大都市地铁系统空气真菌组的季节性动态与站点类型驱动模式及其公共卫生意义

本综述系统揭示了北京地铁空气真菌组（mycobiome）的季节动态与站点类型分异规律，发现PM2.5、湿度等环境因子显著影响真菌多样性，且换乘枢纽站（IHS/UHS）富集更多人类病原真菌。研究首次构建了地铁系统真菌病原数据库，为城市生物气溶胶监测和公共卫生风险预警提供了关键数据支撑。

　　

ABSTRACT

地铁系统作为大都市核心交通网络，其空气质量直接影响乘客与工作人员的呼吸道健康。尽管细菌微生物组的研究已较为深入，真菌群落（mycobiome）的动态与组成仍鲜有系统研究。本研究通过对全球第二大地铁系统——北京地铁进行为期一年的空气真菌组监测，揭示了真菌群落受季节变化与站点类型显著影响的规律。研究发现真菌多样性在PM_2.5污染较高的月份显著上升，秋季尤为突出，且人类病原真菌分布达到峰值。换乘枢纽站（如城际枢纽站IHS和城市枢纽站UHS）的病原真菌多样性最高，而郊区站（SUS）最低。核心真菌类群包括广泛分布于土壤和室外环境的真菌（如链格孢属Alternaria和枝孢属Cladosporium），以及潜在植物和人类病原菌（如茎点霉属Phoma和镰刀菌属Fusarium），提示其潜在的公共卫生风险。本研究系统解析了北京地铁真菌组的时空动态及其驱动机制，为感染防控和公共卫生管理提供了科学依据。

INTRODUCTION

地铁系统是城市公共交通的关键组成部分，其密闭空间、高人流密度和稳定的温湿度环境为微生物繁殖提供了理想条件。乘客通过呼吸、体表脱落等方式将微生物释放至环境中，形成独特的地铁微生物组。尽管细菌群落的研究已取得较多进展，真菌作为引起呼吸道感染和过敏反应的重要因子，其在地铁环境中的分布与动态仍未被充分探索。世界卫生组织2022年发布的真菌优先病原体清单进一步凸显了空气中真菌的健康风险。本研究选取北京地铁网络中15个代表性站点（涵盖城际枢纽、城市枢纽和郊区站），通过宏条形码技术全面分析真菌群落的组成、季节动态及环境影响因子，旨在为城市生物气溶胶监测和公共卫生策略提供数据支持。

MATERIALS AND METHODS

研究于2021年10月至2022年9月每月采集北京地铁15个站点通风系统滤网的空气样本，每个样本使用无菌拭子采集三份生物学重复。站点分为三类：城际枢纽站（IHS，含铁路及机场换乘站）、城市枢纽站（UHS，多线换乘站）和郊区站（SUS，非换乘站）。DNA提取后通过引物对5.8S-Fun/ITS4-Fun扩增真菌ITS2区域，并在Illumina平台上进行测序。数据经过质控、去嵌合体和零半径操作分类单元（zOTU）聚类，使用UNITE数据库进行物种注释。核心微生物群定义为在90%以上样本中存在的zOTU。统计分析采用R语言vegan包，包括主坐标分析（PCoA）、PERMANOVA和线性判别分析（LEfSe）。环境因子（如PM_2.5、湿度、温度）数据来自中国气象局，通过Mantel检验和冗余分析（RDA）评估其与真菌群落的关系。真菌功能注释采用FUNGuild数据库，人类病原真菌鉴定基于国家卫健委《人类感染病原微生物目录》构建的专属数据库。

RESULTS

Seasonal dynamics of fungal composition in Beijing subway stations

研究共获得47,483,628条高质量序列，聚类为28,390个zOTU，覆盖3门16纲51目136科270属。子囊菌门（Ascomycota）相对丰度达73.5%，担子菌门（Basidiomycota）为19.1%，毛霉门（Mucoromycota）仅0.2%。季节变化显著：春季以镰刀菌科（Nectriaceae）为主，夏季以格孢腔菌科（Pleosporaceae）为主，秋冬季则富集曲霉科（Aspergillaceae）、枝孢科（Cladosporiaceae）和德巴利酵母科（Debaryomycetaceae）。主坐标分析显示不同季节的真菌群落显著分离（PERMANOVA, P<0.001），多样性指数以秋季最高、夏季最低。

