《Toxics》：Source, Monitoring Techniques and Prospects of Bioaerosols: A Review
Jiaqing Wu,
Chun Chen,
Hong Geng,
Bixin Zhao and
Jian Gao
生物气溶胶在生态相互作用、气候变化和公共卫生中发挥着重要作用。它们来源多样，形成了具有显著时空动态变化的大气微生物组，通常可归类为自然源和人为源。准确的监测和来源解析对于评估其环境影响和健康风险至关重要。本研究系统总结了生物气溶胶的来源特征，并强调了高强度人类活动带来的排放风险。同时，本文阐述了生物气溶胶的来源解析策略，并分析了从传统的基于培养的方法到先进的分子和实时物理化学系统的技术演变。此外，本综述强调了生物气溶胶监测技术向高灵敏度、不依赖培养和在线监测的转变。最后，文章对未来研究重点进行了展望。研究人员强调迫切需要建立本地化的特征数据库，开发将快速筛查与深度生物学分析相结合的集成式实时监测系统，并优化机器学习与人工智能算法的应用，以提升复杂环境中多源贡献建模的精度。
1. Introduction
生物气溶胶被定义为悬浮在大气中的生物颗粒物质，其粒径范围广泛，从纳米级的病毒到毫米级的花粉颗粒。它们由多种成分构成，包括细菌、真菌、病毒、古菌、花粉、植物碎片，以及生物大分子如内毒素和蛋白质。生物气溶胶在地球生物圈、大气和人类健康之间构建了复杂的相互作用网络，因此，其环境动力学及相关健康效应已成为当代环境科学和公共卫生学科的重要研究焦点。此外，某些生物气溶胶可以作为云凝结核或冰核粒子，直接参与云形成和降水过程，从而在区域和全球尺度上影响水文循环和气候模式。同时，生物气溶胶是各种病原微生物、过敏原和毒素的传播媒介。长期或急性暴露于高浓度的生物气溶胶与哮喘、过敏性鼻炎、慢性阻塞性肺疾病（COPD）以及各种呼吸道传染病等呼吸系统疾病相关。
鉴于生物气溶胶来源多样、成分复杂，建立一个精确高效的监测和源追踪系统至关重要。长期以来，生物气溶胶监测主要依赖于基于培养的采样技术，例如安德森撞击采样器。然而，传统培养方法耗时，且无法检测环境中大量活的但不可培养状态的微生物，经常导致对实际生物气溶胶浓度的低估。近年来，随着分子生物学和光电检测技术的快速发展，以高通量测序和定量PCR（qPCR）为代表的不依赖培养技术，以及基于激光诱导荧光和质谱学的实时在线监测方法，已逐步成为主流研究工具。
2. Sources of Bioaerosols
生物气溶胶来源广泛，可归类为自然源（如植物、土壤、水体）和人为源。这些来源对大气生物气溶胶组成的贡献表现出显著的时空变化，有效反映了微生物在生态系统中的迁移和扩散模式。
2.1. Natural Sources
（1）植物：植物叶片是大气生物气溶胶活跃的自然源，也是全球范围内微生物的主要栖息地。城市和农村大气中细菌和真菌的丰度与物种组成同城市绿地的范围和类型相关。植物介导的生物气溶胶排放表现出明显的季节性动态，与叶际微环境密切相关的类群在夏季大气样品中丰度显著增加，例如假单胞菌科和鞘脂杆菌科。这主要归因于温暖季节植物叶片旺盛生长，导致相关微生物群落更加活跃，从而持续向大气释放特征性细菌类群。
（2）土壤：土壤是空气传播微生物的重要自然源，是巨大微生物多样性的储存库。不同海拔高度的微生物群落组成具有明显的层化现象。植物衰老期间，叶片来源的生物气溶胶排放减少，对应于秋季和冬季土壤源对大气生物气溶胶库的相对贡献增加，例如芽孢杆菌目是土壤来源的关键指示性分类单元。
