《Environmental Microbiology Reports》：What is in the Dust? Species-Level Profiling Reveals Pathogenic and Protective Potential of Microbial Communities in Daycare and Home Environments
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室内环境蕴含丰富的微生物多样性，其构成受人类活动、居住密度及宠物存在等多重因素影响。在COVID-19大流行期间——一个社会交往与卫生习惯发生深刻改变的时期——托儿所环境中以环境相关类群为主，而家庭环境中则以人类相关类群占优。本研究探讨了后疫情时代托儿所与家庭
室内环境蕴含丰富的微生物多样性，其构成受人类活动、居住密度及宠物存在等多重因素影响。在COVID-19大流行期间——一个社会交往与卫生习惯发生深刻改变的时期——托儿所环境中以环境相关类群为主，而家庭环境中则以人类相关类群占优。本研究探讨了后疫情时代托儿所与家庭灰尘中微生物群落的结构及其生态学特征。家庭灰尘中的微生物群落较托儿所样本呈现更高的异质性，且人类相关物种的检出率更高。全长16S rRNA基因测序实现了物种水平的分类学解析，但仍有约40%的扩增子序列变体（amplicon sequence variants，ASVs）未能获得分类学归属，凸显了日常室内环境中存在大量未被表征的新型微生物多样性。人工智能（artificial intelligence，AI）辅助的生态学分析显示，家庭环境中病原菌及机会性病原菌的负荷高于托儿所。值得注意的是，宠物的存在对家庭灰尘微生物多样性的影响有限。此外，两种环境中均检出多种具有已知益生特性及免疫刺激潜能的物种，进一步印证了生命早期这一关键窗口期内的微生物暴露可能对哮喘、儿童白血病及其他癌症等多种非传染性疾病（non-communicable diseases，NCDs）具有保护作用。
论文解读：后疫情时代室内灰尘微生物群落的物种水平剖析
一、研究背景与科学问题
室内环境栖息着种类繁多的微生物，其中以放线菌门（Actinomycetota）、拟杆菌门（Bacteroidota）、芽孢杆菌门（Bacillota）和变形菌门（Pseudomonadota）的成员最为丰富。微生物多样性受人类活动、温湿度、居住密度、宠物及植物存在等多种因素影响。既往研究多基于属水平的分类学鉴定，然而这一分辨率存在明显局限：同一属内不同物种的生态学角色和致病潜力可能截然不同。例如，棒状杆菌属（Corynebacterium）既包含白喉棒状杆菌（Corynebacterium diphtheriae）和溃疡棒状杆菌（Corynebacterium ulcerans）等重大病原体，也包含大量共生菌，其中部分共生菌如纹带棒状杆菌（Corynebacterium striatum）正逐渐成为重要的机会性病原菌。COVID-19大流行期间卫生行为和社会交往模式的深刻变化可能从根本上改变了室内微生物生态系统。因此，在后疫情时代系统表征托儿所与家庭灰尘中的微生物多样性，对于揭示室内微生物群落结构的变迁、评估病原暴露风险以及理解微生物暴露对儿童健康的保护效应具有重要意义。
二、研究内容与主要结论
本研究于2024年4月至7月期间，从31户家庭及4家当地托儿所共采集42份灰尘样本（31份来自家庭，11份来自托儿所），采用全长16S rRNA基因扩增子测序技术（PacBio Revio平台）进行物种水平的微生物群落解析。研究共鉴定出3709个经标准化和过滤的扩增子序列变体（ASVs），其中584个为家庭灰尘独有，仅23个为托儿所灰尘独有。家庭灰尘微生物群落呈现更高的异质性，但托儿所样本的物种丰富度和均匀度更高（Shannon指数p=0.0039，Simpson指数p=0.0039）。β多样性分析（PERMANOVA p=0.001）显示两种环境的微生物组成存在显著差异但有一定重叠。
