环境科学  2014, Vol. 35 Issue (12): 4415-4421   PDF    
引用本文
高敏, 仇天雷, 贾瑞志, 韩梅琳, 宋渊, 王旭明. 北京雾霾天气生物气溶胶浓度和粒径特征[J]. 环境科学, 2014, 35(12): 4415-4421.
GAO Min, QIU Tian-lei, JIA Rui-zhi, HAN Mei-lin, SONG Yuan, WANG Xu-ming. Concentration and Size Distribution of Bioaerosols at Non-haze and Haze Days in Beijing[J]. Environmental Science, 2014, 35(12): 4415-4421.
北京雾霾天气生物气溶胶浓度和粒径特征
高敏1 , 仇天雷1, 贾瑞志1,2, 韩梅琳1, 宋渊2, 王旭明1     
1. 北京市农林科学院生物技术研究中心, 农业基因资源与生物技术北京市重点实验室, 北京 100097;
2. 中国农业大学生物学院, 北京 100193
收稿日期: 2014-04-18; 修订日期: 2014-05-29.
基金项目： 国家自然科学基金项目（51308047）；北京市农林科学院科技创新能力建设专项（KJCX2014302）
作者简介：高敏（1980~），女，博士，助理研究员，主要研究方向为环境生物技术与生物气溶胶，E-mail：gaomin@baafs.net.cn
通讯联系人,高敏,E-mail: gaomin@baafs.net.cn;王旭明,wangxuming@baafs.net.cn
摘要：近年来北京雾霾天气频发，空气颗粒物聚集是导致雾霾天气发生的主要原因之一. 作为一种重要的空气颗粒物，生物气溶胶对人体健康存在危害. 本研究调查了雾霾天气时，生物气溶胶浓度和粒径分布规律；对其同空气质量指数PM2.5（AQI），环境温度和湿度间的Spearman’s相关性进行了研究；分析了冬夏两季重度雾霾天气时，生物气溶胶粒径分布规律. 结果表明，生物气溶胶浓度与PM2.5（AQI）呈负相关，与环境温度呈正相关. 环境湿度与细菌气溶胶浓度呈负相关而与真菌气溶胶浓度呈正相关. 在冬季，最大浓度细菌和真菌气溶胶分别在4.5~7.0 μm和2.1~3.3 μm粒径范围内检测到，而夏季最高浓度细菌和真菌气溶胶均分布在3.3~4.5 μm范围内. 本研究结果将为不同雾霾天气下，评价生物气溶胶对人类健康造成的危害提供基础数据.
关键词： 雾霾     细菌气溶胶     真菌气溶胶     PM2.5(AQI)     Spearman’s相关性     粒径分布    
Concentration and Size Distribution of Bioaerosols at Non-haze and Haze Days in Beijing
GAO Min1, QIU Tian-lei1, JIA Rui-zhi1,2, HAN Mei-lin1, SONG Yuan2, WANG Xu-ming1    
1. Beijing Key Laboratory of Agricultural Genetic Resources and Biotechnology, Beijing Agro-Biotechnology Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China;
2. College of Biological Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China
Abstract: In recent years, haze has been observed frequently in Beijing. Haze was one of the atmospheric phenomena caused by the accumulation of particulate matter. As an important fraction of particular matter, bioaerosol could potentially cause significantly negative health effects. In this study, we detected the concentration and size distribution of viable bioaerosol during non-haze and haze days, analyzed correlation of viable bioaerosol with the ambient temperature and relative humidity using Spearman's correlation coefficient and finally detected the changing of size distribution of viable bioaerosol in summer and winter. Results indicated that concentrations of viable bioaerosol exhibited a negative correlation with Air Quality Index (AQI) of PM2.5 and positive correlation with temperature. Relative humidity had a negative correlation with airborne bacteria while positive correlation with airborne fungi. The highest concentration of airborne bacteria and fungi were detected at size arrange of 4.5-7.0 μm and 2.1-3.3 μm in the winter, respectively. In the summer, both the highest concentration of airborne bacteria and fungi were observed at size arrange of 3.3-4.5 μm. The results of this study will provide the basis data for hazard evaluation of bioaerosol on human health at non-haze and haze days.
Key words: haze     airborne bacteria     airborne fungi     PM2.5 (AQI)     Spearman’s correlation coefficients     size distribution    