（3）天然水体：水生微生物可通过风驱动过程和潮汐作用进入大气，随后进行长距离大气传输。海面微层是水生微生物向大气转移的主要储存库和关键界面。另一方面，淡水也是大气生物气溶胶的重要来源，淡水环境是空气中微生物的主要贡献者，对塑造大气微生物群落具有显著影响。
2.2. Anthropogenic Sources
（1）人类：人类是大气生物气溶胶的重要排放源，将来自皮肤、呼吸道和肠道的多种微生物释放到室内和室外空气中。皮肤相关细菌（如葡萄球菌、链球菌）通过表皮细胞脱落释放到大气中。同时，呼吸道微生物群通过说话、咳嗽、打喷嚏等呼吸活动以液滴形式排出。这些悬浮在大气中的飞沫构成了生物气溶胶的重要组成部分，从而为流感病毒和冠状病毒等病原体建立了直接的传播途径。一次咳嗽可释放数千个含微生物的飞沫，而打喷嚏释放的数量更为巨大。同时，肠道微生物通过排气或排泄物雾化。这些人类驱动的排放不仅重塑了大气微生物群落的结构和多样性，还将含有病原体的气溶胶引入空气中。
（2）人造系统：人造系统是大气生物气溶胶的主要人为来源，由此产生的生物气溶胶污染已成为关键的公共卫生问题。污水处理厂、垃圾填埋场、畜牧场和医院是生物气溶胶的重要人为来源。其中，畜牧场的微生物气溶胶中细菌和真菌的平均浓度最高，其次是污水处理厂、垃圾填埋场和医院。污水处理过程中，搅拌、曝气等操作会将污水中的微生物扩散到大气中形成生物气溶胶，其中含有致病因子和耐药菌株，对污水处理厂员工构成重大健康危害。长期暴露可能导致一系列呼吸系统疾病。生物气溶胶特征在污水处理厂的不同处理单元间存在显著差异，例如格栅、沉砂池和污泥脱水室的生物气溶胶浓度通常高于曝气池。在同一污水处理厂的不同处理单元中，细菌气溶胶水平始终高于真菌气溶胶。畜牧养殖产生的排泄物和分泌物富含细菌、病毒和真菌等微生物。动物粪便仍然是农场生物气溶胶的主要来源。在通风不良或管理不善的情况下，这些微生物可随气流以生物气溶胶形式扩散到农场周边，不仅可能引发动物疫情，还会威胁附近居民健康。农场生物气溶胶的特征与饲养的动物类型密切相关，家禽农场产生的气溶胶数量明显高于其他畜牧场。此外，通风方式、饲养密度、环境清洁和消毒频率是影响畜禽舍内空气传播微生物排放的关键因素。垃圾填埋场是生物气溶胶积累和滋生的典型环境，城市固体废弃物的产生和处理过程是空气传播微生物的主要来源和汇。在垃圾处理区，机械处理和翻动操作会释放大量微生物，形成微生物气溶胶。这些气溶胶通常携带病原体和抗生素抗性基因，对附近居民和现场工作人员构成相当大的健康风险。吸入暴露已被确定为主要的风险途径。垃圾填埋场不同功能区的生物气溶胶浓度存在显著的空间变异性，最高浓度出现在作业区。生物气溶胶特征也存在季节性差异，浓度峰值通常出现在温暖的春季和夏季，也可能在秋季达到峰值，这些差异可能反映了场地特定的操作实践、废物处理工艺和当地气候条件。
2.3. Source Apportionment Methods
生物气溶胶是病原体和过敏原的关键传播媒介，因此准确的来源解析对于绘制“源-浓度”动态图并为易感人群提供预警至关重要。目前，主流的生物气溶胶来源解析方法主要包括统计和受体模型、基于数据库的功能图谱和建模方法。
（1）相关性分析是生物气溶胶来源解析最常见、最直观的方法。其核心原理是通过统计指标确定样本间的相似性，以推断生物气溶胶的潜在来源，例如主成分分析。然而，相关性分析通常需要大样本量和较高的分析成本，并且无法提供各来源贡献率的精确量化估计。当代研究越来越多地采用先进的受体模型。例如，正矩阵分解（PMF）或共现网络分析等技术已被用于整合微生物群落结构和特定的化学示踪物，从而克服早期统计方法的局限性，实现对局部环境驱动因素更定量的评估。
