空气污染促使城市PM2.5中大量常见和稀有微生物种群的聚集

《Journal of Hazardous Materials》：Air pollution drives community assembly of abundant and rare microbial taxa in urban PM 2.5

大气微生物群落中丰度物种与稀缺物种的分布特征、组装机制及生态功能差异研究。南昌市连续一个月PM2.5采样发现，丰度物种（如Staphylococcus aureus）具有更广的环境适应能力，其群落组装以随机过程为主导，而稀缺物种受确定性环境因子驱动。病原体主要富集于丰度物种中，且与PM2.5、NO2等污染物显著相关。

　　

潘圆圆|谢鑫|陈强|肖新平|左志伟

中国华东工业大学江西省地下水污染成因与修复重点实验室

摘要

环境微生物群落通常表现出分布不均衡的特点，即少数物种数量较多，而大多数物种数量较少。然而，对于空气中的微生物群落中这些丰富和稀有的分类单元，人们关注较少。本研究探讨了空气中的细菌和真菌群落（包括病原体）的分布模式、组装机制及其生态作用。我们在中国南昌进行了为期一个月的日常采样。研究结果表明，空气中的微生物群落分布不均匀。与稀有分类单元相比，丰富分类单元具有更宽的生态位、更广泛的分布范围，并与环境因素有更强的相关性。丰富分类单元的组装主要受随机过程支配，而稀有分类单元的组装则受确定性过程控制。空气污染物（如PM_2.5、PM₁₀、NO₂等）被确定为影响细菌亚群落组装的关键因素，但对真菌亚群落的组装没有显著影响。共现网络分析表明，丰富物种在维持大气中群落稳定性方面起着更重要的作用。潜在的病原体主要分布在丰富分类单元中。值得注意的是，像金黄色葡萄球菌（0.62%）和Nigrospora属（15.72%）这样的优势病原体无法通过中性群落模型预测，并且与环境因素有很强的相关性。总体而言，我们的发现为理解构成空气微生物群落的生态机制提供了见解，特别是对病原微生物的研究具有重要意义。

引言

微生物在自然生态系统中无处不在，大气层是它们传播的媒介。空气中的微生物不仅通过作为云和降雨形成的凝结核来影响生态系统[1]、[2]，还可能通过吸入或接触病原体对人类健康构成威胁[3]、[4]、[5]。先前的研究表明，潜在的细菌和真菌病原体可能分别占空气微生物群落的20%和40%[6]、[7]。因此，人们对空气微生物带来的健康风险越来越关注。

在环境微生物群落中，分布不均衡是一个普遍现象，即少数分类单元的数量较多（丰富分类单元），而大多数分类单元的数量较少（稀有分类单元）[8]、[9]、[10]。越来越多的研究关注丰富分类单元和稀有分类单元之间的生态差异。丰富物种通常具有较高的耐受性和适应性，是生物地球化学循环的关键驱动因素。相比之下，稀有物种对微生物多样性有重要贡献，并充当“种子库”的角色[9]。例如，在有利的环境条件下，一些被称为条件性稀有物种的活跃稀有分类单元可能会成为优势物种[11]。大多数关于丰富分类单元和稀有分类单元的研究是在水生[12]、[13]、[14]和土壤[9]、[15]、[16]生态系统中进行的。作为开放系统，大气中的微生物群落会经历频繁的组成变化[17]、[18]。因此，关于空气中丰富分类单元和稀有分类单元（尤其是病原体）的分布模式的知识仍然不足。

空气质量和气象条件通常被认为是影响空气中微生物的关键因素。空气污染物可能影响微生物的生存能力或作为其载体[19]。相对湿度和温度等气象参数也会影响微生物的存活[20]。此外，风速和风向会影响微生物的气溶胶化[21]。此外，细菌和真菌对环境变化的敏感性不同[6]、[7]。然而，丰富分类单元和稀有分类单元对环境条件响应的机制尚不完全清楚。解决这一知识空白对于预测未来环境情景下空气微生物的动态至关重要。

