以住宅木材燃烧为主的城市智利特木科的空气细菌与真核微生物群落

《Agronomy》：Airborne Bacterial and Eukaryotic Communities in Temuco, Chile, a City Dominated by Residential Wood Combustion

　　

空气颗粒物（PM）对人体健康有影响，尤其是在重污染地区。本研究聚焦于智利南部以住宅木材燃烧为主的城市特木科。研究人员首次对该区域空气中的真核微生物群落进行了表征，并平行分析了细菌群落，探讨了它们与水溶性无机离子（WSIIs）及气象变量的关联。细菌和真核微生物群落分别通过16S和18S rRNA基因测序进行解析。结果表明，PM_2.5和PM₁₀的平均浓度分别为75.0和87.7 μg/m³，其中PM_2.5超过了智利国家空气质量标准（PM_2.5：50 μg/m³；PM₁₀：130 μg/m³），凸显了该地区持续存在的细颗粒物污染问题。在WSIIs中，NO₃^?（5.6 μg/m³）、SO₄^2?（2.6 μg/m³）和K⁺（2.6 μg/m³）含量最为丰富，表明二次气溶胶生成和住宅生物质燃烧的重要贡献。在属水平上，Clostridium（6.2%）、Hymenobacter（4.3%）和Sphingomonas（4.3%）主导细菌群落，而Coriolopsis（41.0%）和Hyphodontia（26.9%）是主要的真核微生物类群。群落组成在不同季节和不同粒径组分间存在差异，其中季节变化似乎更为显著。相关分析和冗余分析（RDA）进一步显示，在细菌RDA中SO₄^2?（载荷 = 0.7146）和温度（Temp，载荷 = 0.7101）的载荷相对较高，而在真核微生物RDA中Cl^?（载荷 = ?0.9054）和SO₄^2?（载荷 = ?0.7176）的载荷相对较高。总体而言，这些发现为以住宅木材燃烧为主的城市中大气微生物的生态学及其潜在环境关联提供了重要见解。

论文解读：智利特木科空气细菌与真核微生物群落的季节动态及环境关联

**1. 研究背景与科学问题**

生物气溶胶广泛分布于大气中，主要由细菌、真菌、病毒、藻类等微生物以及花粉、植物残体等组成。空气微生物的传播和扩散在生态过程、公共健康和大气动力学中发挥着重要作用，不仅促进微生物跨环境交换，还可能造成病原体的区域传播，并参与云形成和降水过程。已有研究表明，某些细菌属如奈瑟菌属（*Neisseria*）、棒状杆菌属（*Corynebacterium*）和芽孢杆菌属（*Bacillus*）包含重要病原种，可分别导致脑膜炎、白喉和炭疽病。近年来，空气真核微生物因其作为潜在过敏原并与哮喘、过敏性肺炎等呼吸道疾病相关而受到日益关注。大气颗粒物（PM）可作为病原微生物的载体，细颗粒物（PM_2.5）能深入肺部，粗颗粒物（PM₁₀）则更多携带来自土壤和植被的微生物。颗粒物中的化学组分（如水溶性无机离子，WSIIs）可通过改变颗粒物酸度、养分和水分条件影响微生物的存活和群落组成。季节变化和气象条件同样显著影响生物气溶胶的组成与浓度。

智利南部城市特木科是以住宅木材燃烧为代表的严重PM污染城市。冬季采暖期大量住宅木材燃烧，加之低温、逆温和不利扩散条件，导致PM大量积累，其中PM_2.5在特定时期可占PM₁₀的89.9%。官方排放清单显示，住宅木材燃烧贡献了约91.2%的PM_2.5排放。尽管已有研究对该区域PM相关细菌群落进行了初步探索，但针对空气真核微生物的研究尚属空白，且关于季节变化、粒径分级和气溶胶化学组成对细菌和真核群落的联合影响研究很少。因此，本研究旨在系统调查特木科空气中细菌和真核微生物群落的组成、结构和多样性，并评估其与环境因子的关联。