（2）数据库驱动的功能图谱：用于生物气溶胶源追踪的数据库分析依赖于比较已知来源的特征信号与环境未知样品的特征。广泛使用的参考数据库包括BLAST、GCM等。然而，基于数据库的分析仍面临一些局限性。首先，微生物的生物学特性对局部环境条件高度敏感，可能与收集参考数据时的条件存在很大差异，导致潜在的错配。其次，随着潜在来源数量的增加，数据库构建和维护的成本和复杂性显著上升。为了缓解这些局限性，最近的方法学进展越来越关注功能和生态位图谱。通过将分类学特征转化为功能集合或代谢表型，研究人员能够推断生物气溶胶的原始环境栖息地，从而避免建立全面的分类学参考数据库所带来的高昂成本和区域偏差。
（3）模型分析：近年来，建模已成为生物气溶胶来源解析日益普遍的方法。早期应用严重依赖于SourceTracker。然而，鉴于生物气溶胶通常包含大量“未知”的环境贡献者，较新的模型，如FEAST（快速期望最大化微生物源追踪），已被证明更具优势。FEAST利用期望最大化算法，在从占主导地位的未知背景中分离微弱源信号时，显著提高了计算效率和统计准确性。此外，为了阐明长距离传输的机制，局部MST（微生物源追踪）数据越来越多地与大气扩散模型耦合，如HYSPLIT。先进的应用现在将HYSPLIT与潜在源贡献函数（PSCF）或浓度权重轨迹（CWT）分析相结合，将定性的气团轨迹转化为定量的空间概率图。
3. Progress in Monitoring Methods
生物气溶胶监测涵盖多种方法，根据其检测原理和技术特点，大致可分为六类。每种方法都表现出不同的优势和局限性，决定了其在特定监测环境和操作条件下的适用性。
3.1. Culture-Based Monitoring Methods
基于培养的监测方法利用人工培养基选择性培养生物气溶胶中的微生物，依赖微生物的代谢特性在特定条件下形成可见菌落，从而对空气中的目标真菌或细菌浓度进行定性和定量评估。安德森六级（或八级）串级撞击采样器是现场测量中最广泛使用的采样器。通过模拟呼吸道沉积特征，它可以直接将粒径范围在0.65至7微米的空气传播微生物收集到指定的培养皿上，并基于不同的切割粒径，有助于确定采样点可培养生物气溶胶的粒径分布。然而，这些固有的局限性可能会降低微生物的存活率，并且一些微生物由于在琼脂培养基上粘附性差而显示出低回收率。
3.2. Microscope-Based Monitoring Methods
基于显微镜的监测方法通过光学或电子放大直接检查生物气溶胶颗粒，通常结合染色进行定性和半定量分析，包括光学显微镜、荧光显微镜和电子显微镜。其中，光学显微镜通常仅用于生物气溶胶颗粒的粗略计数，分析不确定性较高。荧光显微镜通过检测生物成分固有的自发荧光或所施加荧光染料的信号进行操作，这些荧光信号的强度用于估算生物气溶胶浓度，该特性使得该方法对低浓度检测非常有效。此外，电子显微镜通过将电子束下观察到的超微结构与病毒核酸和蛋白质的生物学特征相结合来鉴定病毒，可以实现对单个生物气溶胶颗粒的特异性识别。然而，基于显微镜的生物气溶胶检测存在显著局限性，这是一项技术要求高、需要大量操作者专业知识的耗时且劳动密集型技术。
3.3. Molecular Biology-Based Monitoring Methods
