城市空气中细菌与真菌生物气溶胶：空气质量退化的叙述性综述与概念框架

《Sustainable Environment》：Bacterial and fungal bioaerosols in urban air: A narrative review and conceptual framework for air quality degradation

　　

城市空气污染长期以来主要通过化学视角进行评估，忽视了细菌和真菌生物气溶胶（bioaerosols）在数量上和功能上的重要性。本叙述性综述综合了近期证据，表明空气中的微生物在城市中普遍存在，浓度范围为102至105 CFU m-3，并对PM10和PM2.5质量有显著贡献。关键的是，生物气溶胶并非惰性物质：它们仍保持代谢活性，分泌有机酸、含氮化合物和氧化还原活性代谢产物，并参与大气化学反应，包括二次气溶胶形成、云过程处理和氧化潜势增强。它们的存在通过内毒素（endotoxins）、过敏原（allergens）和生物活性片段加剧了颗粒物的毒性。本研究提出了一个概念框架，将生物气溶胶定位为城市大气系统中的动态参与者。尽管如此，监管框架仍排除了生物学指标，导致健康风险被低估。研究人员主张将生物气溶胶纳入下一代空气质量模型和标准中。

1. 引言与理论依据

传统上，城市空气污染被概念化和监管为一个以化学为主导的问题，颗粒物、氮氧化物、硫化合物和挥发性有机物构成了空气质量评估框架的核心。然而，这一以化学为中心的范式同时边缘化了大气颗粒物中的生物组分。生物气溶胶，定义为包括细菌、真菌、孢子和花粉在内的空气传播的生物源颗粒，构成了城市颗粒物中数量可观且功能重要但代表性不足的部分。积累的证据表明，细菌和真菌生物气溶胶在城市大气中普遍存在，通常对PM₁₀和PM_2.5质量有显著贡献，并对气溶胶化学、云过程和人体暴露途径产生影响。化学污染物通常是惰性的或经历非生物转化，而生物气溶胶则代表能够进行代谢、繁殖和与其环境发生生化相互作用的活体或曾经存活的实体。空气中的细菌和真菌可以积极处理有机底物，分泌代谢物和酶，并参与改变大气颗粒物理化性质的氧化还原反应。这些发现强调了生物气溶胶作为大气化学的动态参与者而非被动示踪剂的作用。尽管证据不断增多，当前的空气质量监测框架和监管标准仍然主要关注化学指标，生物气溶胶很少被纳入常规监测，户外环境中也不存在针对空气传播细菌或真菌的标准化暴露阈值。

2. 概念框架：城市空气质量系统中的生物气溶胶

生物气溶胶包含多种空气传播的生物实体，主要是细菌和真菌，它们在大小、结构、生态功能和大气行为上差异显著。细菌生物气溶胶的空气动力学直径通常在0.3到2.5微米之间，常与细颗粒物相关联，而真菌孢子通常更大，主要贡献于粗颗粒物。在城市空气质量系统中，生物气溶胶与大气化学成分和颗粒物动态相互作用。细菌和真菌吸附并代谢有机物，分泌次生代谢物，并通过氧化和缩合反应影响二次有机气溶胶的形成。这些相互作用扩展到云和雾化学，其中溶解性有机物介导养分循环、氧化过程和冰核潜力。微生物学、气溶胶科学和大气化学的综合为理解城市生物气溶胶行为提供了一个全面的框架。排放来源于多种渠道，包括土壤、植被、农业活动、废水、废物处理场所和其他人类活动。一旦进入空气，微生物会受到风力的输送、重力沉降的沉积以及紫外线辐射、温度、湿度和化学暴露的灭活作用。生物气溶胶的大气转化因此是内在微生物活动和外部环境条件的函数，形成了一个高度动态的系统。

3. 综述方法论

本文是一篇叙述性综述，旨在提供广泛的综合并为理解细菌和真菌生物气溶胶在城市空气质量退化中的作用建立一个概念框架。它整合了来自采用不同方法的研究的定量和定性证据。检索策略覆盖了Scopus、Web of Science、PubMed和ScienceDirect四个主要科学数据库，时间主要限定在2018年至2025年。初始检索共获得312条记录，经过筛选最终保留了43项研究进行分析。纳入标准要求研究聚焦于户外城市或城郊环境，报告细菌或真菌生物气溶胶的定量测量，并允许物种或属水平的表征。最终纳入的研究涵盖了广泛的地理范围，包括东亚、南美、欧洲、北美和非洲。值得注意的是，现有文献的地理分布不均，非洲大陆和全球南方其他地区的数据明显缺乏。

4. 采样、检测与定量技术

城市生物气溶胶的准确表征从根本上受到可用采样和分析技术多样性的限制。传统的培养方法因其简单、成本效益高以及能够分离活微生物用于下游分析而被广泛使用，但它们会严重低估微生物丰度。分子方法，如16S rRNA基因和内部转录间隔区的高通量测序，允许全面分析微生物群落组成，包括不可培养的分类群。宏基因组学和宏转录组学通过识别基因含量、代谢潜力和活跃的微生物过程提供功能见解，而定量PCR则能实现每立方米空气中基因拷贝数的绝对定量。先进的化学生物学工具进一步丰富了对生物气溶胶活性的理解，例如傅里叶变换离子回旋共振质谱法可以实现空气传播微生物释放的外代谢物的高分辨率分析。定量单位在研究之间差异很大，包括CFU m^-3、基因拷贝数m^-3或孢子计数，这使直接比较变得复杂。