**2. 研究目标与主要结论**

研究人员于2021年6月至10月在特木科郊区（拉弗龙特拉大学三层建筑屋顶，南纬38°44′45.2″，西经72°36′58.4″，海拔130 m）采集PM_2.5和PM₁₀样品，利用16S和18S rRNA基因扩增子测序分别解析细菌和真核群落，并测定13种水溶性无机离子及获取气象数据。研究得出以下主要结论：特木科PM_2.5平均浓度为75.0 μg/m³，超过智利国家标准（50 μg/m³），冬季浓度（104.6 μg/m³）显著高于春季（23.3 μg/m³）；WSIIs中NO₃^?（5.6 μg/m³）、SO₄^2?（2.6 μg/m³）和K⁺（2.6 μg/m³）最丰富，反映二次气溶胶形成和生物质燃烧的贡献；细菌群落以Proteobacteria（38.5%）、Firmicutes（26.8%）和Actinobacteria（22.9%）为主，优势属为Clostridium（6.2%）、Hymenobacter（4.3%）和Sphingomonas（4.3%）；真核群落以Basidiomycota（30.0%）、Streptophyta（27.7%）和Ascomycota（22.7%）为主，优势属为Coriolopsis（41.0%）和Hyphodontia（26.9%）；细菌α多样性冬季高于春季，真核丰富度季节差异有限但Shannon多样性冬季更高；群落组成存在明显季节分离；冗余分析（RDA）显示SO₄^2?和温度对细菌群落影响较大，Cl^?和SO₄^2?对真核群落影响较大。该研究填补了该区域空气真核微生物研究的空白，为理解住宅木材燃烧城市的大气微生物生态提供了基线数据。

**3. 主要关键技术方法**

研究使用了以下主要技术方法：（1）样品采集：采用配备低流量采样器和β射线衰减监测仪（BAM）的空气质量监测（AQM）系统，在特木科郊区的大学建筑屋顶采集PM_2.5和PM₁₀样品，采样时长为2021年6月至10月。（2）DNA提取与测序：使用土壤DNA提取试剂盒提取滤膜DNA，分别扩增16S rRNA基因V3–V4区和18S rRNA基因V8区，采用Illumina MiSeq平台进行双端测序（2 × 300 bp）。（3）生物信息学分析：使用QIIME 2（DADA2插件）进行质量过滤、去噪和ASV生成，分别采用Greengenes 13_8和SILVA 132数据库进行物种注释。（4）离子色谱（IC）分析：定量13种水溶性无机离子（F^?、Cl^?、NO₂^?、Br^?、NO₃^?、PO₄^3?、SO₄^2?及Li⁺、Na⁺、NH₄⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）。（5）统计分析：采用Spearman相关分析（Benjamini–Hochberg校正）、去趋势对应分析（DCA）、方差膨胀因子（VIF）筛选和冗余分析（RDA）评估微生物群落与环境因子的关系。样本来源为智利特木科的大气采样点。

**4. 研究结果**

**4.1 颗粒物与水溶性无机离子特征**

PM_2.5和PM₁₀平均浓度分别为75.0和87.7 μg/m³，PM_2.5超过智利日标准（50 μg/m³）。冬季PM_2.5和PM₁₀平均浓度（104.6和118.1 μg/m³）显著高于春季（23.3和34.5 μg/m³），表明冬季污染远严重于春季。WSIIs中K⁺（2.6 μg/m³）和NH₄⁺（2.2 μg/m³）为主要阳离子，NO₃^?（5.5 μg/m³）、Cl^?（2.9 μg/m³）和SO₄^2?（2.6 μg/m³）为主要阴离子。Cl^?和K⁺是生物质燃烧的典型示踪物，NO₃^?和SO₄^2?是二次无机气溶胶的重要组分。冬季五种主要离子浓度是春季的4.6–6.0倍，与冬季采暖燃烧排放增加及二次气溶胶形成过程有关。

**4.2 微生物群落组成与多样性**

**4.2.1 微生物群落分类鉴定**

基于16S rRNA基因测序获得375,935条高质量序列，18S rRNA基因测序获得761,211条高质量序列。细菌群落中Proteobacteria（38.5%）、Firmicutes（26.8%）和Actinobacteria（22.9%）为优势门。冬季Firmicutes相对丰度（33.4%）显著高于春季（14.5%），而Actinobacteria从冬季的18.7%增至春季的30.7%。优势属为Clostridium、Hymenobacter和Sphingomonas（分别占6.2%、4.3%和4.3%）。冬季Pseudomonas、Bacillus和Corynebacterium丰度较高，春季则土壤相关属（如Hymenobacter 7.5%、Turicibacter 4.3%、Modestobacter 3.8%）更丰富。真核群落中Basidiomycota（30.0%）、Streptophyta（27.7%）和Ascomycota（22.7%）为优势门，优势属Coriolopsis（41.0%）和Hyphodontia（26.9%）均为担子菌门的多孔菌和皮菌类，与木材分解相关，能持续向大气释放孢子。

