甄 泉,方治國,王雅晴,歐陽志云
1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1000852 中國科學(xué)院大學(xué),北京 1000493 蚌埠醫(yī)學(xué)院 公共衛(wèi)生學(xué)院,蚌埠 233030 4 浙江工商大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,杭州 310018
微生物氣溶膠是指懸浮于空氣中的細(xì)菌、真菌、病毒以及它們的副產(chǎn)物等所形成的膠體體系[1]。細(xì)菌是微生物氣溶膠的重要組成部分,在PM2.5和PM10的生物組分中,其相對百分比可達(dá)80%以上[2-3]??諝庵械募?xì)菌主要來源于自然界的土壤、水體、動植物以及人類的工農(nóng)業(yè)活動等[4],其在維持生態(tài)平衡和調(diào)節(jié)氣候變化中起著重要的作用[5]。然而,空氣中存在的病原菌可通過呼吸道或破損皮膚進(jìn)入人體,對人類健康造成嚴(yán)重的危害。氣傳嗜肺軍團(tuán)菌(Legionellapneumophila)曾多次導(dǎo)致軍團(tuán)菌病在人群中的暴發(fā)流行[6],氣傳金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等機(jī)會致病菌可引發(fā)破損皮膚和局部組織甚至全身范圍的感染[7- 8]。因此,研究空氣細(xì)菌特征及動態(tài)變化規(guī)律,對控制和減少氣傳疾病,維護(hù)人類健康有著重要的理論和實(shí)際意義。
近年來,以高濃度細(xì)顆粒物(PM2.5)污染為主要特征的霧霾天氣已成為我國環(huán)境保護(hù)的焦點(diǎn)問題。霧霾天氣下空氣流動慢,較差的擴(kuò)散條件導(dǎo)致空氣中細(xì)顆粒物等污染物迅速積累,并且導(dǎo)致空氣濕度增高、能見度降低和太陽輻射強(qiáng)度減弱。氣象條件和顆粒物理化性狀的改變可能對空氣細(xì)菌特征產(chǎn)生影響[2,4,9- 13],因此,霧霾空氣中細(xì)菌特征可能會發(fā)生顯著變化,其潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)需重新評估。論文從群落結(jié)構(gòu)、濃度變化及粒徑分布的角度,探討了霧霾天氣對空氣細(xì)菌特征的可能影響,并結(jié)合了霧霾天氣相關(guān)疾病的發(fā)病率,綜合評價(jià)了霧霾天氣空氣病原菌導(dǎo)致的人群潛在健康風(fēng)險(xiǎn)的變化,最后提出了以前研究存在的不足及未來的發(fā)展趨勢。
霧霾空氣中可培養(yǎng)的優(yōu)勢細(xì)菌屬主要有微球菌屬(Micrococcus)[2,14- 16],芽孢桿菌屬(Bacillus)[17-18],假單胞菌屬(Pseudomonas)[18- 20],葡萄球菌屬(Staphylococcus)[14- 16],不動桿菌屬(Acinetobacter)[19,21],乳酸球菌(Lactococcus)[18,20]等(表1)。
霧霾天氣對空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生影響,目前的研究尚存爭議,不同科研人員獲得的研究結(jié)果不同。西安市霧霾空氣中可培養(yǎng)細(xì)菌奈瑟氏菌屬(Neisseria)的相對豐度升高,葡萄球菌屬(Staphylococcus),微球菌屬(Micrococcus)濃度降低[14- 16];青島市空氣細(xì)菌DGGE檢測發(fā)現(xiàn),兩種天氣下凝膠電泳條帶的位置和亮度明顯不同[19,21];重度霧霾天氣空氣中變形菌門(Proteobacteria)相對豐度增加到88.9%(非霧霾天為34.9%),厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度減少到3.9%(非霧霾天為24.3%)[3],這些研究表明霧霾空氣中細(xì)菌組成和群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。