在门水平上，变形菌门（Pseudomonadota）为最优势门（丰度12.7%–83.8%），在两种环境中平均检出率相当（30.3%–30.7%）。其他主要门类包括放线菌门（Actinomycetota，5.1%–39.1%）、芽孢杆菌门（Bacillota，0.5%–44.7%）、拟杆菌门（Bacteroidota，2.0%–17.7%）、蓝藻门（Cyanobacteriota，2.6%–34.3%）和异常球菌门（Deinococcota，0.8%–13.1%），合计占两种环境灰尘微生物多样性的96%以上。芽孢杆菌门成员在家庭灰尘中的平均检出率是托儿所的2.5倍以上，而拟杆菌门、蓝藻门和异常球菌门成员在托儿所灰尘中相对丰度较高（1.6至1.9倍）。
在属水平上，嗜酸菌属（Acidiphilium）、Aliterella、微月菌属（Microlunatus）、螺旋体属（Spirosoma）和Truepera在托儿所样本中丰度较高（1.8至3.3倍），而Aquirickettsiella、痤疮丙酸杆菌属（Cutibacterium）、考克氏菌属（Kocuria）、副球菌属（Paracoccus）、嗜冷杆菌属（Psychrobacter）和葡萄球菌属（Staphylococcus）在家庭样本中丰度高出3.5至25.4倍。全长16S rRNA基因测序实现了物种水平的鉴定，在丰度最高的20个物种中，Aliterella sp000332075和乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）在托儿所灰尘中的平均检出率是家庭的2倍以上，而Aquirickettsiella isopodorum、CALTWN01 sp030406085、痤疮丙酸杆菌（Cutibacterium acnes）、Kocuria arsenatis、Pantoea mediterraneensis、Paracoccus yeei、Psychrobacter pulmonis、头状葡萄球菌（Staphylococcus capitis）、表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）、人葡萄球菌（Staphylococcus hominis）和沃氏葡萄球菌（Staphylococcus warneri）在家庭灰尘中的丰度高达托儿所的77倍。
核心微生物组分析显示，仅6个属（Aliterella、Aureimonas、鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas、Spirosoma、Rubellimicrobium和Truepera）在两种环境中80%以上的样本中稳定存在。托儿所灰尘中额外包含嗜酸菌属、微月菌属和链球菌属（Streptococcus）为核心属，而家庭灰尘中痤疮丙酸杆菌属和葡萄球菌属为核心属。物种水平上，Aliterella sp000332075、Rubellimicrobium mesophilum、Spirosoma arcticum和Truepera radiovictrix在两种环境的大多数样本中持续存在。
宠物影响分析表明，养宠家庭与无宠家庭的微生物α多样性无显著差异（Shannon指数p=0.389，Simpson指数p=0.320），微生物组成完全重叠。然而，3个物种——坏腐败梭杆菌（Fusobacterium perfoetens）、Megamonas rupellensis和Peptacetobacter hiranonis——在养狗家庭中显著富集（FDR校正p=0.002），其中前两者属于犬肠道微生物组的组成部分。
三、关键技术与方法
研究人员采用全长16S rRNA基因扩增子测序技术（PacBio Revio平台），结合QIIME2和DADA2流程进行序列处理与ASV鉴定，使用VSEARCH和朴素贝叶斯分类器分别比对Greengenes2、GTDB和Silva数据库进行分类学注释。利用decontam包去除提取和文库制备过程中的污染物（去除43个ASV，占1.32%的读数）。通过MicrobiomeAnalyst 2.0进行α多样性（Shannon和Simpson指数）、β多样性（Bray–Curtis相异度结合PERMANOVA）和LEfSe差异丰度分析。生态学功能分类采用基于规则的AI辅助流程，整合NCBI Taxonomy、LPSN、BacDive、WHO细菌优先病原体清单、EPPO和WOAH等权威数据库，对物种的致病性和生态位进行系统分类。
四、研究结果
4.1 家庭与托儿所灰尘样本的微生物多样性