基于分子生物学的生物气溶胶监测方法通过检测样品中的微生物DNA或RNA实现定性和定量分析。这些方法适用于识别空气中存在的所有微生物。凭借高灵敏度、强特异性和快速检测等优势，分子生物学技术广泛应用于环境质量评估和空气传播病原体监测，常用的方法包括聚合酶链式反应（PCR）、定量PCR（qPCR）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）和各种测序技术。PCR是微生物检测的标准方法，通过特定引物和耐热DNA聚合酶对数放大目标DNA区域。与传统的PCR相比，实时定量PCR具有结果更快、变异更低、灵敏度更高和可直接定量的优点。尽管PCR广泛用于鉴定水传和食源性细菌和病毒病原体，但其在大气生物气溶胶研究中的应用正在扩展，并且越来越多地与其他方法结合，例如DGGE和末端限制性片段长度多态性（T-RFLP），它们作为有价值的PCR后分析工具。近年来，高通量测序被广泛应用于表征大气环境中的微生物群落多样性和组成。该方法提取并克隆总环境微生物DNA以构建宏基因组文库，通过核酸系统分析，无需培养即可提供群落结构、物种多样性、代谢潜力和功能多样性。由于大多数环境微生物难以在低营养培养基上培养，传统的定量方法通常无法检测到它们。高通量测序是全面分析样品中所有微生物的有力工具。根据研究目标和预算，通常采用两种主要策略，涉及用于快速微生物群落分析的标记基因扩增子测序，或用于基因组成和功能潜力全面评估的全基因组鸟枪法测序。在病原体鉴定中，16S rRNA扩增子测序因其快速和成本效益而被广泛用于初步筛选和分类，特别适用于未培养或难以鉴定的细菌。然而，16S rRNA测序通常只能将生物体鉴定到属或种水平。当需要菌株水平鉴定、基因组结构分析或直接的功能基因分析时，全基因组鸟枪法测序具有决定性的优势。
3.4. Immunology-Based Monitoring Methods
免疫分析法利用抗体与颗粒表面相应抗原的特异性结合相互作用来检测目标生物气溶胶。通过酶促显色、荧光信号放大或胶体金标记，将结合事件转化为可检测的物理信号，从而实现定性或定量分析。代表性的免疫分析技术包括酶联免疫吸附测定（ELISA）、免疫荧光染色、免疫印迹和侧向流动免疫分析（LFIA）。ELISA因其高灵敏度和定量能力，被广泛用于检测生物气溶胶中的过敏原，已成为研究过敏原空气传播行为的重要工具。它不仅确认了目标过敏原在空气中的存在，还提供了其浓度和时空动态的准确数据。此外，对获得的浓度梯度信息进行分析，可以推断过敏原的扩散范围和扩散模式。
3.5. Monitoring Methods Based on Physicochemical Properties
生物气溶胶颗粒含有特定的有机分子，如蛋白质、辅酶、细胞壁成分和色素，这些分子从根本上将其与非生物气溶胶的化学成分区分开来。基于理化性质的方法通过分析其自发荧光特征或单颗粒化学成分，推断生物气溶胶的存在和传播风险。这些方法具有显著的实时性强、适合在线分析和适用于大规模筛查等优点。
3.5.1. Fluorescence Spectroscopy Technology
