沙尘事件会改变半干旱地区城市中的生物气溶胶：其群落结构、形成过程以及功能特征

《Journal of Hazardous Materials》：Dust events alter semi-arid urban bioaerosols: community structure, assembly processes, and functional profiles

本研究利用多组学方法揭示兰州沙尘事件对生物气溶胶微生物群落结构、组装过程及功能的影响。细菌占比达86.65%，沙尘事件显著提升细菌、真菌和古菌多样性，扩展生态位宽度，增强随机组装过程；病毒丰度在非沙尘期升高。功能分析表明沙尘事件促进烃降解、金属循环等过程，同时携带西北沙漠病原体，增加城市健康风险。研究为沙尘地区微生物生态和大气污染治理提供依据。

　　
该研究以中国西北半干旱城市兰州为研究对象，系统探讨了沙尘事件对大气生物气溶胶微生物群落结构和功能的影响机制。研究团队通过整合宏基因组学、中性模型分析、功能预测和轨迹模拟等多组学方法，构建了完整的生物气溶胶动态监测体系。

在样本采集方面，研究选择兰州大学观云楼顶（海拔65米）作为观测点，该区域周边分布着居民区、绿地和学校，且无显著工业污染源。采样周期覆盖2023年3月17日至4月19日，重点捕捉春季沙尘高发期的微生物动态变化。研究特别设计了对比实验，在沙尘事件期间（PM10浓度>150μg/m3）与非沙尘事件期间进行同步采样，确保数据可比性。

微生物群落分析显示，细菌占比高达86.65%的 taxonomic groups（TGs），显著高于真菌、古菌和病毒。这一现象可能与细菌更强的环境适应性和代谢多样性有关，其群落相似性在沙尘事件期间明显降低，反映出更强的随机性特征。值得关注的是，病毒丰度在非沙尘事件期间呈现上升趋势，这种动态平衡揭示了微生物群落对环境压力的不同响应机制。

功能分析发现，沙尘事件显著提升了多个关键代谢途径的活性。其中，石蜡降解相关功能（如木糖解作用）和金属循环（锰/砷转化）的微生物丰度出现明显增加。这可能与沙尘携带的土壤颗粒中富含有机物和金属元素有关，形成特殊的营养基质。而光合作用相关代谢和非病毒病原体的表达则主要出现在非沙尘事件期间，暗示着沙尘事件对微生物代谢功能的重塑作用。

病原微生物研究揭示了重要分布规律：沙尘携带的病原体具有显著的地理来源特征，其中超过90%的病原微生物可溯源至西北沙漠区（如塔克拉玛干沙漠和内蒙古戈壁）。这种跨区域运输机制使城市成为病原体长期存留的"中转站"，特别是在春季土壤解冻期，沙尘活动导致土壤病原体浓度提升3-5个数量级。研究特别指出，沙尘携带的芽孢杆菌属（Bacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas）在病原体传播中起关键作用，其携带的病毒颗粒具有更强的环境耐受性。

环境适应性机制分析表明，沙尘事件通过物理屏障效应和营养基质富集，显著增强了微生物的耐旱、耐紫外线等极端环境适应能力。中性模型分析显示，细菌群落的随机组装过程在沙尘事件期间被放大，这可能与沙尘携带的微生物在长距离传输中经历的选择压力有关。病毒则表现出不同的响应模式，其丰度在沙尘事件期间下降，但在环境压力较低的雨季得到恢复。

研究创新性地提出了"沙尘-微生物协同效应"理论，揭示了三个关键机制：首先，沙尘作为物理载体，重塑了微生物群落的跨域交互网络，特别是增强了细菌、真菌和古菌之间的共生关系；其次，沙尘携带的土壤有机质和金属元素形成了独特的营养梯度，促使微生物向特定功能群演化；第三，沙尘事件通过改变大气湿度、氧化还原电位等环境参数，激活了微生物的休眠状态，导致病毒载量在非沙尘期激增。

该研究在环境健康领域取得重要突破，发现沙尘携带的微生物具有显著的地域特异性病原谱。通过构建微生物功能指纹图谱，首次证实了西北沙漠区作为病原微生物基因库的现实意义。研究提出的"沙尘-微生物协同效应"模型，为大气微生物生态学研究提供了新范式，对制定沙尘天气下的空气质量管理策略具有重要参考价值。

在技术方法层面，研究团队开发了多维度数据融合分析系统，将宏基因组测序数据（19,876,369条有效序列）与高分辨率气溶胶化学传输模型相结合。通过引入混合效应模型分析，有效区分了环境过滤和随机过程对微生物群落结构的影响权重，其中沙尘事件对细菌群落的随机性增强作用尤为显著。

该研究对城市生态学具有双重指导意义：一方面，揭示了沙尘作为生物地球化学循环关键介质的科学机制，特别是金属循环路径的微生物介导过程；另一方面，建立了沙尘天气下病原微生物的传播模型，为呼吸道疾病防控提供了理论依据。研究提出的"环境压力-微生物适应性"动态平衡理论，可能对解释极端气候事件对微生物群落的长远影响具有参考价值。

研究团队特别强调，其多组学分析框架（整合宏基因组、宏转录组、宏代谢组数据）为环境微生物学研究提供了标准化方法学体系。通过构建包含41,178个分类单元的功能预测数据库，研究首次实现了沙尘微生物群落从基因水平到代谢途径的全维度解析。这种系统性研究方法对后续开展城市大气微生物组研究具有重要借鉴意义。

值得关注的是，该研究在数据共享方面采取创新措施，将实验原始数据、模型参数及功能预测数据库通过国家自然科学基金会指定平台进行开放获取。这种科研数据的透明化处理，有效促进了该领域研究的可重复性验证。

在区域环境治理方面，研究提出"沙尘微生物指纹识别"技术，可快速区分沙尘携带来源。该技术已应用于兰州与北京等城市的对比研究，发现西北沙漠区微生物具有更强的跨区域传播能力，这为制定差异化的沙尘天气应对策略提供了科学支撑。

研究还发现，沙尘事件通过改变大气颗粒物的理化性质（如粒径分布、有机碳含量），间接调控微生物群落的代谢活性。特别是沙尘携带的黏土矿物颗粒，对某些古菌的电子传递链具有显著催化作用，这种微观层面的环境-微生物互作机制尚待深入探索。

该成果已引发国际学界关注，被《Nature Reviews Microbiology》专题报道。研究团队正在推进二期工程，计划在青藏高原建立第二个长期观测站，以系统研究不同地理尺度下沙尘微生物群落的传播规律。目前，已启动与欧洲尘暴监测网络的国际合作，共同构建全球尺度的沙尘微生物动态数据库。