然而,北京[11,20]和濟(jì)南[18]等地利用高通量測序研究霧霾和非霧霾空氣細(xì)菌的變化卻得到相反的結(jié)果。濟(jì)南市空氣中的優(yōu)勢細(xì)菌屬為乳酸球菌屬(Lactococcus),芽孢桿菌屬(Bacillus),假單胞菌屬(Pseudomonas),嗜冷桿菌屬(Psychrobacter)[18],北京市的優(yōu)勢細(xì)菌屬為乳酸球菌屬(Lactococcus),假單胞菌屬(Pseudomonas),明串珠菌屬(Leuconostoc)[20],這些菌屬的相對豐度在霧霾和非霧霾天氣中沒有發(fā)生明顯改變。
霧霾天氣不能改變北京市[20]、濟(jì)南市[18]空氣細(xì)菌組成和群落結(jié)構(gòu),表明霧霾環(huán)境對空氣細(xì)菌影響較?。欢靼瞇19,21]、青島市[3]的調(diào)查均顯示霧霾天氣下空氣細(xì)菌的優(yōu)勢物種及其相對豐度反生改變,體現(xiàn)不同細(xì)菌類群對霧霾特殊環(huán)境適應(yīng)性差異。西安市霧霾空氣中細(xì)菌種類增多,Shannon指數(shù)增高,可能是較高的空氣濕度及顆粒物中營養(yǎng)物質(zhì)有利于微生物生存和繁殖所致[19,21];而青島市由非霧霾天到重度霧霾天的發(fā)展過程中,OTU數(shù)目,chao1、Shannon、Simpson指數(shù)不斷下降,表明大量細(xì)菌類群因不能適應(yīng)霧霾環(huán)境減少或消失[3]。
表1 霧霾天氣下空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化特征
霧霾天氣不同城市空氣中可培養(yǎng)細(xì)菌濃度在102—104CFU/m3(表2),其中,青島市[23]、北京市[24-25]為102—103CFU/m3,西安市[14- 16,26- 28]為103—104CFU/m3,而使用不可培養(yǎng)法DAPI染色法[23]和定量PCR法[11,18]測定的空氣細(xì)菌濃度,其結(jié)果均較可培養(yǎng)方法高出103個數(shù)量級,達(dá)到105—106拷貝數(shù)/m3。
表2 霧霾天氣下空氣細(xì)菌濃度的變化規(guī)律
霧霾天氣對空氣細(xì)菌濃度的影響,目前的研究結(jié)果也不同。北京市霧霾日空氣細(xì)菌濃度較非霧霾日高6倍[20];青島市霧霾日空氣微生物濃度7.09×105拷貝數(shù)/m3,高于非霧霾日(6.55×105拷貝數(shù)/m3)[23];西安市霧霾天氣下空氣細(xì)菌濃度為1102.4—1736.5 CFU/m3,顯著高于非霧霾天氣(497.7—629.0 CFU/m3)[14],該市其他學(xué)者[15-16,26- 28]也得到霧霾天氣下空氣細(xì)菌濃度更高的結(jié)果。然而,北京市一些學(xué)者的研究卻得到相反的結(jié)果,Zhen等[11]發(fā)現(xiàn)北京市秋季空氣細(xì)菌濃度與PM2.5顯著負(fù)相關(guān),胡凌飛等[29]調(diào)查發(fā)現(xiàn)非霧霾日空氣細(xì)菌濃度為325 CFU/m3,霧霾日下降至118 CFU/m3;高敏[25]、Gao[24,30-31]等也發(fā)現(xiàn)霧霾日空氣細(xì)菌較低。此外,青島市春季[32]、北京市冬季[11]的研究顯示,空氣細(xì)菌濃度與PM2.5無明顯相關(guān)性,不能確定霧霾對空氣細(xì)菌濃度的影響。