荧光光谱技术通过使用特定波长的激光激发颗粒内的本征荧光团，从而诱导特征荧光来检测生物气溶胶。信号由光电倍增管收集和记录，通常以光谱或图像数据呈现。激光诱导荧光（LIF）被认为能够实现非侵入、原位、高时间分辨率的颗粒检测。最近的进展已产生一系列仪器，包括宽带集成生物气溶胶传感器、紫外激光诱导荧光激光雷达和紫外空气动力学粒径谱仪。值得注意的是，紫外空气动力学粒径谱仪可以实时测量单个气溶胶颗粒的参数。凭借检测活体生物颗粒的高分辨率，紫外空气动力学粒径谱仪对于研究室内空气质量和大气条件对颗粒荧光的影响很有价值。此外，基于LIF原理的系统实现了实时监测。同时，随着人工智能和全息成像技术的进步，基于光散射和荧光的实时颗粒检测器不断发展。这些新兴工具各有特点，适用于不同环境，显著增强了生物气溶胶颗粒的识别能力。
3.5.2. Raman Spectroscopy
拉曼光谱通过分析单色激光的非弹性散射来识别生物气溶胶颗粒，该散射激发分子振动模式并产生特征光谱指纹。凭借单颗粒分析、信号采集快速和高特异性等优势，拉曼光谱越来越多地应用于微生物研究。然而，传统的拉曼信号固有较弱且易受干扰，可能导致生物气溶胶识别错误。为了解决这些问题，已开发了多种信号增强技术，包括表面增强拉曼散射、紫外共振拉曼、针尖增强拉曼散射和相干反斯托克斯拉曼光谱。
3.5.3. Mass Spectrometry Technology
质谱法通过分析电离样品成分的质荷比以获得特征蛋白或生物分子质量指纹，实现快速微生物鉴定。通过将这些指纹与参考光谱数据库进行比较，可以实现快速微生物鉴定，并支持实时生物气溶胶监测。该技术大致分为两类。第一类包括无基质激光解吸/电离方法，例如生物气溶胶质谱，它无需试剂或样品制备即可进行实时单颗粒分析。然而，它面临局限性，包括相对较低的离子传输效率、检测限和灵敏度。第二类是基质辅助激光解吸/电离质谱，它使用与分析物共结晶的基质，提供一种软电离方法，可最大程度减少分子碎片。通过保持分子完整性，MALDI-MS在区分类似颗粒类型方面实现了高分辨率，并常用于检测环境花粉以及致病或致敏微生物。
4. Conclusions and Prospects
本文综述了目前对大气生物气溶胶来源特征、来源解析和监测技术进展的认识。大气生物气溶胶的群落组成受季节和环境因素影响，在污水处理厂和垃圾填埋场等特定生境中观察到病原体和抗菌素耐药性基因传播的风险升高。污染源的复杂性使得来源解析技术，特别是那些依赖于数据库比较和概率模型的技术，对于精确的定量追踪变得不可或缺。生物气溶胶监测技术正向更高的灵敏度、通量和实时在线能力发展。虽然基于培养的传统方法仍然是标准方法，但它们存在操作复杂、无法检测不可培养微生物以及对微生物存活率有潜在影响等缺点。显微镜可以直接进行形态观察，但费时费力。相比之下，基于分子生物学的方法克服了基于培养方法的局限性，能够全面分析微生物群落结构和功能基因。基于免疫学的方法在过敏原定量检测方面具有明显优势。基于理化性质的技术促进了单个生物气溶胶颗粒的实时快速识别，显著增强了公共卫生场景下的应急响应能力。
随着生物气溶胶在生态演化、气候变化、人类健康影响和公共卫生安全方面的研究需求不断增长，对检测和溯源技术的精确性、效率和适用性提出了更高的标准。考虑到生物气溶胶来源解析和检测技术的发展现状，该领域的未来工作应优先考虑以下方向：系统建立具有特征的生物气溶胶数据库，开发包含本地相关来源的全面数据库；耦合实时在线监测与深度生物分析技术，开发便携式、自动化的集成系统，通过在线光谱技术实现高频预警筛查，同时集成分子生物学模块进行精确识别，满足公共卫生突发事件的快速响应需求；基于复杂环境优化来源解析模型和人工智能算法的应用，进一步探索机器学习和人工智能算法在生物气溶胶溯源中的应用，通过将其与已建立的来源解析方法相结合，目标是建立能够动态量化多种污染源贡献率的高精度模型。
