胞因子等均有損傷[56],意味著病原菌侵入后,人體對病原菌清除能力降低,因而更容易導致疾病。一些臨床證據(jù)也表明,霧霾天氣下呼吸道感染[62],蕁麻疹[63]等病例顯著增加。

此外,霧霾天氣中的化學組分對病原微生物致病力的影響可能也是霧霾天氣下呼吸系統(tǒng)、皮膚感染病例增加的重要原因。Hussey等[64]發(fā)現(xiàn)霧霾空氣常見組分炭黑,能顯著改變肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumonia) 和金黃色葡萄球菌 (Staphylococcusaureu) 的生物膜結構、組分和功能,并調整生物膜對蛋白質降解和多種抗生素的抵抗力,增加了肺炎鏈球菌對青霉素(治療肺炎鏈球菌首選藥物)的抗性,這些研究表明霧霾空氣中除了顆粒物、有毒化學物質等導致的健康風險增加,來自于病原菌的潛在健康危害也在增加。

綜上所述,空氣中病原菌主要由條件致病菌組成,它們在空氣中含量很低。霧霾空氣下部分病原菌相對豐度增加,大氣污染物可增強某些病原菌的致病力。霧霾天氣中高濃度的細顆粒物和化學污染物可損傷皮膚黏膜屏障,打破呼吸道、皮膚的微生態(tài)平衡,為病原菌侵入創(chuàng)造機會。兩者的協(xié)同作用,顯著增加了霧霾天氣空氣中病原菌的健康風險。

3 存在的問題與研究展望

3.1霧霾天氣主要發(fā)生在中國和印度等發(fā)展中國家,近些年來才得到科研人員的高度重視,目前霧霾空氣中微生物特征的研究還不夠充分,僅在我國少數(shù)城市開展了相關的研究,在很多關鍵問題上還未有一致性的研究結果,應進一步開展霧霾天氣空氣微生物特征的研究。

3.2不同空氣微生物的采樣和分析方法,結果難以進行比較。培養(yǎng)法研究低估了空氣微生物的種類和數(shù)量,而高通量測序技術無法得知微生物活力,不同方法相結合,對于探知空氣微生物的健康危害,可能會更加準確。

3.3高通量測序通量大,用其結果鑒定病原菌能真實反映物種分類及豐度信息,但目前使用Silva或Greengenes數(shù)據(jù)庫很難比對到種級別,因此需要創(chuàng)建完善的致病菌數(shù)據(jù)庫,或建立新的通用分析方法。

3.4現(xiàn)有研究多關注霧霾空氣中病原菌對呼吸系統(tǒng)可能的健康危害,忽略了皮膚暴露的健康風險研究,應建立相關研究體系,完善預防方案。

3.5空氣病原微生物多為條件致病菌,對病患人員、嬰幼兒、老人等免疫力較低的易感人群危害最大。霧霾天氣下醫(yī)院血液科空氣消毒凈化效果較晴天差[65],醫(yī)院內感染風險可能增加。因此,霧霾天氣下應進一步加強醫(yī)院、幼兒園、養(yǎng)老院等室內環(huán)境的空氣致病菌污染監(jiān)測,同時應完善空氣微生物評價指標,為有效預防空氣微生物健康危害提供理論支撐。