2013年1月以来，北京地区雾霾天气频发，引起了社会公众的普遍关注^{[1, 2]}. 雾霾是一种大气污染状态，是对悬浮于大气中的各种颗粒物(particulate matter，PM)含量超标的笼统表述，悬浮颗粒物作为主要的空气污染物，对人体健康的影响是深远的^[3～5]. 2010年中国的室外空气污染导致123万人过早死亡，几乎占全球此类死亡的40%，颗粒物污染已成为导致死亡的第四大危险因素^[6]. 我国陈仁杰等^[7]评价了大气可吸入颗粒物污染对我国113个主要城市的居民健康影响，并粗略估算了相关的健康经济损失，折算成货币约为3414.03亿元. 悬浮颗粒物成分非常复杂，包括空气中的灰尘，碳质成分，各种化学元素，有机物质，还有空气中的微生物. 空气微生物是以气溶胶的形式而存在，包括细菌、 真菌、 病毒、 孢子、 细胞碎片等生物性粒子^[8]. 微生物气溶胶对人体健康的危害与其种类、 浓度和粒径大小都有很大的关系，因而测定和研究微生物气溶胶浓度及其粒径分布对维护人类健康和环境污染治理都有重要的理论和现实意义. 目前，国内外关于空气微生物群落结构，浓度和粒径分布等已有一些研究^[9～11]，来自清华大学的研究人员利用宏基因组的方法分析了北京严重雾霾期间颗粒物中的微生物类型^[12]，武丽婧^[13]研究了雾霾天对青岛及黄海生物气溶胶微生物群落结构和物种组成的影响，高敏等^[19]考察了北京不同程度雾霾天生物气溶胶浓度和粒径特征. 本文着重研究了雾霾天和之后的晴朗天气下可培养细菌和真菌气溶胶和不同粒径颗粒物的浓度变化及其粒谱分布特征.

1 材料与方法 1.1 采样地点和时间

采样地点位于北京市朝阳区中国环境科学研究院内大气环境研究所楼顶(40.03°N，116.39°E，距离地面垂直距离约15 m)，周边无明显大气污染物排放源. 采样时间为2013年1月8日~2013年2月4日，每天采样3次，采样时间段分别为上午08:30~09:30，中午12:30~13:30，下午16:30~17:30.

Andersen六级采样器(青岛众瑞)用于生物气溶胶的采样，该仪器是模拟人体呼吸道的解剖结构和空气动力学特征，采用惯性撞击的原理设计制造，特点是对空气微生物的捕获率高，并能同时测定粒子大小分布. 空气粒子按大小采集到各级培养皿上，第一级采样粒径>7.0 μm，第二级采样粒径4.8~7.0 μm，第三级采样粒径3.4~4.7 μm，第四级采样粒径为2.1~3.3 μm，第五级采样粒径为1.1~2.0 μm，第六级采样粒径为 0.6~1.0 μm^[14]. 采样流量28.3 L ·min^-1，采样时间5 min.

空气细菌采样用普通琼脂培养基(广东环凯)，真菌采样用沙氏培养基(广东环凯)，灭菌后在无菌条件下倒入平皿(90 mm)中. 细菌采样平板放入37℃恒温箱中培养48~72 h，真菌采样与细菌采样同步进行，采样平板放入26℃恒温箱中培养48~96 h. 培养后进行菌落计数并按文献^[14]校正.

根据每天每次采样后各级采样平板培养的细菌、 真菌菌落计数，得到整个采样周期内细菌、 真菌气溶胶的粒谱分布.

TSI 3321气溶胶粒径测试仪是利用双束激光粒径测量原理测量气溶胶粒子的粒径，它拥有一体化测量系统能在测粒径的同时分析给出气溶胶粒子的数量浓度随粒径的分布情况，测量粒径范围为0.5~20 μm^[15]. 利用TSI 3321检测的数据在不同粒径范围内的累加即得到不同大小颗粒物PM_1.0(直径≤1.0 μm的颗粒物)、 PM_2.5(直径≤2.5 μm的颗粒物)、 PM_5.0(直径≤5.0 μm的颗粒物)和PM_10.0(直径≤10.0 μm的颗粒物)的数量浓度和粒径分布.

根据校正后各级菌落数的数量计算微生物气溶胶浓度和各级带菌粒子的百分比，具体计算方法如下：

采用SPSS 10.0进行统计学分析.

2 结果与分析 2.1 细菌和真菌气溶胶日均浓度变化

PM_2.5(air quality index,AQI)目前作为一个常用的空气质量指数被用于表示空气污染程度. 根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633-2012)将空气质量划分为六个级别，指数越大，级别越高，说明污染越严重. 采样期间有两次明显的持续的雾霾天，一次在1月21~23日，查询当时的PM_2.5(AQI)为124~399，属于轻度到严重污染； 1月28~31日的PM_2.5(AQI)为221~447，属于重度到严重污染，而1月24日和2月1日的PM_2.5(AQI)分别为68、 58，空气质量优良.