目前，北京已经被列为世界十大空气污染城市之一[1]. 尤其是自2013年1月以来，北京地区雾霾天气暴发频率大大增加[2,3]，对人群健康造成严重危害. 雾霾是由颗粒物质在空气中聚集而引发的一种气候现象，颗粒物包括烟和灰尘等不同种类的固体及液滴，其中也包括生物气溶胶[4]. 生物气溶胶是指含有细菌、 真菌、 病毒、 孢子和细胞碎片等生物性粒子的一类气溶胶[5]. 植物、 土壤和岩石表面附着的微生物均是生物气溶胶的重要来源. 尽管生物气溶胶在空气颗粒物中所占比例较小，其对人体健康造成的潜在危害不容忽视[6,7]. 特别是生物气溶胶的粒径影响其在呼吸道的沉降位置[8]，导致其危害的复杂性增加. 值得注意的是，在雾霾天气时，空气中高浓度的重金属和无机离子[3]能够加速由生物性粒子引起的过敏和哮喘反应[13]. 因此，对雾霾暴发条件下，空气中生物气溶胶的污染状况进行研究是十分有必要的. 作为环境质量的背景参考值，国内外研究者已经对空气环境中可培养生物气溶胶浓度[6,8,9]和粒径分布[10, 11, 12]进行了详尽报道. 然而目前关于雾霾暴发时空气中生物气溶胶的研究少有报道[14]. 针对这一现状，本研究对北京市不同雾霾天气时，空气中可培养细菌和真菌气溶胶的浓度、 粒径分布情况，及其同雾霾污染程度的关系进行分析，以期为评价生物气溶胶对人类健康造成的危害提供基础数据. 1 材料与方法 1.1 采样地点和时间

本研究的采样地点位于北京市西四环与西三环之间，北京市农林科学院生物中心楼顶，距地面垂直距离约20 m，采样高度为1.5 m. 空气质量指数(air quality index，AQI)是描述任何一种或者多种生物生存空气条件的一种指数. 其中，PM2.5(AQI) 是由PM2.5浓度值计算得出，与PM2.5浓度正相关，目前被广泛用于表示空气污染程度. 本研究对不同PM2.5(AQI)条件下，空气中的细菌气溶胶和真菌气溶胶进行检测. 样品采集时间为2013-01-14~2013-07-02. 具体样品采集信息如表 1所示.

表 1 北京市不同雾霾程度对应采样信息 Table 1 Sampling information at different haze days in Beijing
1.2 采样方法和培养方法

生物气溶胶的采集使用FA-I撞击式采样器 (辽阳，中国). 该仪器模拟人体呼吸道的解剖结构和空气动力学生理特征，采用惯性撞击原理将悬浮在空气中的微生物粒子分等级地收集到采样介质表面，供微生物学分析. 空气中的带菌粒子按大小分别捕获在各级的培养皿上[15]: Stage Ⅵ：0.65~1.1 μm,Stage Ⅴ：1.1~2.1 μm,Stage Ⅳ：2.1~3.3 μm,Stage Ⅲ：3.3~4.7 μm,Stage Ⅱ：4.7~7.0 μm 和 Stage Ⅰ：>7.0 μm. 样品采集时间为2 min，气体流量为28.3 L ·min-1，每次采样前用流量计(余姚,中国)对采样泵的流量进行校准. 每个采样点重复取样3次.

培养皿采用9 cm平皿，灭菌后在无菌条件下加入20 mL培养基. 细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基,30 ℃ 培养箱内培养2 d； 真菌采样用孟加拉红培养基,25 ℃ 培养箱内培养3 d. 采集的样品在进行菌落计数时，采用Positive hole method 方法对菌落数进行相应校正[15]. 1.3 计算方法 1.3.1 生物气溶胶总浓度

根据采样时间和气体流量，利用公式(1)计算各级生物气溶胶总浓度.

式中，c为细菌或者真菌气溶胶浓度(CFU ·m-3)； N为各级菌落数； t为采样时间(min)； F为采样时的气体流量(L ·min-1). 空气温度和相对湿度用温湿度计(WD-35612，OAKTON，Germany)检测. 1.3.2 粗颗粒物中生物气溶胶所占比例

因FA-I撞击式采样器无PM2.5切割器，依据以往报道[1]，本研究将粒径D50大于2.1 μm(Stage Ⅲ)定义为粗颗粒物. 粗颗粒物中细菌气溶胶所占比例计算公式如下：

式中，BⅠ、 BⅡ、 BⅢ、 BⅣ、 BV和BⅥ分别为分布在Stage Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ和Ⅵ粒径范围中细菌气溶胶的浓度. 粗颗粒物中真菌气溶胶所占比例计算公式如下：