家庭灰尘样本比托儿所含有更多样化的微生物。在3709个ASV中，584个为家庭灰尘独有，仅23个为托儿所独有。托儿所样本的物种丰富度和均匀度更高，但家庭样本的微生物群落异质性更强。两种环境的微生物组成存在显著差异（PERMANOVA p=0.001），但有一定重叠。
4.2 共有及环境特异性微生物组
3102个ASV为两种环境共有，993个ASV的分布存在显著差异（单变量分析p<0.05）。1472个ASV（约40%）未被分类，表明室内环境存在大量未表征的微生物。仅6个属为两种环境的核心属，托儿所额外包含3个核心属，家庭灰尘中痤疮丙酸杆菌属和葡萄球菌属为核心属。共189个物种在两种环境间存在差异分布，环境相关类群在托儿所占优，人类相关细菌在家庭灰尘中占优。
4.3 宠物对灰尘微生物组的影响
养宠家庭与无宠家庭的微生物多样性无显著差异，但3个物种（包括2个犬肠道微生物组成员）在养狗家庭中丰度更高。
4.4 AI辅助的微生物多样性生态学分析
在516个有效发表的物种中，12个被归类为病原体（5个人类病原体、4个动物病原体、3个植物病原体），仅占家庭相对丰度的2.6%和托儿所的1.0%。所有12个病原体均在家庭中检出，10个在托儿所中检出。人类病原体包括产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）、卡他莫拉菌（Moraxella catarrhalis）、肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）、大肠杆菌/志贺氏菌（Escherichia coli/Shigella）和流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae）。值得注意的是，两个呼吸道人类病原体肺炎链球菌和流感嗜血杆菌在托儿所中的丰度约为家庭的2.4倍和3.5倍。144个物种被鉴定为宿主相关（排除病原体），其中86个具有机会性感染潜力；360个物种为环境相关，其中39个具有机会性感染能力。所有137个病原体或机会性病原体物种均在家庭环境中检出，但仅85%存在于托儿所灰尘中。
五、讨论与结论
家庭和托儿所环境富含微生物多样性，但家庭环境更为异质，包含更多细菌类群。人类相关类群（包括病原菌）在家庭中更为丰富，而托儿所环境中环境相关类群检出率更高，这可能反映了后疫情时代托儿所持续严格的清洁卫生实践以及室内外活动的结合。猫和狗作为宠物对家庭微生物多样性无显著影响，但3个物种（包括2个犬肠道微生物组成员）在养狗家庭中丰度更高。值得注意的是，约40%的ASV未被分类，凸显了室内环境微生物生态学认知的关键知识空白。
两种环境中均检出多种具有免疫诱导能力的细菌物种，包括能够抵御环境过敏原和炎症的鲁氏不动杆菌（Acinetobacter lwoffii）、可诱导针对多种疾病免疫的嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）、调节T淋巴细胞功能并影响细胞因子分泌的双歧杆菌属（Bifidobacterium）和乳杆菌属（Lactobacillus）物种、可调节呼吸道先天免疫以保护上呼吸道免受病毒和细菌感染的假白喉棒杆菌（Corynebacterium pseudodiphtheriticum）、与炎症性肠病和结直肠癌等多种疾病相关的普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）、可诱导分泌多种细胞因子并预防特应性皮炎和哮喘的鼠李糖乳杆菌（Lacticaseibacillus rhamnosus）、参与抗过敏和抗炎活动的乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）、对阴道健康具有重要作用的卷曲乳杆菌（Lactobacillus crispatus）、产生保护性神经酰胺以维持皮肤屏障稳态并增强抗金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）保护作用的共生表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis），以及可诱导交叉反应抗体以抵御肺炎链球菌的缓症链球菌（Streptococcus mitis）。因此，托儿所和家庭灰尘中检出的多种细菌物种可能有助于诱导针对多种传染性疾病和非传染性疾病的免疫力，包括哮喘、过敏、癌症和新生儿肿瘤，早期暴露于这些微生物可能提供疾病保护效应。