**4.2.2 微生物群落多样性**

细菌α多样性（Chao1和Shannon指数）冬季显著高于春季，冬季PM_2.5和PM₁₀样品的平均Chao1值分别为802.3和758.3，Shannon指数均为5.6，而春季相应值较低（Chao1 613.0和515.5，Shannon 3.8和3.5）。冬季高多样性可能与严重颗粒物污染、低温降低细菌灭活速率及边界层高度降低限制垂直扩散有关。真核群落Chao1指数季节差异较小（273.0–406.5），但Shannon指数冬季（4.3和3.7）高于春季（2.6），春季花粉和真菌孢子的集中释放可能增加了少数类群的相对优势度。主坐标分析（PCoA）显示细菌和真核群落均表现出明显的季节分离，前两轴累积方差解释率分别为38.0%和52.1%。

**4.3 微生物群落与环境因子的相关性**

Spearman相关分析显示，冬季NH₄⁺和NO₃^?与Rubellimicrobium显著正相关（r = 0.82），与Methylobacterium负相关（r = ?0.82），可能反映二次无机离子与土壤源细菌的关联以及对植物相关类群的抑制。春季Na⁺和Mg²⁺与Pseudomonas负相关（r = ?0.8），与Clostridium正相关（r = 0.8），Mg²⁺/Na⁺比值接近海水参考值（~0.12），表明海洋气团影响。真核群落中，冬季Wallemia与多数WSIIs正相关，尤其与Ca²⁺和Mg²⁺强正相关（r = 0.99），可能关联矿物尘颗粒。RDA结果表明，细菌群落的第一、二轴解释了83.2%的变化，SO₄^2?（载荷0.7146）和NO₃^?（载荷0.6879）在RDA1轴上载荷较高，温度（载荷0.7101）在RDA2轴上贡献较大；真核群落第一、二轴解释了80.4%的变化，Cl^?（载荷?0.9054）和SO₄^2?（载荷?0.7176）在RDA1轴上载荷较高。SO₄^2?和NO₃^?与Bacillus和Ralstonia的方向接近，Ralstonia与NO₃^?正相关（r = 0.78），可能与其硝酸盐感应系统（NarX–NarL）有关。真核群落中Malassezia与SO₄^2?向量接近，可能与含硫酸盐颗粒的吸湿性为真菌附着提供条件有关，但需进一步验证。

**5. 讨论与结论**

研究讨论指出，冬季住宅木材燃烧不仅直接排放颗粒物，还通过气态前体物氧化形成二次无机气溶胶（如NO₃^?和SO₄^2?），加剧细颗粒物污染。细菌群落冬季较高的多样性与多种源输入（燃烧、土壤再悬浮、植被释放）以及不利扩散条件有关。真核群落中木材腐朽真菌（如Coriolopsis和Hyphodontia）的优势地位表明当地木材燃烧相关基质和植被可能是重要微生物来源。环境因子分析揭示了WSIIs和温度对微生物群落的潜在塑造作用，但样本量有限（n = 11），相关性和RDA结果应谨慎解释，需更大规模数据验证。

研究结论为：特木科PM_2.5平均浓度为75.0 μg/m³，超过智利国家标准；WSIIs中NO₃^?、SO₄^2?和K⁺最丰富；细菌群落冬季丰富度和多样性更高，真核群落丰富度季节差异有限但Shannon多样性差异明显；冬季住宅木材燃烧不仅贡献一次颗粒物，还可能通过二次气溶胶形成加剧细颗粒物污染。RDA显示SO₄^2?和温度在细菌RDA中载荷较高，Cl^?和SO₄^2?在真核RDA中载荷较高。该研究提供了以住宅木材燃烧为主的城市中空气微生物群落的基线信息。减少住宅木材燃烧，尤其是在冬季，可能有助于缓解特木科的PM_2.5污染并改善空气质量。