沿海城市细颗粒物与粗颗粒物上空气细菌及潜在病原体的季节变化

《Microorganisms》：Seasonal Variation of Airborne Bacteria and Potential Pathogens Adhere to Fine and Coarse Particles in a Coastal City

　　

空气细菌表现出高度的分类多样性，并可通过致病性感染、过敏致敏以及免疫调节或共生暴露影响人类健康，这一点已有充分文献记载。然而，对于青岛这一黄海沿岸特大城市的空气细菌群落结构，特别是预测潜在病原体的季节动态、粒径分辨分布及功能潜力的表征仍十分有限。研究结果显示群落结构存在显著季节变化：葡萄球菌属（*Staphylococcus*）、乳杆菌属（*Lactobacillus*）、埃希菌-志贺菌属（*Escherichia–Shigella*）和克雷伯菌属（*Klebsiella*）在所有样本中持续占优势。LEfSe分析鉴定出葡萄球菌属在秋季显著富集，支持其作为稳健的季节性生物标志物（LDA > 3.5，p < 0.05）。该属主要与人类来源相关，并包含机会性病原体，因此对人类健康构成潜在风险。夏季与秋季群落之间存在显著组成差异，表现为较高的β偏差指数，而不同粒径组之间无统计学显著差异。所有季节中PM10的Chao指数和Shannon指数均持续高于PM2.5；然而，这种与粒径相关的差异仅在秋季PM10中达到统计学显著性（p < 0.05），表明粗颗粒物对微生物丰富度和均匀度具有季节性放大的效应。这些分析为城市沿海环境中空气细菌及潜在病原体的总体特征提供了新的见解。

**沿海城市细颗粒物与粗颗粒物上空气细菌及潜在病原体的季节变化研究解读**

**1. 研究背景与目的**

生物气溶胶由细菌、真菌、病毒及其他生物颗粒组成，不仅影响气候过程，也对人体健康构成潜在威胁。空气细菌作为生物气溶胶的重要组分，具有高度的分类多样性，可通过致病感染、过敏致敏及免疫调节等方式影响人体健康。不同来源的空气细菌具有独特的环境起源，例如水生细菌经海洋或淡水表面的气泡破裂机制释放，土壤相关细菌在农业活动中再悬浮，烹饪排放富集油脂相关细菌，而畜牧业附近则常见动物相关类群。此外，地理区位和大气条件（如霾事件）对空气细菌群落组成具有选择性影响。已有研究显示，中国不同城市呈现出区域性特征，如广州以厌氧芽孢杆菌属（*Anoxybacillus*）、短芽孢杆菌属（*Brevibacillus*）和不动杆菌属（*Acinetobacter*）为优势属，而济南以葡萄球菌属（*Staphylococcus*）为主。这些空间差异凸显了开展城市特异性研究的必要性。

青岛作为黄海沿岸的特大城市，因其紧邻海洋的独特地理位置和强烈的海洋影响而受到科学关注。前期研究虽已对青岛空气细菌进行了一定表征，例如在雾霾和沙尘天气下的浓度测定及季节多样性分析，但对该地区空气细菌群落结构，特别是潜在病原体的季节动态和粒径分布特征的系统性认识仍十分有限。此外，不同粒径颗粒物在呼吸道中的沉积部位不同，PM10（空气动力学直径≤10 μm）主要沉积于上呼吸道，而PM2.5（≤2.5 μm）可深入肺泡区域并穿越肺泡-毛细血管屏障进入体循环，因此粒径分化对病原菌的健康效应具有重要意义。本研究旨在通过对PM2.5和PM10样本的16S rRNA基因高通量测序，解析青岛地区空气细菌及潜在病原体的分类组成、季节动态和粒径分布，为理解沿海城市空气病原菌的环境归趋、传输驱动因子及公共卫生相关性提供机制性见解。该论文发表在《Microorganisms》。

**2. 主要技术方法**

本研究于2021年8月（夏季）和11月（秋季）在青岛一处海岸建筑的屋顶使用中流量空气采样器（TH-150A）采集PM2.5和PM10样本，采样流速为100 L/min，每样本连续采集23小时，使用预烧处理的石英纤维滤膜。样本命名中“F”代表PM2.5滤膜，“C”代表PM10滤膜。采用TIANGEN土壤DNA提取试剂盒提取总基因组DNA，扩增细菌16S rRNA基因的V3–V4高变区，在Illumina MiSeq平台进行双端测序（2 × 300 bp）。生物信息学分析依托Majorbio Cloud平台，使用Mothur计算α多样性指数，基于Bray–Curtis距离进行非度量多维尺度分析（NMDS）评估β多样性，采用线性判别分析效应大小（LEfSe）鉴定组间差异生物标志物，并利用BugBase预测细菌表型（包括致病潜力），从中提取潜在病原体类群数据进行后续分析。