此外，微生物群落的组装是自然生态系统中的一个核心课题，重点研究确定性和随机过程对群落结构的相对贡献[22]。一般来说，确定性过程包括定向的生态选择（如环境筛选和物种相互作用），而随机过程包括出生、死亡和扩散等随机事件[23]。如上所述，大气中的微生物受到环境因素的影响[6]、[24]。此外，先前的研究表明，一些微生物在空气中仍然具有代谢活性[25]、[26]。因此，阐明确定性和随机过程对空气微生物群落组装的贡献至关重要。尽管最近的一些研究表明随机过程在空气微生物群落组装中占主导地位[8]、[27]、[28]，但很少有研究比较丰富分类单元和稀有分类单元的组装模式[18]。

总之，本研究有三个目标：（i）描述空气中丰富分类单元和稀有分类单元（包括细菌和真菌病原体）的分布模式；（ii）比较丰富分类单元和稀有分类单元对环境因素的响应；（iii）探讨丰富分类单元和稀有分类单元的组装机制，重点关注病原体。随着城市化人口的增加，城市地区的空气质量受到了广泛关注。中国江西省的省会南昌有667万居民。作为国家生态文明城市，南昌的空气质量引起了人们的关注。因此，我们在南昌一个人口密集的社区周围连续一个月收集了PM_2.5样本。在采样期间，空气质量变化显著，空气质量指数（AQI）介于12到196之间。

样本采集和环境数据获取

使用配备PM_2.5分级入口的高容量采样器（KC-1000，青岛崂山电气有限公司制造）采集PM_2.5样本。采样器安装在校园环境中的一栋六层办公楼屋顶（距地面约18米处，坐标为28.72°N, 115.82°E），周围是住宅区。该采样器远离主要道路，且没有明显的污染源。每天采集大约23.5小时的样本，并将其收集到经过消毒的石英滤纸上。

PM_2.5中丰富和稀有分类单元的概述

如表S1所示，空气中的微生物群落分布极不均匀。虽然只有少量ASV（细菌的0.72%，真菌的3.15%）被归类为丰富物种（AT），但它们占总相对丰度的很大比例（细菌占45.46%，真菌占89.01%）。相反，尽管大多数ASV（细菌的80.54%，真菌的68.63%）被归类为稀有物种（RT），但它们的总相对丰度仅为21.06%。

丰富和稀有分类单元的分布特征

越来越多的证据表明，丰富和稀有微生物在不同生态系统中的分布模式存在显著差异[9]、[35]、[36]。先前的研究表明，在大气颗粒物中，丰富分类单元的ASV数量（74,905-193,520）远远超过稀有分类单元（272-3,490）[18]。相比之下，微生物群落由少数数量较多的丰富物种和大多数数量较少但多样性较高的稀有物种共同组成。

结论

本研究揭示了空气中丰富分类单元和稀有分类单元的分布模式和组装机制。丰富分类单元比稀有物种具有更广泛的分布范围和更强的环境关联性。随机过程主导了丰富亚群落的组装，而确定性过程在稀有亚群落的组装中起主导作用。空气中的颗粒物及其前体是驱动这些过程的关键因素。

环境影响

空气中的微生物，尤其是病原体，由于对人类健康的威胁而成为全球关注的问题。环境微生物群落通常表现出分布不均衡的特点，即少数物种数量较多，而大多数物种数量较少。这一现象激发了人们对空气中丰富分类单元和稀有分类单元的兴趣。本研究探讨了这些分类单元的分布、组装过程及其生态作用。

作者贡献声明

肖新平：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，数据分析。陈强：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，软件应用。谢鑫：撰写——审稿与编辑，软件应用，方法学研究，数据分析。潘圆圆：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，项目监督，资金获取，数据分析，数据管理。左志伟：撰写——审稿与编辑，方法学研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号31900106）和江西省自然科学基金（项目编号20242BAB20155）的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。