石油开采场大气环境中的生物气溶胶：时空分布、来源、影响因素、健康风险及口罩的过滤效率

《Environmental Pollution》：Bioaerosols in the atmospheric environment of oil exploitation sites: spatial and temporal distribution, sources, influencing factors, health risks, and reduction efficiency of masks

　　

颗粒结合微生物由于其健康效应和污染物代谢活性而引起了越来越多的关注。然而，在重颗粒物及挥发性有机化合物（VOCs）污染的石油开采现场，气传微生物的特征仍不清楚。本研究在中国京津冀地区受石油开采污染的城市采集了生物气溶胶样本，并调查了生物气溶胶的时空分布、来源、影响因素、健康风险及过滤效率。结果表明，秋季平均可培养生物气溶胶和总生物气溶胶水平显著高于夏季，而微生物活性则呈现相反的季节趋势。在钢铁厂、内陆油井和化工产业园发现了更高的浓度，表明工业活动可能会增加生物气溶胶水平。微生物活性与浓度之间未观察到显著相关性。微生物群落的多样性和丰度在不同季节之间存在显著差异，以原油降解菌、无芽孢梭菌属和短杆菌属为主要细菌，以枝孢菌属和链格孢属为主要真菌。SourceTracker 分析显示，气传细菌主要源自叶片表面，而叶片表面和土壤群落对大气真菌的贡献更为明显。气传细菌更易受 VOCs 影响，而环境因素对真菌群落结构的影响更大。吸入生物气溶胶的危害商（<1）可忽略不计，但长期暴露于优势病原菌（芽孢杆菌属和分枝杆菌属）可能有害。实际佩戴掩膜只能去除 13.7% 的生物气溶胶，远低于实验室测量值。总之，本研究阐明了石油开采活动对塑造气传微生物群落的影响，为石油开采现场生物气溶胶的风险评估和控制提供了实用见解。

颗粒结合微生物构成了颗粒物（PM）中不可忽略的比例，占大气 PM 的 30%-80%（Humbal 等，2018；Xie 等，2018a）。除了影响大气环境质量和气候动态外，这些微生物也对人类健康产生重大影响（Joung 等，2017）。据报道，由于病原体的存在，暴露于生物气溶胶可能会引发或加剧哮喘、过敏及其他呼吸道疾病（Kim 等，2018）。潜在传染病如结核病、百日咳、流感及肺炎球菌疾病与一系列气传病原体有关，例如结核分枝杆菌、百日咳博德特氏菌、SARS-CoV-2 病毒及肺炎链球菌（Dinkele 等，2024；Ristori 等，2024）。此外，呼吸道疾病死亡率升高与特定致病属呈正相关，特别是不动杆菌属、棒状杆菌属、分枝杆菌属和葡萄球菌属（Hong 等，2024）。因此，由于其传播气传病原体并促成呼吸道疾病的潜力，迫切需要高度重视颗粒结合微生物。

生物气溶胶可分为自然源和人为源。源自自然源的生物气溶胶通常致病性较低（Feng 等，2024），而人为和工业活动已被证明会特异性增加空气中潜在病原体的相对丰度（Jiang 等，2022）。研究表明，人造设施排放的颗粒结合微生物在中国随着经济增长呈上升趋势。许多研究致力于评估微生物密集环境的生物气溶胶污染概况，特别是病原菌水平，包括农场（鸡舍、猪场和牛场）、城市固体废物填埋场和污水处理厂（Feng 等，2024）。例如，Xie 等报告称农场大气中的主要病原菌包括芽孢杆菌属、棒状杆菌属和链球菌属，主要源自动物粪便和饲料或相关农业活动（Xie 等，2021）。病原菌（如芽孢杆菌目、芽孢杆菌属和伯克霍尔德氏菌 - 副伯克霍尔德氏菌）和致敏真菌（如曲霉属、枝孢菌属和弯孢菌属）在填埋场中占主导地位（Liang 等，2023）。相比之下，源自工业活动的生物气溶胶长期被忽视，因为工业活动并不直接排放生物气溶胶。然而，鉴于生物气溶胶是通过微生物附着在颗粒物上并随后聚集形成的，工业排放的颗粒物及挥发性有机化合物（VOCs）可能会改变周边环境介质（如水、土壤和植被）产生的生物气溶胶，从而改变其相关健康风险。Zhang 等调查了电子废物工业园附近室内生物气溶胶的群落组成、来源和影响因素，发现较高的微生物活性可能是由电子废物拆解过程中释放的污染物引起的（Zhang 等，2023a）。然而，对于像石油开采这样以高颗粒物和 VOCs 排放为特征的工业活动，生物气溶胶的时空分布、来源、影响因素和健康风险仍未知。