式中，FⅠ、 FⅡ、 FⅢ、 FⅣ、 FⅤ和FⅥ分别为在Stage Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ和Ⅵ中真菌气溶胶的浓度. 1.3.3 细颗粒物中细菌气溶胶所占比例

本研究将粒径D50小于2.1 μm(Stage Ⅲ)定义为细颗粒物. 细颗粒物中细菌气溶胶所占比例计算公式如下：

细颗粒物中真菌气溶胶所占比例计算公式如下：

1.4 气象指数

实时空气质量指数PM2.5(AQI)，环境温度和湿度来自于http://cdc.cma.gov.cn.[16]. 1.5 数据统计分析

利用SPSS 21.0来计算描述性统计参数，如t-检验、 单因素方差分析和Spearmans 相关性分析. 当P值小于0.05时，表明在95%的置信区间内具有统计学意义上的显著差异. 2 结果与分析 2.1 北京雾霾暴发初期生物气溶胶浓度和粒径分布

2013年1月，全国各地相继暴发大规模雾霾，北京地区当月暴发雾霾天数为1954年以来同期最多[2]，引起国内外的广泛关注. 本研究对雾霾暴发初期14 d内(样品采集时间从2013-01-14~2013-01-28)空气中生物气溶胶进行采集，并对其中6 d的数据进行分析. 具体采样日期、 细菌和真菌气溶胶的总浓度、 不同粒径范围内的浓度分布以及对应的实时空气质量指数PM2.5(AQI)如图 1所示.

图 1 北京雾霾暴发初期细菌和真菌气溶胶在不同粒径的浓度分布 Fig. 1 Concentration and size distribution of airborne bacteria and fungi in early haze in Beijing

如图 1所示，当空气污染指数PM2.5(AQI)数值在94~426之间，检测到细菌和真菌气溶胶浓度分别是248~926CFU ·m-3和120~478 CFU ·m-3. 对雾霾程度PM2.5(AQI)同细菌和真菌气溶胶浓度之间的关系进行分析，没有检测到明显相关性. 同时，在本阶段所调查的14 d内，也没有发现雾霾程度与细菌和真菌气溶胶粒径分布规律之间的相关性. 根据已有研究，在非雾霾天气时，空气中重金属与一周后的生物气溶胶浓度呈负相关[17]，说明空气污染对生物气溶胶的影响可能存在滞后性. 若要明确污染程度与空气中微生物的关系，需要对二者变化规律进行长期检测. 因此，本研究对2013年1~7月间不同雾霾程度时，北京市空气中细菌和真菌浓度以及粒径分布特点进行系统检测. 2.2 不同雾霾程度时生物气溶胶浓度和粒径分布特点

首先，对不同雾霾程度条件下，空气中的细菌和真菌气溶胶浓度进行监测. 并记录相应的PM2.5(AQI)、 环境温度和湿度，结果如图 2所示. 在样品采集的6个月内，PM2.5(AQI)的变化范围为14~452，温度范围-1.9℃~38℃ ，相对湿度范围10.3%~79.0%. 细菌和真菌气溶胶的浓度分布范围分别为253~2792 CFU ·m-3和141~1961 CFU ·m-3. 整体上，夏季真菌气溶胶的浓度要高于冬季(P＜0.05).

图 2 采样日期及相应的细菌和真菌气溶胶浓度、 PM2.5(AQI)、 温度和湿度 Fig. 2 Sampling date and corresponding concentration of airborne bacteria and fungi,PM2.5(AQI),temperature and relative humidity

本研究考察了雾霾程度对生物气溶胶粒径分布可能造成的影响. 为方便研究，根据PM2.5(AQI)指数将雾霾污染程度分为4个等级，即PM2.5(AQI)0~100、 100~200、 200~300和>300. 将每个范围内检测到的PM2.5(AQI)数值进行算数平均计算，平均值分别为59.5、 158.1、 259.1和359.3. 对4个污染程度下细菌和真菌气溶胶在不同粒径范围内的浓度进行分析，结果如图 3所示.