Factors affecting fungal communities of subway stations

环境因子分析表明，PM_2.5、湿度、温度、降雨量和风速均与真菌群落结构显著相关（Mantel检验, P<0.001）。PM_2.5浓度与真菌多样性呈正相关，尤其在污染较重的月份。冗余分析揭示秋季和春季群落分布呈对立模式，湿度对链格孢属（Alternaria）和枝孢属（Cladosporium）的影响尤为突出。

Core fungal taxa of Beijing subway stations and their seasonal dynamics

研究鉴定出389个核心zOTU（占总数1.37%，但占序列总量41%），主要包括链格孢属、枝孢属、毛壳菌属（Chaetomium）、黑孢属（Nigrospora）和梅奇酵母属（Meyerozyma）。城际枢纽站和城市枢纽站的核心真菌多样性显著高于郊区站。系统发育分析显示核心类群以子囊菌和担子菌为主，且PM_2.5对链格孢属和镰刀菌属（Fusarium）的影响最大。

Fungal trails and community dynamics in different seasons and stations

FUNGuild功能预测显示，地铁真菌以“动物病原/内生/寄生/腐生”功能类群为主。城际枢纽站动物和植物病原真菌丰度最高，郊区站则以植物腐生菌和内生菌为主。季节上，动物病原相关功能在秋季达到峰值，冬季则富集腐生型真菌。

Human pathogen communities across different seasons and stations

通过自定义病原数据库鉴定出12种潜在人类病原真菌，包括假丝酵母（Candida parapsilosis）、格特隐球菌（Cryptococcus gattii）和新生隐球菌（Cryptococcus neoformans）。病原多样性秋季最高、夏季最低。线性判别分析显示，春季以阿波孢科（Apiosporaceae）和德巴利酵母科为主，夏季以格孢腔菌科为主，秋季以枝孢科为主，冬季以银耳科（Tremellaceae）为主。城际枢纽站富集假丝酵母和梅奇酵母，城市枢纽站以节担孢属（Arthrinium）为主，郊区站则以链格孢属为特征。

DISCUSSION

Composition and seasonal dynamics of mycobiome

本研究首次揭示了地铁系统真菌群落的季节动态规律，与既往细菌研究呈现不同模式（如挪威地铁细菌多样性春夏季高）。毛霉门的检出需引起公共卫生关注，因其可能引起毛霉病，尤其在免疫低下人群中。

Impacts of stations and PM levels on the fungal communities

高客流量站点（如换乘站）的真菌多样性显著更高，可能与PM_2.5浓度升高及人为活动加剧有关。PM_2.5与病原真菌（如曲霉属、枝孢属）的正相关性提示其可作为生物气溶胶传播载体，加剧呼吸道疾病风险。

Health implication of core mycobiome

核心真菌类群虽占比小但丰度高，且多为全球分布的条件致病菌（如梅奇酵母属Meyerozyma和喙枝孢属Rhinocladiella）。其通过气溶胶传播可能引发侵袭性感染、过敏及哮喘，需持续监测。

Spatiotemporal dynamics of functional composition

城际枢纽站因汇聚全国乃至全球旅客，成为病原真菌汇集的热点；郊区站则因植被覆盖度高，富集白色腐烂菌和植物病原菌。季节上，秋季的高污染与高病原多样性吻合，与北京呼吸道疾病流行病学数据一致。

Conclusion

本研究系统阐明了北京地铁真菌组的时空分异规律及环境驱动机制，证实了PM_2.5和站点类型对病原真菌分布的关键影响。所构建的病原数据库与核心菌群清单可为城市生物安全监测和公共卫生干预提供精准标靶。

ACKNOWLEDGMENTS

感谢北京地铁运营方提供的采样支持。研究由ANSO联盟项目（ANSO-CR-KP-2022-07、ANSO-CR-PP-2020-02）、国家自然科学基金（32300009）及中国科学院PIFI计划共同资助。