三种生物气溶胶采样器在细菌多样性检测方面的比较

《Journal of Aerosol Science》：Comparison of Three Bioaerosol Samplers for Bacterial Diversity

生物气溶胶采样器性能比较研究，采用旋转收集器、冷凝生长管收集器和分级撞击器三种设备，在大学校园两个不同地点采集样本，通过16S rRNA测序分析发现采样器类型对细菌多样性、群落组成和浓度均有显著影响，其中冷凝生长管收集器浓度最高但多样性最低，不同采样器均能捕捉到特定环境下的优势菌群，如靠近牲畜饲养场区域农业相关菌群增多。

　　生物气溶胶是大气环境中重要的组成部分，它们在生态系统的功能、空气质量评估以及人类健康等方面发挥着关键作用。然而，对生物气溶胶的准确表征仍然是一个具有挑战性的任务，主要原因是缺乏统一的采样方法。在本研究中，我们比较了三种常见的生物气溶胶采样器——旋转气溶胶收集器、冷凝生长管收集器和级联冲击器，以评估它们在捕获细菌多样性、群落组成和数量浓度方面的性能。这些采样器在大学校园内的两个不同地点进行了测试，目的是了解它们在不同环境条件下对生物气溶胶采样的影响。

细菌群落的分析采用了16S rRNA基因扩增子测序技术。结果显示，三种采样器在生物气溶胶数量浓度和细菌群落组成方面存在显著差异。其中，冷凝生长管收集器记录了最高的整体浓度，但其α多样性低于其他采样器类型。进一步分析了678个被识别的细菌属，发现只有24%的属被三种采样器共同收集，这表明没有任何一种设备能够全面代表空气中细菌的多样性。然而，所有三种采样器都一致地识别出不同地点的关键细菌类群差异，特别是靠近畜牧设施区域，农业相关的细菌属显著增多。这一现象表明，每种采样器能够在不同的环境中捕捉并揭示主导的细菌属。

PERM-ANOVA分析结果显示，生物气溶胶采样器的类型对细菌群落组成的影响大于采样地点。这强调了采样器选择在塑造观察到的微生物特征中的主导作用。总体而言，采样器性能的差异可能受到多种因素的影响，例如颗粒物的大小分布、细菌群落的组成以及采样机制和采样介质等。这些发现突显了在复杂采样环境中选择合适的生物气溶胶采样仪器的重要性，同时也为优化采样方法提供了框架，以提高生物气溶胶研究的准确性和可比性。

生物气溶胶，即含有生物材料的空气颗粒，广泛存在于环境中。它们的来源包括自然因素，如植物和海洋，以及人为活动，如农业、垃圾填埋和污水处理。与土壤和水中的微生物不同，生物气溶胶在释放后迅速稀释，导致其在空气中的浓度较低。这种低浓度往往使人们低估了它们对人类健康影响的重要性，尽管人类每天吸入的空气量远高于水的摄入量。

生物气溶胶在人类健康、大气化学和气候调节中扮演着重要角色。它们被认为是传播传染病和影响呼吸系统疾病的重要媒介。已有研究表明，空气中存在病原性细菌，某些研究将空气中的细菌暴露与头痛、疲劳等症状联系起来。此外，生物气溶胶还通过微生物活动影响大气过程，包括有机化合物的生物降解、与大气冰核的相互作用以及挥发性有机化合物的产生。它们的远距离传播能力进一步扩大了其环境影响，使其能够影响远离其来源的地区。

在生物气溶胶的多种成分中，细菌是其中重要的组成部分，对大气中的微生物多样性做出显著贡献。然而，主导细菌属的组成及其在大气过程中的作用仍然缺乏深入了解。加深对生物气溶胶中细菌成分的认识对于生态系统监测、空气质量评估以及制定缓解策略至关重要。

由于生物气溶胶的复杂性和多样性，需要采用先进的分析技术来全面表征其微生物组成。许多研究已经开展了各种分析方法来识别生物气溶胶，包括传统的培养方法和现代的分子技术。传统培养方法在识别和量化生物气溶胶样本中的微生物方面已被广泛应用，但它们的局限性在于对微生物可培养性的依赖。在自然环境中，大多数微生物无法通过现有的实验室技术成功培养，这导致了对自然环境中真实微生物多样性的低估。因此，采用先进的分子技术，如16S rRNA基因测序，对于全面理解生物气溶胶中的微生物多样性至关重要。这些技术能够详细表征微生物群落，包括不可培养的微生物，并有助于对空气微生物进行准确的系统发育和分类分析。

选择合适的生物气溶胶采样仪器对于准确表征其特性至关重要。生物气溶胶在快速变化的环境因素中表现出多样性，如风、降水和太阳辐射。这些动态特性对采样仪器的可靠性提出了更高的要求，以确保对生物气溶胶的准确检测和量化。尽管标准方法已被广泛用于表征气溶胶的物理和化学特性，但在评估其生物特性方面仍缺乏标准化。这种缺乏标准化的现状给选择最适合的生物气溶胶采样器带来了挑战，因为采样器的选择可能会显著影响所观察到的微生物群落组成和后续分析的结果。

