《Environmental Microbiology Reports》：Airborne Bacteria Are Influenced by Surrounding Soil, Litter and Vegetation at a Forest Campsite
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接触自然环境与人类健康福祉的关联日益受到关注，然而塑造森林空气微生物群（aerobiome）的环境来源仍未得到充分解析。本研究考察了森林空气微生物组与邻近地面储库之间的关系，重点关注一处休闲森林中的凋落物（litter）和表层土壤（surface soil）。
接触自然环境与人类健康福祉的关联日益受到关注，然而塑造森林空气微生物群（aerobiome）的环境来源仍未得到充分解析。本研究考察了森林空气微生物组与邻近地面储库之间的关系，重点关注一处休闲森林中的凋落物（litter）和表层土壤（surface soil）。研究在跨越两种植被类型的营地比较了空气、凋落物和土壤中的细菌群落：一种为具有多样化林下植被的次生阔叶林（secondary broadleaf forest），另一种为林下植被稀疏的针叶人工林（conifer plantation）。研究人员使用膜过滤法（membrane filtration）连续采样空气1周，并在每个空气采样器旁采集凋落物和表层土壤样本。研究共鉴定出跨越19个门的6146个扩增子序列变异体（amplicon sequence variants, ASVs）。栖息地类型（空气、凋落物、土壤）是群落组成的主要驱动因素。空气传播群落与凋落物和土壤均显著不同，且表现出较低的多样性。尽管优势高阶分类单元在各栖息地间共享，但空气传播群落在属和扩增子序列变异体水平上具有组成上的独特性，而凋落物和土壤彼此更为相似。尽管如此，在两种植被类型中均检测到空气与地面栖息地之间存在显著的属水平重叠。这些研究结果表明，在休闲环境中，凋落物和土壤是森林空气细菌的重要但不完全的环境储库。
一、研究背景与科学问题
人类健康与自然接触密切相关，微生物暴露被认为是自然环境促进健康的关键机制之一。"生物多样性假说"（biodiversity hypothesis）提出，减少与环境多样微生物的接触可能增加过敏性疾病风险。以往研究多关注土壤或其他表面作为环境细菌的直接接触来源，然而在步行、远足和露营等自然体验活动中，人们持续暴露于近地表大气环境。尽管空气中营养贫乏且紫外线辐射强烈，仍可检测到空气细菌，但其活性可能在气溶胶化后迅速下降。近期研究表明，室外空气细菌群落暴露与人体微生物组变化存在关联，这引发了对空气微生物组（aerobiome）作为生态系统与人类健康关键界面的日益关注。
目前研究存在以下问题：陆地栖息地被认为是空气细菌群落的主要来源，但具体途径和健康影响尚不明确；凋落物层作为土壤与大气之间的关键界面，作为空气细菌潜在来源的研究甚少；以往研究未将凋落物与土壤区分开；大多数研究集中于城市绿地，而城郊或乡村半自然环境中的休闲场所作为城市居民重要目的地，代表性不足。本研究在日本一处森林休闲区调查了空气、凋落物和土壤中的细菌群落，采用比较邻近地点和对比植被结构的气生微生物组研究设计，在两种森林类型中采样空气细菌及作为潜在陆地来源的凋落物和表层土壤样本，旨在比较空气、凋落物和土壤间的细菌多样性和群落组成，评估这些分区是否共享分类群以指示陆地来源对空气群落的贡献，并评估这些模式在用于户外休闲的森林类型间的差异。
二、研究内容与主要结论
研究地点位于日本东部茂木町Hello Woods露营和户外休闲区的两个森林样地，两样地相距约200米，地形和土壤条件相似但优势树种组成和人类使用方式不同。一种为次生阔叶林，冠层以落叶阔叶树为主，具有发育良好的林下植被和步行小径；另一种为常绿针叶人工林，以日本扁柏为主，林下植被稀少，现主要用于露营。研究人员自制空气采样装置，以1.5升/分钟的流速连续采样7天，每台装置平均采样空气总量12,652升，共获得14个空气样本。同时在每个采样树周围0.5米宽的环形区域内采集凋落物和表层5厘米土壤样本，共收集10个土壤和10个凋落物样本。
研究得出以下主要结论：空气细菌群落与凋落物和土壤显著不同且多样性较低；优势高阶分类单元在各栖息地间共享，但空气群落在属和ASV水平上具有组成独特性；凋落物和土壤彼此更为相似；两种植被类型中均检测到空气与地面栖息地之间存在显著的属水平重叠；植被类型影响细菌群落结构。这些发现表明凋落物和土壤是森林空气细菌的重要但不完全的环境储库，研究结果有助于理解森林空气、凋落物和土壤中细菌群落的共享和栖息地特异性组分，以及环境微生物组暴露与人类健康福祉之间的关系。