图 3 PM2.5(AQI)平均值分别为59.5、 158.1、 259.1和359.3 时细菌和真菌气溶胶的浓度和粒径分布特点 Fig. 3 Concentration and size distribution of airborne bacteria and fungi when average values of PM2.5(AQI) were 59.5,158.1,259.1 and 359.3,respectively Stage Ⅵ：0.65~1.1 μm,Stage Ⅴ：1.1~2.1 μm,Stage Ⅳ：2.1~3.3 μm,Stage Ⅲ：3.3~4.7 μm,Stage Ⅱ：4.7~7.0 μm 和 Stage Ⅰ：>7.0 μm

整体上，没有发现雾霾程度对生物气溶胶粒径分布规律的明显影响(图 3). 首先，在不同程度雾霾天气和非雾霾天气两种条件下，细菌气溶胶主要分布在大粒径范围. 这与以往国内[18]和国外[19]学者对非雾霾天气时细菌气溶胶粒径分布规律的研究结果相一致. 这是由于细菌通常附着在颗粒物表面，其浓度会随着颗粒物粒径的增加而增加，而呈现出所报道的分布趋势[20]. 其次，在所考察的4种空气质量条件下，真菌气溶胶在不同粒径范围内都呈现正态分布，这与细菌气溶胶的分布特点有所不同. 在雾霾和非雾霾天，真菌气溶胶均主要分布在StageⅣ(2.1~3.3 μm)和Stage Ⅲ(3.3~4.7 μm) 两个范围内. 这与前人报道的非雾霾天的分布规律相似，如北京[9]的最高浓度分布在2.1~3.3 μm，台北[21]和青岛[22]的分布在3.3~4.7 μm. 2.3 PM2.5(AQI)、 环境温度和湿度与生物气溶胶浓度和粒径分布关系

对2013年1~7月间，PM2.5(AQI)、 环境温度和湿度同生物气溶胶的关系进行了Spearman相关性分析，包括在不同粒径范围内生物气溶胶浓度(BⅠ到BⅥ、 FⅠ到FⅥ)、 总生物气溶胶浓度(TB和TF)、 细颗粒物中细菌气溶胶比例(FBT)、 粗颗粒物中细菌气溶胶比例(CBT)、 细颗粒物中真菌气溶胶比例(FFT)和粗颗粒物中真菌气溶胶比例(CFT). 由细菌气溶胶的粒径分布规律研究结果可知(图 3)，大部分细菌气溶胶分布在大粒径范围内(>2.1 μm)，因此本阶段研究采用PM2.5(AQI)和PM10(AQI)两个表示空气质量的参数，考察雾霾程度同生物气溶胶之间的关系. 结果如表 2所示.

表 2 PM2.5(AQI)、 PM10(AQI)、 温度和湿度同BI到BⅥ、 FI到FⅥ、 TB、 TF、 FBT、 CBT、 FFT和CFT的Spearman相关系数分析 1) Table 2 Spearman's correlation analysis between the value of PM2.5(AQI),PM10(AQI),ambient temperature and relative humidity and concentration of BI to BⅥ,FI to FⅥ,TB,TF and FBT,CBT,FFT and CFT

首先，考察了PM2.5(AQI)同生物气溶胶的关系. 由表 2可知，PM2.5(AQI)同细菌和真菌气溶胶的总浓度呈显著负相关(P<0.05). 其中，与绝大部分粒径范围内细菌和真菌气溶胶的浓度(除了BⅥ和FV)呈显著负相关(P<0.05)，说明空气中的细菌和真菌气溶胶浓度随着雾霾程度的增加而逐渐减小. 这与以往报道的细菌气溶胶浓度正相关于空气颗粒物浓度[6]的研究结果不同. 这可能是因为空气颗粒物中含大量的有毒有害物质[23]，尤其是在雾霾天气，北京空气中污染元素[24]和无机离子的浓度[1]分别是非雾霾天的3.6~10.0和2.0~2.8倍. 此时空气颗粒物中高浓度的有害物质可能对生物气溶胶产生危害，出现PM2.5(AQI)同细菌和真菌气溶胶浓度负相关的结果. 表 2同时显示，PM2.5(AQI)与FBT和FFT负相关，而与CBT和CFT正相关. 说明随着雾霾程度的增加，细菌和真菌气溶胶在细颗 粒物所占的比例减少，而在粗颗粒物中所占比例增加. 造成这一现象的原因可能是在雾霾天气时，空气中小粒径颗粒物可发生聚集作用形成大粒径颗粒物[25]，从而导致颗粒物中的微生物所占比例发生变化. PM10(AQI)与TB、 TF以及各个粒径范围内的细菌和真菌气溶胶均呈负相关，但是相关性并不显著.