多年来，已经开发了多种生物气溶胶采样仪器，以捕捉生物气溶胶颗粒。鉴于现有采样器的多样性，许多研究已经比较了生物气溶胶采样器，以评估其在准确代表环境样本方面的能力。然而，这些研究往往揭示了生物气溶胶采样器性能的一致性问题。此外，缺乏标准化的生物气溶胶采样仪器也阻碍了不同研究之间数据的比较和解释。这些差异的产生是由于生物气溶胶采样器在收集微生物方面的效率取决于多种因素，包括生物气溶胶的大小分布、微生物的组成以及环境条件。因此，选择合适的采样器对于确保所收集的样本能够准确反映所采样环境的特性至关重要。

本研究旨在通过比较三种常见的生物气溶胶采样器——旋转气溶胶收集器（BioSampler?）、冷凝生长管收集器（SPOT?）和级联冲击器（Sioutas Cascade Impactor, SCI）——为不同环境下的采样器选择提供见解。研究采用了分子技术来分析细菌群落，并识别与每种采样器相关的主导细菌属。这种方法为根据特定环境条件和目标微生物群落选择合适的生物气溶胶采样器提供了基础。通过这种对比，我们能够更好地理解不同采样器在不同环境中的适用性和局限性。

在采样过程中，三种采样器均使用了不同的采样介质。其中，旋转气溶胶收集器和冷凝生长管收集器采集样品时使用了1倍磷酸盐缓冲盐（1X PBS）溶液，该溶液被稀释10倍后使用去离子水。而级联冲击器则使用了不同的介质进行样品采集。这种采样介质的选择可能会影响所采集样品的代表性，因此在选择采样器时需要综合考虑采样介质的特性以及目标微生物群落的需求。

生物气溶胶数量浓度的差异在不同采样器之间表现明显。在本研究中，冷凝生长管收集器记录了最高的平均生物气溶胶数量浓度，而级联冲击器和旋转气溶胶收集器的浓度则相对较低。这一现象可能与采样器的设计和采样机制有关，因为不同采样器对不同大小的颗粒物具有不同的收集效率。例如，级联冲击器通过不同孔径的切割器将颗粒物分为不同的粒径区间，而冷凝生长管收集器则通过冷凝作用捕获颗粒物。这些不同的采样机制可能会影响采样器对生物气溶胶的捕获能力，进而影响所获得的数据。

此外，采样器对细菌群落的捕获能力也受到微生物群落本身的影响。某些细菌可能更容易被特定采样器捕获，而另一些则可能难以被收集。这种差异可能与微生物的物理特性、代谢活动以及对环境条件的适应性有关。因此，在选择采样器时，需要考虑到目标微生物群落的特性，以确保所采集的样品能够准确反映环境中的微生物多样性。

本研究的结果表明，不同采样器在采集生物气溶胶时的表现存在显著差异。这提示我们，在实际应用中，应根据具体的研究目标和环境条件选择合适的采样器。例如，在需要捕捉较大颗粒物的环境中，级联冲击器可能更适用；而在需要捕捉较小颗粒物的环境中，冷凝生长管收集器可能更有效。此外，采样器的选择还应考虑到其对微生物群落的捕获能力，以确保所获得的数据能够准确反映微生物的多样性。

研究还发现，采样器对微生物群落的捕获能力与采样地点密切相关。例如，在靠近畜牧设施的地点，农业相关的细菌属数量显著增加。这一现象可能与该区域的微生物来源有关，例如动物排泄物和土壤中的微生物。因此，在选择采样器时，需要考虑采样地点的微生物组成和环境特征，以确保所采集的样品能够准确反映该区域的微生物多样性。

此外，采样器对微生物群落的捕获能力还受到采样时间的影响。在不同时间段，生物气溶胶的浓度和组成可能会发生变化。例如，在清晨和傍晚，由于温度和湿度的变化，生物气溶胶的浓度可能会有所不同。因此，在选择采样器时，还需要考虑采样时间对结果的影响，以确保所获得的数据具有代表性。

本研究的结果不仅为生物气溶胶采样器的选择提供了科学依据，也为优化采样方法提供了参考。通过比较不同采样器在不同环境下的表现，我们能够更好地理解其适用性和局限性，从而为未来的研究提供指导。此外，这些结果还表明，采样器的选择对于生物气溶胶研究的准确性和可比性具有重要影响，因此在实际应用中应谨慎选择采样器，以确保研究结果的可靠性。

综上所述，生物气溶胶的采样和分析是一个复杂的过程，涉及多种因素。通过本研究，我们能够更好地理解不同采样器在捕捉细菌多样性、群落组成和数量浓度方面的性能差异，从而为选择合适的采样器提供科学依据。这些发现不仅有助于提高生物气溶胶研究的准确性，也为优化采样方法提供了框架，使未来的研究能够更有效地评估生物气溶胶的特性及其对环境和健康的影响。