三、关键技术与方法
研究人员采用以下关键技术方法：使用自制空气采样装置，通过微型泵和0.2微米孔径硝酸纤维素膜过滤器连续采样空气7天；使用DNeasy Blood and Tissue Kit提取空气DNA，使用DNeasy PowerSoil Pro Kit提取土壤和凋落物DNA；针对16S rRNA基因V4区域进行扩增子测序，使用515F/806R引物对，在MiSeq平台上进行双端测序；使用DADA2推断扩增子序列变异体（ASV），使用decontam去除潜在污染物，基于SILVA v.138.2数据库进行分类学注释；使用Bray-Curtis相异度进行非度量多维尺度分析（NMDS）和PERMANOVA统计检验；计算Shannon-Weaver多样性指数，使用Scheirer-Ray-Hare检验比较多样性的差异。样本来源为日本茂木町Hello Woods休闲区的两个森林样地和一个邻近停车场区域。
四、研究结果
4.1 数据特征
分类鉴定在所有34个样本中识别出6146个独特ASV，涵盖19个门中的36个细菌纲。假单胞菌门（Pseudomonadota）是空气、凋落物和土壤样本共有的主要门。土壤和凋落物样本中的其他主要门包括酸杆菌门（Acidobacteriota）、放线菌门（Actinobacteria）和浮霉菌门（Planctomycetota）；空气样本中的其他主要门为拟杆菌门（Bacteroidota）和芽孢杆菌门（Bacillota）。空气样本中检测到95个属，凋落物中354个属，土壤中269个属。次生阔叶林中空气细菌属数最多。两种森林中凋落物检测到的属数均最高。次生阔叶林中空气属的39.7%与土壤或凋落物共有，人工林中为29.3%。优势属（相对丰度>1%）中，土壤和凋落物中丰富的属包括慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、Candidatus Udaeobacter和伯克霍尔德菌-卡巴勒罗尼亚菌-副伯克霍尔德菌复合群；空气中丰富的属与土壤和凋落物不同，包括黄杆菌属（Flavobacterium）和Enhydrobacter。
4.2 微生物群落结构与多样性
NMDS图显示空气样本与地面栖息地样本明显分离，表明细菌群落结构在不同栖息地间存在差异。PERMANOVA确认栖息地间存在显著差异（p<0.001），空气细菌群落与土壤和凋落物群落均显著不同（均p<0.001）。NMDS图和PERMANOVA（p<0.01）表明细菌群落也随植被类型而不同，人工林与次生阔叶林的细菌群落显著不同。细菌α多样性（Shannon-Weaver指数）在栖息地间存在显著差异（p<0.05），地面栖息地的多样性高于空气，但植被类型间未检测到显著差异。
五、讨论与结论
讨论部分总结：研究结果表明空气细菌群落与土壤和凋落物存在差异，但各栖息地间存在共有属，且优势分类群一致，表明陆地来源对空气群落有部分贡献。空气样本中仅有的低丰度分类群可能反映大气过滤选择耐胁迫分类群。由于16S rRNA宏条形码无法区分活细胞和死细胞的DNA，栖息地间的相似性应谨慎解读。假单胞菌门在所有栖息地中占较大比例，可能受叶片表面细菌释放的影响。γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）在空气、凋落物和土壤中持续存在，但并非森林空气中的优势类群，结合以往研究发现，空气细菌暴露与人体免疫系统的联系可能不一定很强。尽管门和纲水平有共有分类群，但ASV水平上栖息地间存在显著差异，属水平上空气与地面栖息地的优势细菌群不同，表明同一门或纲内适应各环境的分类群在属和种水平上有所不同。空气细菌多样性低于土壤和凋落物，部分归因于空气环境的严酷性限制了可检测细菌的分类多样性。植被类型间的细菌结构差异可能与树种组成、养分可利用性和林下植被多样性有关。研究局限性包括空气样本DNA读数较少、低流速可能低估稀有分类群、滤膜材料和孔径未标准化、仅覆盖单一夏季采样期。
结论部分翻译：我们在森林营地的研究基于每台装置7天内采样超过10,000升空气，表明空气细菌群落在ASV和属水平上与凋落物和土壤部分重叠。这种重叠表明存在陆地来源的贡献，而仅在空气样本中检测到的低丰度分类群可能反映大气过滤偏好耐胁迫分类群。通过单独采样凋落物层这一大气与土壤之间关键但研究不足的界面，我们揭示了不仅土壤与空气之间，而且凋落物与空气之间的分类学重叠和分化。这一模式在植物多样性和人类使用方式不同的人工林和次生阔叶林中均一致。细菌群落结构也可能受植被类型影响，可能与植被多样性和养分可利用性有关。这些结果有助于理解森林空气、凋落物和土壤中细菌群落的共享和栖息地特异性组分，以及环境微生物组暴露与人类健康福祉之间的关系。