个人保护免受气传病原体吸入的最常见且具成本效益的工具是佩戴口罩。口罩可以过滤掉大多数颗粒物和液滴，从而减少附着在空气中的病原体进入呼吸道的可能性（Greenhalgh 等，2024）。以前的研究比较了不同口罩的保护效果，评估了外科口罩对细菌气溶胶和流感病毒的过滤效率（FE），并揭示了其影响因素，如佩戴时长和呼吸量（Li 等，2022；Makison Booth 等，2013；Salimnia 等，2021）。然而，这些研究是在实验室条件下进行的，模拟了温度、湿度、气溶胶粒径和呼气量。这些实验室实验未考虑许多可能影响口罩过滤效率的因素。例如，当手触摸口罩时，口罩上的颗粒可能会脱落。此外，由于佩戴不当或口罩设计欠佳导致口罩与面部轮廓之间的缝隙泄漏，可能会显著降低过滤效率（Li 等，2022）。因此，迫切需要评估在真实佩戴条件下口罩吸入生物气溶胶的保护效率。

河北省属于京津冀（BTH）地区，由于石油开采活动，是中国污染最严重的地区之一。根据生态环境部发布的环境质量状况，河北省的几个城市，如人口密度较高且工业制造活动集中的唐山，在空气质量方面仍位于中国重点城市后 20 名（Li 等，2025）。曹妃甸区是唐山的主要工业区，主要以石油开采和钢铁工业为主，受 VOCs 和颗粒物污染，对工人构成急性和慢性职业疾病风险（Wang 等，2023；Zhang 等，2023b）。

为了揭示石油开采活动对气传微生物的影响，本研究采用基于培养的技术和扩增子测序分析相结合的方法，调查了石油开采区的可培养生物气溶胶水平以及微生物多样性和丰度。此外，还使用了生物信息学分析方法，如 SourceTracker，来追溯生物气溶胶的来源。另外，使用美国环境保护署推荐的模型对成人和儿童吸入生物气溶胶的风险进行了评估。最后，还评估了佩戴外科口罩对吸入生物气溶胶的减少效果。本研究旨在为政府部门制定合理有效的生物气溶胶污染防治措施提供数据支持和理论指导。

章节片段

采样点与样本采集
采样点位于中国河北省唐山市曹妃甸区（39°01′50′′–39°18′05′′N, 118°11′10′′–118°37′ 55′′E），该区域是一个主要的经济增长中心。它也是京津冀地区的重要港口和工业区。地理位置上，曹妃甸区位于渤海南岸，总面积为 2114 平方公里，常住人口约为 367,700 人，属于温带半湿润

可培养生物气溶胶的浓度和粒径
如图 1a 和 1b 所示，夏季可培养生物气溶胶的平均浓度为 906 CFU/m3，显著低于秋季（2011 CFU/m3）。具体而言，在夏季，Town1（n=3）和 Lake1（n=3）中的气传细菌和真菌浓度分别显著高于其他地点。这可能与人类活动和植被释放的细菌和真菌增加有关，因为 Town1 位于一个

生物气溶胶浓度的季节变化
秋季可培养生物气溶胶的浓度显著高于夏季。这可能与相对较高的平均风速（平均 4.6 米/秒）（表 S1）有关，因为风是将活体生物颗粒从水、土壤和植被排放到大气中的关键驱动因素（Monahan 等，1983）。以前的研究也表明，总细菌气溶胶和可培养细菌气溶胶以及总病毒气溶胶随着上升的岸风风速而增加（

结论

本研究调查了中国河北省一个典型石油开采区生物气溶胶的污染概况和吸入健康风险。生物气溶胶的浓度随季节变化，在钢铁厂（SP）、内陆油井（IOA1 和 IOA2）和化工产业园（CIP1 和 CIP2）发现的浓度显著高于其他地方，表明工业活动有助于生物气溶胶浓度的升高。生物气溶胶主要是

CRediT 作者贡献声明
倪嘉生：调查，数据整理。梁志树：撰写 – 审阅与编辑，监督，方法论。黄思敏：撰写 – 审阅与编辑，方法论。陈震：可视化，调查。李浩：可视化，调查。冯启浩：调查。何申：撰写 – 原始草稿，调查。姚宗庭：数据整理。杨宏杰：撰写 – 原始草稿，形式分析

利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（42130611, 42177410, 42307530），中国国家重点研发计划（2023YFC3708201），广东省珠江人才计划地方创新研究团队项目（2017BT01Z032）以及广东省重点领域研发计划（2022-GDUT-A0007）的资金支持。

杨宏杰 | 何申 | 姚宗庭 | 李浩 | 冯启浩 | 黄思敏 | 陈震 | 倪嘉生 | 梁志树
粤港澳污染物暴露与健康联合实验室，广东省环境催化与健康风险控制重点实验室，环境健康与污染控制研究所，广东工业大学，中国广州 510006