支持霧霾空氣中細(xì)菌濃度升高的學(xué)者認(rèn)為,高濃度的顆粒物吸附了更多的細(xì)菌[14-15,20,23],且太陽輻射殺菌作用的減弱[14],使得更多的細(xì)菌進(jìn)入空氣并存活下來。此外,較高的空氣濕度[14-15]和顆粒物中的營養(yǎng)物質(zhì)可能也有利于微生物生存和繁殖[15]。支持霧霾空氣中細(xì)菌濃度降低的學(xué)者則認(rèn)為,霧霾中高濃度有毒有害物質(zhì)可損傷細(xì)菌[24,29,31],導(dǎo)致其死亡率升高,霧霾天氣下細(xì)菌內(nèi)毒素濃度達(dá)到12.4 EU/m3,較非霧霾天高出2倍[20],也傾向于這種可能機(jī)制的存在。
粒徑大小決定了顆粒物進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)后沉積部位[33],是人體暴露及后續(xù)危害評價(jià)的重要參數(shù)。Anderson六級采樣器具有采集粒徑范圍寬、采集效率高、操作簡便等優(yōu)勢,在研究空氣細(xì)菌粒徑分布中被廣泛應(yīng)用[34]。眾多學(xué)者調(diào)查了空氣細(xì)菌粒徑分布,研究表明正常天氣室外空氣細(xì)菌粒子呈偏態(tài)分布,主要分布在大粒徑顆粒物上[14-15,24,29- 31,35- 38]。北京市非霧霾天氣55%—80%的空氣細(xì)菌分布在>2.1 μm(第1—4級)的大顆粒物上[24],西安這一比例達(dá)到79.7%[15]。
霧霾天氣對空氣細(xì)菌粒徑分布規(guī)律及變化趨勢的影響,目前的研究結(jié)果也并不完全一致(表3)。北京[24-25,29,31]、西安[27]等地的研究顯示,霧霾天氣下空氣細(xì)菌粒徑的偏態(tài)分布規(guī)律沒有改變,多數(shù)細(xì)菌仍主要分布于大粒徑上。胡凌飛[29]和Gao[31]調(diào)查了北京市霧霾天氣下<5 μm的細(xì)菌氣溶膠比例及中值直徑,與非霧霾天沒有顯著差異,表明霧霾天氣沒有改變空氣細(xì)菌粒徑分布;而Gao[24]、高敏[25]、李婉欣[27]的研究表明,隨著霧霾程度的增加,北京市、西安市細(xì)細(xì)菌粒子比例逐漸下降,細(xì)菌粒子的中值直徑顯著增加,細(xì)菌氣溶膠粒徑分布向粗顆粒遷移。西安[14- 16,26,28]、青島[32]等地另一些調(diào)查卻發(fā)現(xiàn),霧霾天氣下1.1—2.1 μm的細(xì)菌小粒子比例升至最高[14-15,32](約25.0%[14]),表明霧霾天氣空氣細(xì)菌的粒徑分布規(guī)律發(fā)生了明顯改變。霧霾天氣細(xì)菌的中值直徑在(1.96±0.29) μm,非霧霾天氣為(2.32±0.12) μm[15],霧霾天氣下細(xì)菌粒徑分布有變小的趨勢[15-16,26,28]。
支持霧霾空氣中細(xì)菌粒徑分布變大的學(xué)者[25,27,32]將原因歸結(jié)為霧霾天氣下高濃度的小顆粒物碰撞和聚集,形成較多的大粒徑顆粒。支持霧霾空氣中細(xì)菌粒徑分布變小的學(xué)者[14-15]認(rèn)為原因可能是霧霾天氣大粒徑團(tuán)聚物比例的減少,以及獨(dú)立懸浮于空氣中細(xì)菌個體增加。此外,細(xì)顆粒物成分可能為微生物生長提供營養(yǎng)也促進(jìn)微生物在細(xì)顆粒物上的比重的增加。
表3 霧霾天氣下空氣細(xì)菌粒徑分布的變化規(guī)律
*以上研究均使用Anderson采樣器采樣,培養(yǎng)計(jì)數(shù)分析 (CFU/m3)
霧霾天氣對空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、濃度變化及粒徑分布的影響及其可能機(jī)制,目前尚存諸多不確定性。霧霾天氣下高濃度的細(xì)顆粒物是否攜帶大量細(xì)菌?顆粒物成分及氣態(tài)污染物是促進(jìn)細(xì)菌生長還是損傷細(xì)菌活性?