5. 城市环境中细菌和真菌生物气溶胶的定量水平

城市监测研究的定量证据一致表明，细菌和真菌生物气溶胶是全球城市大气颗粒物的重要组成部分，其浓度因地理、气候和城市功能而异。报道的户外城市空气中细菌浓度通常在10²至10⁵ CFU m^-3范围内，而真菌浓度通常在10²至超过10⁴ CFU m^-3范围内。热带和亚热带城市的真菌优势持续升高，特别是在温暖潮湿的时期。相比之下，细菌生物气溶胶在温带和干旱城市区域往往在数量上占优，尤其是在干旱季节。季节性变化是一个稳健且反复出现的模式，春季和夏季细菌和真菌丰度均出现显著峰值。城市内部的空间异质性同样显著，在废物处理设施、露天垃圾场和污水处理厂附近的测量值比城市背景站点高出1到2个数量级。城市密度和污染负荷对生物气溶胶水平产生强烈的调节作用，高PM环境倾向于增加微生物附着在颗粒物上，从而增强大气持久性和传输。

6. 来源、传输与转化过程

城市生物气溶胶起源于局部排放与区域乃至远距离传输过程的复杂相互作用。主要的局部来源包括废物处理设施、露天垃圾场、污水处理厂、交通走廊和受扰动的土壤。与废物相关的环境是细菌和真菌的重要来源，通常向周边社区释放高负荷的活性和潜在致病微生物。污水处理厂代表了另一个主要的城市生物气溶胶排放热点。远距离传输在塑造城市生物气溶胶组合方面也起着关键作用，沙尘羽流和大尺度大气环流可以将活微生物跨大陆运输。在传输过程中，生物气溶胶经历持续的物理、化学和生物转化。紫外线辐射、温度波动、氧化胁迫和干燥施加了强大的选择压力，降低了某些类群的生存能力，同时有利于耐压微生物。重要的是，多项研究表明空气中的细菌在大气停留期间可以保持代谢活性，有效地将大气转变为一个瞬态微生物反应器。

7. 生物气溶胶对城市空气质量退化的贡献

生物气溶胶正日益被认为是城市空气质量退化的积极参与者。它们对颗粒物质量的贡献，特别是对人体暴露和大气化学相关的粗颗粒物和细颗粒物粒径范围的贡献，是不可忽视的。生物气溶胶降解空气质量的主要途径之一是它们对颗粒物毒性的贡献。微生物细胞、孢子和碎片携带生物活性化合物，如内毒素、霉菌毒素、过敏原和细胞壁成分，吸入后会放大炎症潜力。除了完整的细胞，生物气溶胶还积极向大气基质释放代谢物。这些微生物代谢物增加了城市气溶胶的化学复杂性，提高了它们的氧化潜势和反应性。生物气溶胶还在二次有机气溶胶形成中扮演着以前被低估的角色。微生物分泌物和细胞碎片可作为大气氧化过程中的前体或反应伙伴。从空气质量的角度来看，这些相互作用转化为可测量的退化指标。富含生物材料的城市气溶胶通常表现出升高的氧化潜势、增强的炎症反应以及有利于更深肺部穿透的粒径分布变化。

8. 人类健康与生态影响

将生物气溶胶纳入城市大气系统对人类健康和城市生态具有直接和多方面的影响。吸入暴露于细菌和真菌气溶胶与一系列呼吸、免疫和感染性疾病结果相关，特别是在人口密集和污染严重的城市。呼吸道效应是最一致报道的健康结果之一。暴露于升高的真菌孢子浓度与过敏性鼻炎、哮喘加重和过敏性肺炎密切相关。靠近城市生物气溶胶源的职业和社区暴露代表了一个特别高风险的环境。脆弱人群承担着不成比例的生物气溶胶相关风险。除了人类健康，生物气溶胶通过重塑空气、表面和建筑环境中的微生物群落来影响城市生态平衡。

9. 与现有综述的比较及知识空白识别

几项综合性综述已经涉及了大气中生物气溶胶的来源、传输机制和健康影响，但它们通常将生物气溶胶视为颗粒物的生物附加物，而不是城市气溶胶的化学活性成分。与早期的综合相比，本综述明确地架起了生物学、气溶胶化学和空气质量科学之间的桥梁。现有文献的另一个主要局限性是缺乏跨研究的定量整合。许多研究使用异质单位和孤立的方法报告生物气溶胶浓度，使得跨城市或跨气候的比较变得困难。在地理上，大部分现有证据集中在东亚、欧洲和南美洲部分地区，非洲和快速城市化地区的代表性有限。此外，监管讨论仍然不发达，生物气溶胶仍然缺席于正式的空气质量标准。

10. 未来研究方向

推进城市生物气溶胶研究领域需要协调的方法学、分析学和监管进展。首先，迫切需要标准化的采样、检测和报告协议。其次，未来的研究应更充分地将代谢组学和大气化学方法整合到生物气溶胶研究中。第三，强烈需要建立长期的城市生物气溶胶监测网络。第四，生物气溶胶应在空气质量指数和监管框架的发展中被明确考虑。未来的研究必须解决气候变化相互作用，包括气温上升、降水模式改变和沙尘输送增加如何改变生物气溶胶的排放、生存能力和化学活性。

11. 政策、监测与管理建议

越来越多的证据表明生物气溶胶对颗粒物毒性、微生物暴露和大气化学过程有贡献，这凸显了在城市空气质量治理框架中考虑生物成分的必要性。虽然正式的法规纳入是一个长期目标，但可以立即采取措施，将生物气溶胶视为值得关注的共同污染物，特别是在微生物排放持续升高的环境中。针对高排放城市源头的定向监测计划至关重要。城市规划与土地利用政策在减轻生物气溶胶暴露方面也发挥着关键作用。