接着考察了环境温度对生物气溶胶的影响. 结果显示，除BⅥ外，环境温度与其他粒径范围内的细菌和真菌气溶胶浓度均呈正相关. 其中与TB(P<0.05)、 TF(P<0.01)、 BⅢ(P<0.01)、 FⅣ(P<0.01)、 FⅡ(P<0.01)和FⅢ(P<0.01)呈现显著正相关. 这与以往对非雾霾条件下的研究结果相一致[22]. 同时本研究还发现，环境温度与细颗粒物中的生物气溶胶比例呈负相关，而与粗颗粒中的生物气溶胶比例呈正相关. 这可能是因为随着温度的升高，在细颗粒物中的细菌气溶胶比例减小，而粗颗粒物中所占比例相应增加.

最后，分析了环境相对湿度与生物气溶胶之间的关系. 由表 2的结果可知，环境湿度对细菌和真菌气溶胶造成的影响有所不同：与真菌呈正相关，这与以往在非雾霾条件下的研究结果相一致[26]； 与细菌呈负相关，主要原因可能是空气细菌气溶胶大多是革兰氏阳性菌，这些细菌可以在低湿度下迅速繁殖，而高湿度会抑制其生长[27]. 同时发现，在细颗粒物内的细菌和真菌气溶胶比例均与环境湿度呈负相关，说明细颗粒内的生物气溶胶随着环境湿度的增加而减小. 这是由于空气中的细颗粒物会随着环境湿度的升高而发生聚集作用[28]. 本研究结果显示，细菌气溶胶在细颗粒物和粗颗粒物中的分布受到湿度的影响更加显著(P＜0.05). 2.4 冬夏两季雾霾天气生物气溶胶粒径分布特点

由于粒径是评价颗粒物对人体健康危害的重要参数，本研究对PM2.5(AQI)＞300的严重雾霾天气时，冬夏两季空气中细菌和真菌气溶胶的粒径分布特点进行分析，结果如图 4和图 5所示.

图 4 冬季和夏季重度雾霾污染时细菌气溶胶粒径分布特点 Fig. 4 Size distribution characteristics of airborne bacteria at summer and winter in heavy haze day 冬季：取样8次，平均PM2.5(AQI)=325.88； 夏季：取样8次，平均PM2.5(AQI)=315.13，下同

图 5 冬季和夏季重度雾霾污染时真菌气溶胶粒径分布特点 Fig. 5 Size distribution characteristics of airborne fungi at summer and winter in heavy haze day

由图 4和图 5可知，在重度雾霾天气条件下，冬夏两季空气中细菌和真菌气溶胶的粒径分布特点存在差异. 在冬季，细菌和真菌气溶胶的最大浓度分别在4.5~7.0 μm和2.1~3.3 μm检测到，而在夏季，最高浓度的细菌和真菌气溶胶都分布在3.3~4.5 μm范围内. 其中，在3.3~7.0 μm范围内，夏季的细菌气溶胶浓度高于冬季； 2.1~7.0 μm范围内，夏季的真菌气溶胶浓度高于冬季. 空气颗粒物的动力学粒径是决定人类暴露以及后续危害评价的重要参数，不同粒径的生物气溶胶粒子会沉降在人体呼吸道的不同位置. 如，Stage Ⅰ(鼻子和口腔)，Stage Ⅱ(咽)，Stage Ⅲ(气管和支气管)，Stage Ⅳ(二级支气管)，Stage Ⅴ(末端支气管)和StageⅥ(肺泡)[15]. 本研究的结果初步显示，重度雾霾天气时，冬夏两季细菌和真菌气溶胶粒径分布有所改变，对人体健康造成的影响也可能有所差异. 然而，如果要详细评价雾霾天气下生物气溶胶对人类健康危害，下一步还需要对颗粒物中不可培养微生物以及相关的化学物质进行研究. 3 结论

本研究结果显示，在2013年1~7月之间，北京市雾霾程度PM2.5(AQI)与细菌和真菌气溶胶总浓度均呈负相关，与细颗粒物和粗颗粒中生物气溶胶所占比例分别呈负相关和正相关. 环境温度与细菌和真菌气溶胶总浓度为正相关. 相对湿度与细菌气溶胶负相关而与真菌气溶胶正相关. 重度雾霾天气时，冬季最大浓度的细菌和真菌气溶胶分别在4.5~7.0 μm和2.1~3.3 μm检测到，而在夏季最高浓度都分布在3.3~4.5 μm范围内.

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