不確定性可能受到細(xì)菌采集、檢驗(yàn)及鑒定方法的影響,傳統(tǒng)培養(yǎng)法計(jì)數(shù)鑒定損失了90%以上不可培養(yǎng)細(xì)菌信息[5],生物標(biāo)記法可能受多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbon,PAH)、二次有機(jī)氣溶膠(secondary organic aerosol,SOA)等非生物化合物發(fā)射的熒光干擾[20],不同分析方式可能檢測到不一致的細(xì)菌類群和濃度。不確定性還可能受城市氣候類型、地域環(huán)境,采樣點(diǎn)交通狀況、植被覆蓋,采樣季節(jié)、時(shí)段,霧霾程度及化學(xué)組分,大氣溫度、濕度、壓強(qiáng)等環(huán)境因子影響[4],這些環(huán)境因子的不同配置綜合作用于空氣細(xì)菌,使得其變化方式更加錯綜復(fù)雜,難以判定。
Zhen等[11]對比發(fā)現(xiàn)大氣污染物與氣象因素對北京市空氣細(xì)菌濃度和群落結(jié)構(gòu)的相對影響發(fā)現(xiàn),同一季節(jié)內(nèi)細(xì)菌特征的變化由氣象因子主導(dǎo),大氣污染物的影響較小,非霧霾日氣象條件的差異及PM2.5、O3、SO2、NO2等大氣污染物與氣象因子的共線性可能是導(dǎo)致研究結(jié)果不一致的重要原因。從這個角度回顧表1—3研究,一些結(jié)果也印證了這種可能性,武麗婧[19]發(fā)現(xiàn)霧天、霾天空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)極為相似,而與晴朗天氣差異很大;西安市非霧霾日空氣細(xì)菌濃度更低[14],可能與其選擇在陰雨天有關(guān)。目前學(xué)者在調(diào)查霧霾天氣下空氣細(xì)菌特征變化時(shí),主要關(guān)注于PM2.5或AQI對空氣細(xì)菌的影響,相對忽視了氣象因素、時(shí)空差異的重要性。然而,空氣細(xì)菌特征變化是諸多環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果,識別各階段的主導(dǎo)環(huán)境因子可能是深入理解霧霾空氣中細(xì)菌特征變化的重要途徑。因此,今后的研究應(yīng)側(cè)重于長期監(jiān)測以涵蓋更多的時(shí)間及氣象變化,同時(shí),研究應(yīng)擴(kuò)展到很多的城市類型,只有在比較分析大量研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,才有可能剝除干擾因素,揭示潛藏在深處的內(nèi)在規(guī)律,以及探尋出更深層次的原因。
雖然霧霾天氣空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、濃度變化和粒徑分布如何變化尚未得到一致的結(jié)果,但現(xiàn)有北京[39]、西安[14]、杭州[40]、青島[19,41]等地的研究表明,霧霾空氣中細(xì)菌物種多樣性較非霧霾空氣顯著增加,病原細(xì)菌的種類可能也隨之增加。霧霾空氣中發(fā)現(xiàn)的病原細(xì)菌屬主要有:葡萄球菌屬 (Staphylococcus),不動桿菌屬 (Acinetobacter),假單胞菌 (Pseudomonas),鞘脂單胞菌屬 (Sphingomonas),鏈球菌屬 (Streptococcus),奈瑟菌屬 (Neisseria) 等[14- 16,18,20-21,40],同一屬內(nèi)可能包括非致病菌種。胡亞東等[17]通過分離純化,研究了北京和保定霧霾空氣中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),其中蠟樣芽胞桿菌 (Bacilluscereus),地衣芽孢桿菌 (Bacilluslicheniformis),枯草芽孢桿菌 (Bacillussubtilis),氧化節(jié)桿菌 (Arthrobacteroxydans) 屬人類病原菌;Gao等[9]將Miseq序列blast到種的水平,共發(fā)現(xiàn)18種病原細(xì)菌,豐度最高的是屎腸球菌 (Enterococcusfaecium) 和大腸桿菌 (Escherichiacoli),其次有瘡皰丙酸桿菌 (Propionibacteriumacnes),陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae),表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis),銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa) 等;Cao等[2]利用宏基因組測序的方法鑒定了霧霾空氣中微生物組成,48種優(yōu)勢類群中潛在病原細(xì)菌有坐皮膚球菌 (Kytococcussedentarius),約氏乳桿菌(Lactobacillusjohnsonii),產(chǎn)氣莢膜梭菌(Clostridiumperfringens),施氏假單胞菌(Pseudomonasstutzeri),嗜麥芽窄食單胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia) 和白色擬諾卡氏菌(Nocardiopsisalba)。學(xué)者們在評估空氣細(xì)菌健康風(fēng)險(xiǎn)時(shí),更關(guān)注病原菌的鑒定及相對豐度的高低,卻忽略了細(xì)菌毒力強(qiáng)弱和其侵染途徑。致病力強(qiáng)的病原菌即使低豐度也可導(dǎo)致疾病,而致病力弱的病原菌則需要較高濃度才能引起感染。人體直接暴露于空氣的部位主要是呼吸道和皮膚,如果空氣病原菌不是通過這兩種途徑侵入,其健康風(fēng)險(xiǎn)也會顯著降低[7- 8,42]。
表4是空氣中可能通過呼吸道或皮膚侵入人體并有較廣泛臨床表現(xiàn)的病原細(xì)菌。表中的病原細(xì)菌均屬于機(jī)會致病菌,它們的致病力較弱,且在總細(xì)菌群體中相對豐度較低??諝庵械募?xì)菌絕大多數(shù)是對人體無害的非病原菌[2],Woo等[48]研究表明病原細(xì)菌僅占細(xì)菌總數(shù)的0.48%,Gao等[9]的研究結(jié)果為3.61%。霧霾天氣某些病原菌的相對豐度增加,如肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumonia)從輕度污染的0.012%增加到重度污染的0.05%[2]。隨著霧霾天氣的增多,呼吸道感染病例呈逐年上升趨勢[54]。劉丹等[55]發(fā)現(xiàn),霧霾中的細(xì)顆粒物與人角質(zhì)細(xì)胞的過敏反應(yīng)密切相關(guān)。霧霾天氣中病原細(xì)菌對人體健康危害的增加,一方面與霧霾天氣下病原細(xì)菌的種類和相對豐度的增加有關(guān),另一方面也與霧霾天氣人體免疫力的下降密切相關(guān)。
表4 幾種通過呼吸道和皮膚侵入人體的重要空氣病原菌
霧霾天氣中累積的高濃度細(xì)顆粒物和化學(xué)毒物對人體免疫系統(tǒng)的破壞是加重空氣病原菌危害的重要原因。致病菌侵入人體時(shí),首先要穿透人體的屏障結(jié)構(gòu)。(1)皮膚和粘膜的物理屏障:皮膚表層由較厚的結(jié)構(gòu)致密的扁平上皮細(xì)胞組成,并含有不易被微生物降解的角蛋白阻擋致病菌穿透,粘膜表面有多種附件和黏液層以阻擋致病菌的粘附定植[42]。大氣污染物誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)和隨后的呼吸道粘膜及皮膚屏障的損傷[55- 58],破壞了皮膚和粘膜的完整性,為病原菌入侵打開一個缺口,有利于病原菌侵入人體;(2)微生物屏障:呼吸道粘膜和皮膚上寄居著大量細(xì)菌、真菌,正常菌群構(gòu)成的菌膜屏障是人體抵御外籍菌侵入的重要防御系統(tǒng)。正常菌群通過與致病菌競爭粘附部位和營養(yǎng)物質(zhì),或者產(chǎn)生抗菌物質(zhì)等方式,抑制外籍菌的粘附與繁殖,以保持人體的微生態(tài)平衡[42]。