包头工业城市大气降水化学特征与微生物多样性耦合机制及其健康风险研究

本研究系统揭示了干旱半干旱工业城市（包头）大气降水化学特性（高离子负荷，以Ca2+、NH4+、SO42?为主）对微生物群落结构、组装机制（随机过程占主导，NST>0.5）及功能潜势（FAPROTAX/FUNGuild预测）的驱动作用，首次提出"真菌主导型"健康风险新范式，为区域大气污染调控与公共卫生风险管理提供理论依据。

　　

化学特征与采样设计

研究于2023年5月至8月在包头市省级环境监测站（40.6181°N, 109.9169°E）采集12场降水样本，采用离子色谱法系统分析pH值、电导率及Ca²⁺、NH₄⁺、SO₄^2?等9种离子浓度。结果显示降水呈中性（pH=7.04±0.14），但离子总负荷达795.09±94.68 μeq·L^?1，显著高于中国背景值。离子组成呈现"沙尘-农业-工业"复合污染特征：Ca²⁺（27.56%）反映沙尘输入，NH₄⁺（21.57%）关联农业活动，SO₄^2?（17.35%）源自工业排放。月际动态显示6月离子峰值与沙尘频发期重合，8月SO₄^2?浓度最高（233.78 μeq/L）暗示光化学反应增强。

微生物多样性格局

通过16S/18S rRNA基因高通量测序，从过滤膜样本中获得642,089条细菌序列和717,049条真菌高质量序列，聚类为6,144个细菌OTUs（操作分类单元）和3,211个真菌OTUs。Alpha多样性指数（Simpson、Shannon、ACE、Chao1）表明微生物丰富度无显著月际差异，但Beta多样性分析（PCoA基于Binary-Jaccard距离）揭示群落结构存在显著月度更替（ANOSIM检验：细菌R=0.586, p=0.002；真菌R=0.448, p=0.008）。Venn图显示仅有38个细菌OTUs（<1%）和68个真菌OTUs（2%）为各月共有，5月特有OTUs数量最多，体现群落时空异质性。

群落组成与环境驱动

优势菌门包括Pseudomonadota（平均相对丰度33.51%）、Bacteroidota、Bacillota等，真菌以Basidiomycota和Ascomycota为主。属水平上，甲基杆菌属（Methylobacterium_Methylorubrum）、Massilia、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）为细菌优势类群，真菌以Cystobasidium、枝孢属（Cladosporium）、链格孢属（Alternaria）为主导。LEfSe分析发现5月群落富集土壤来源类群（如Syntrophomonadaceae），8月则以耐辐射类群（如Acidimicrobiia）为主。典范对应分析（CCA）表明臭氧（O₃）是细菌群落主要驱动因子（R²=0.581, p=0.024），而真菌群落对降水pH响应显著（R²=0.538, p=0.032）。Spearman热图揭示特定类群与环境因子的关联，如枝孢属与温度呈正相关（r=0.623, p<0.05），暗示热适应性策略。

生态组装机制

基于Bray-Curtis距离的标准化随机性比率（NST）分析显示微生物组装以随机过程主导（细菌NST>0.5，真菌>0.5）。iCAMP（infer Community Assembly Mechanisms by Phylogenetic-bin-based null model analysis）模型进一步量化生态过程贡献：细菌群落中漂变（Drift, 42.11%）和扩散限制（Dispersal Limitation, 37.40%）占比最高，真菌同样以漂变（46.97%）和扩散限制（39.10%）为主。生态位分析表明真菌比细菌具有更宽的生态位宽度（p<0.05）和更高的生态位重叠度（p<0.0001），反映真菌采取泛化策略应对环境波动，而细菌通过特化生态位减少竞争。

功能潜势与健康风险

FAPROTAX功能预测显示细菌主要参与碳循环（ chemoheterotrophy占27.32%）和氮循环（ureolysis占21.93%），其中尿素水解功能与NH₄⁺浓度峰值同步，可能缓解铵盐毒性。FUNGuild分析表明真菌功能以腐生（Saprotroph, 48.03%）和病原性（Pathotroph, 48.24%）为主，共生型（Symbiotroph）仅占3.61%。病原微生物筛查发现真菌潜在病原菌丰度（0.1027–0.2420）显著高于细菌（0.0106–0.1418），形成"真菌主导型"健康风险格局。6月细菌风险以芽孢杆菌属（Bacillus）为主，8月真菌风险突出，枝孢属（0.1150）和链格孢属（0.0534）等高致敏菌属与夏季过敏性疾病高发期吻合，对呼吸系统疾病患者构成潜在威胁。

讨论与展望

研究首次系统阐明了干旱工业城市大气降水化学-微生物耦合机制：随机过程（扩散限制、漂变）奠定群落基础，确定性因子（离子浓度、臭氧、pH）进行二次筛选，形成月际演替模式。真菌的广适性策略与细菌的特化性策略共同维持生态系统功能稳定性。高丰度真菌病原体提示需建立季节性健康风险预警体系。未来研究需结合多年连续观测与空间多点采样，深化污染物溯源与微生物传输路径解析。