**3. 研究结果**

**3.1 PM2.5和PM10中总细菌及潜在病原体群落**

在属水平上，葡萄球菌属、乳杆菌属、埃希菌-志贺菌属和克雷伯菌属在所有样本中持续占优势，但相对丰度呈现显著的季节和粒径依赖性变化。LEfSe分析鉴定葡萄球菌属为秋季显著富集的生物标志物（平均相对丰度30.32% vs. 夏季7.74%，LDA > 3.5，p < 0.05）；其在PM10中的平均丰度（24.03%）高于PM2.5（17.18%），粒径分层在秋季更为明显（秋季PM10为36.27%，秋季PM2.5为24.61%），但差异未达统计学显著水平。克雷伯菌属被鉴定为夏季的生物标志物（平均相对丰度11.54%），显著高于秋季（1.79%）。乳杆菌属在PM2.5中显著富集（22.72% vs. PM10中的4.46%），成为细颗粒物的粒径特异性生物标志物。埃希菌-志贺菌属在夏季占14.37%，秋季降至4.88%。

在门水平上，芽孢杆菌门（Bacillota）、假单胞菌门（Pseudomonadota）、放线菌门（Actinomycetota）和蓝菌门（Cyanobacteriota）为四大优势门。假单胞菌门被鉴定为夏季富集的生物标志物，而芽孢杆菌门在秋季显著富集。BugBase表型预测显示，所有样本均检出潜在病原体表型（相对丰度1.66–33.07%）。葡萄球菌属是预测病原菌类群中最丰富的属，驱动了秋季和PM10组分中潜在病原体相对丰度的显著升高。其他预测含潜在病原体的属包括棒状杆菌属（*Corynebacterium*）、不动杆菌属、假单胞菌属（*Pseudomonas*）、假黄单胞菌属（*Pseudoxanthomonas*）、梭菌属（*Clostridium*）和塞加特菌属（*Segatella*），各属在不同季节和粒径组中表现出差异化的丰度分布。

**3.2 空气细菌及潜在病原体的α多样性**

α多样性指数（Shannon和Chao）在季节组间（夏季 vs. 秋季）和粒径组间（PM2.5 vs. PM10）总体无统计学显著差异（p > 0.05），但秋季PM10样本的Chao指数显著高于所有其他组（p < 0.05），表明秋季粗颗粒物承载了更丰富和均匀的细菌群落。总细菌Chao丰富度范围为29–1883，Shannon多样性范围为0.25–6.84；预测潜在病原体的Chao和Shannon指数范围分别为2–348和0.20–5.22。

**3.3 总细菌及潜在病原体的β多样性**

β多样性分析显示，总细菌群落（p < 0.01）和预测潜在病原体群落（p < 0.05）在不同采样组间存在显著组成差异。夏季PM2.5样本形成独立聚类，与其他所有组显著分离（总细菌p < 0.001），表明季节与粒径之间存在强烈交互作用。基于βNTI的生态过程推断表明，同质选择在总细菌群落中持续占主导（夏季32.10%，秋季31.00%）；异质选择在秋季（27.98%）较夏季（12.35%）显著升高。夏季PM2.5群落主要受随机漂变控制（67.35%）。在预测潜在病原体群落中，随机过程（特别是漂变）占主导，但秋季异质选择比例升至20.79%，且秋季PM10组是唯一五个生态过程均持续存在的条件，表明粗颗粒物在秋季呈现更为平衡的确定性与随机性过程相互作用。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，葡萄球菌属在青岛所有气溶胶样本中持续占优势，其来源包括人为排放和自然储库（土壤、淡水、海洋沉积物）。作为人体皮肤和肠道微生物群的共生成员，葡萄球菌通常在健康个体中不致病的，但在菌群失调、免疫抑制或解剖屏障受损条件下可造成显著感染风险。该属在贝尔格莱德秋季PM中也被检出为推定病原体，支持其作为跨区域空气质量和公共卫生风险评价的高优先级微生物指标。与乌鲁木齐、长沙、北京等城市的优势属比较进一步表明，空气细菌群落组成受局部环境和人为驱动因素强烈塑造，具有城市特异性。α多样性方面，粗颗粒物中的Chao和Shannon指数仅在全数据集层面略高而未达显著，但秋季PM10显著升高，表明粒径效应具有季节性放大作用。研究还指出室外空气微生物可通过渗透、通风和自然换气进入室内环境，因此表征室外空气细菌群落对室内空气质量管理和公共卫生评估具有重要意义。

研究结论部分总结如下：空气细菌群落在分类组成和多样性结构上表现出显著的季节变化。葡萄球菌属、乳杆菌属、埃希菌-志贺菌属和克雷伯菌属在所有样本中持续占优势。LEfSe分析鉴定出葡萄球菌属在秋季显著富集，支持其作为稳健的季节性生物标志物。夏季和秋季之间的整体群落组成存在显著差异。Chao和Shannon α多样性指数在各季节中均表现为粗颗粒物高于细颗粒物；然而，这种粒径相关差异仅在秋季PM10样本中达到统计学显著性，表明粒径对微生物丰富度和均匀度的影响具有季节放大效应。该研究为沿海城市环境中空气潜在病原菌提供了基础数据，以支持未来定量微生物风险评估，从而实现对生态系统完整性和公共卫生风险的综合评价，并为推进微生物生态学研究提供了有价值的生物信息学资源。