大氣污染物可能改變皮膚微生物群落[57],同時(shí)對呼吸道菌群的定植有明顯影響[59],可能導(dǎo)致呼吸道微生態(tài)失調(diào)[60-61],機(jī)會致病菌大量繁殖,誘發(fā)呼吸道和皮膚的感染發(fā)病。除了破壞屏障結(jié)構(gòu),大氣污染物對人體內(nèi)吞噬細(xì)胞、補(bǔ)體、細(xì)胞因子等均有損傷[56],意味著病原菌侵入后,人體對病原菌清除能力降低,因而更容易導(dǎo)致疾病。一些臨床證據(jù)也表明,霧霾天氣下呼吸道感染[62],蕁麻疹[63]等病例顯著增加。
此外,霧霾天氣中的化學(xué)組分對病原微生物致病力的影響可能也是霧霾天氣下呼吸系統(tǒng)、皮膚感染病例增加的重要原因。Hussey等[64]發(fā)現(xiàn)霧霾空氣常見組分炭黑,能顯著改變肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumonia) 和金黃色葡萄球菌 (Staphylococcusaureu) 的生物膜結(jié)構(gòu)、組分和功能,并調(diào)整生物膜對蛋白質(zhì)降解和多種抗生素的抵抗力,增加了肺炎鏈球菌對青霉素(治療肺炎鏈球菌首選藥物)的抗性,這些研究表明霧霾空氣中除了顆粒物、有毒化學(xué)物質(zhì)等導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)增加,來自于病原菌的潛在健康危害也在增加。
綜上所述,空氣中病原菌主要由條件致病菌組成,它們在空氣中含量很低。霧霾空氣下部分病原菌相對豐度增加,大氣污染物可增強(qiáng)某些病原菌的致病力。霧霾天氣中高濃度的細(xì)顆粒物和化學(xué)污染物可損傷皮膚黏膜屏障,打破呼吸道、皮膚的微生態(tài)平衡,為病原菌侵入創(chuàng)造機(jī)會。兩者的協(xié)同作用,顯著增加了霧霾天氣空氣中病原菌的健康風(fēng)險(xiǎn)。
3.1霧霾天氣主要發(fā)生在中國和印度等發(fā)展中國家,近些年來才得到科研人員的高度重視,目前霧霾空氣中微生物特征的研究還不夠充分,僅在我國少數(shù)城市開展了相關(guān)的研究,在很多關(guān)鍵問題上還未有一致性的研究結(jié)果,應(yīng)進(jìn)一步開展霧霾天氣空氣微生物特征的研究。
3.2不同空氣微生物的采樣和分析方法,結(jié)果難以進(jìn)行比較。培養(yǎng)法研究低估了空氣微生物的種類和數(shù)量,而高通量測序技術(shù)無法得知微生物活力,不同方法相結(jié)合,對于探知空氣微生物的健康危害,可能會更加準(zhǔn)確。
3.3高通量測序通量大,用其結(jié)果鑒定病原菌能真實(shí)反映物種分類及豐度信息,但目前使用Silva或Greengenes數(shù)據(jù)庫很難比對到種級別,因此需要創(chuàng)建完善的致病菌數(shù)據(jù)庫,或建立新的通用分析方法。
3.4現(xiàn)有研究多關(guān)注霧霾空氣中病原菌對呼吸系統(tǒng)可能的健康危害,忽略了皮膚暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)研究,應(yīng)建立相關(guān)研究體系,完善預(yù)防方案。
3.5空氣病原微生物多為條件致病菌,對病患人員、嬰幼兒、老人等免疫力較低的易感人群危害最大。霧霾天氣下醫(yī)院血液科空氣消毒凈化效果較晴天差[65],醫(yī)院內(nèi)感染風(fēng)險(xiǎn)可能增加。因此,霧霾天氣下應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)醫(yī)院、幼兒園、養(yǎng)老院等室內(nèi)環(huán)境的空氣致病菌污染監(jiān)測,同時(shí)應(yīng)完善空氣微生物評價(jià)指標(biāo),為有效預(yù)防空氣微生物健康危害提供理論支撐。