以采样期内的每天上午、 中午和下午这3次采样的平均浓度作为空气中细菌和真菌气溶胶的日均浓度(CFU ·m^-3)，变化曲线如图 1所示，浓度高峰值均在500 CFU ·m^-3左右，浓度最低值在50 CFU ·m^-3左右. 由图 1可以看出在1月21~23日和1月28~31日这两次雾霾天气时细菌和真菌气溶胶浓度都处于较低的水平，而之后1月24日和2月1日细菌和真菌气溶胶的浓度有明显上升趋势. 进一步取雾霾天和晴朗天的气溶胶日均浓度的平均值进行比较，在1月21~23日和1月28~31日期间，细菌气溶胶平均浓度为118 CFU ·m^-3，真菌气溶胶平均浓度为111 CFU ·m^-3； 1月24日和2月1日细菌气溶胶平均浓度为325 CFU ·m^-3，真菌气溶胶平均浓度为173 CFU ·m^-3，晴朗天气时细菌和真菌气溶胶浓度明显高于雾霾天气时的浓度(P值均小于0.05).

图 1

Fig. 1

图 1 采样周期内细菌、 真菌日均浓度的变化规律 Fig. 1 Daily average aerosol concentration of the bacterial and fungal during sampling time

图 2

Fig. 2

图 2 细菌气溶胶粒谱分布 Fig. 2 Size distribution of bacterial aerosol particle

对采样周期内每天的空气细菌、 真菌气溶胶各级粒子百分比取平均值，得到空气细菌、 真菌气溶胶的粒谱分布如图 2和图 3所示. 小于5 μm的粒子为可吸入肺脏的粒子^[20]，Aderson采样除第一和第二级外所采的粒子均小于5 μm. 由图 2和图 3可得出，细菌气溶胶大于5 μm的粒子百分比为44.8%，小于5 μm的粒子为55.2%； 真菌气溶胶大于5 μm的粒子百分比为23.5%，小于5 μm的粒子为76.5%，真菌气溶胶可吸入肺脏的粒子数所占的百分比明显高于细菌气溶胶粒子所占的百分比(P<0.05).

图 3

Fig. 3

图 3 真菌气溶胶粒谱分布 Fig. 3 Size distribution of fungal aerosol particle

还考察了雾霾天和之后的晴朗天气下空气细菌和真菌气溶胶粒谱的变化. 雾霾污染时细菌气溶胶粒谱分布如图 4所示，小于5 μm的细菌气溶胶为57.9%，之后晴朗天气的细菌气溶胶粒谱分布如图 5所示，小于5 μm的细菌气溶胶为54.3%，差异不显著(P＞0.05). 同样在雾霾天和之后的晴朗天真菌气溶胶粒谱分布如图 6和图 7所示，小于5 μm真菌气溶胶百分比分别为80.4%和 74.3%，差异不显著(P＞0.05).

图 4

Fig. 4

图 4 雾霾天细菌气溶胶的粒谱分布 Fig. 4 Bacterial aerosol particle size distribution during haze days

图 5

Fig. 5

图 5 晴朗天气中细菌气溶胶的粒谱分布 Fig. 5 Bacterial aerosol particle size distribution during sunshine weather

图 6

Fig. 6

图 6 雾霾天气中真菌气溶胶的粒谱分布 Fig. 6 Fungal aerosol particle size distribution during haze days

图 7

Fig. 7

图 7 晴朗天气中真菌气溶胶的粒谱分布 Fig. 7 Fungal aerosol particle size distribution during sunshine weather

均数量浓度如图 8所示. 结合图 1可以看出，在1月21~23日和1月28~31日两次雾霾天气下的颗粒物数量浓度处于较高水平，而细菌、 真菌气溶胶浓度都处于较低的水平； 之后的1月24日和2月1日是晴朗天气，颗粒物数量浓度处于较低水平，细菌和真菌气溶胶浓度处于较高水平.

图 8

Fig. 8

图 8 采样周期中各粒径颗粒物日均数量浓度 Fig. 8 Daily average concentrations of different particulate matters during sampling time

在1月29日严重雾霾天[PM_2.5(AQI)＞300]时，PM_1.0、 PM_2.5、 PM_5.0和PM_10.0数量浓度明显高于天气晴朗(2月1日)时，约为天气晴朗时的37倍(如图 9). 无论雾霾天或晴朗天，各粒径颗粒物数量浓度之间做方差分析，差异不显著(P＞0.05). 图 10和图 11为1月29日和2月1日TSI 3321气溶胶粒径测试仪测得的不同粒径粒子分布，纵坐标粒子的对数分布(dN/dlgD_p)也是一种微粒浓度单位的表示法.

图 9

Fig. 9

图 9 雾霾天和晴朗天各粒径颗粒物数量浓度 Fig. 9 Concentrations of count numbers of different particulate matters in haze day and clear day

图 10

Fig. 10

图 10 2月1日晴朗天颗粒物的粒谱特征 Fig. 10 Characteristic of particulate spectrum in a sunshine day(February 1)

图 11

Fig. 11

图 11 1月29日雾霾天颗粒物的粒谱特征 Fig. 11 Characteristic of particulate spectrum in a haze day (January 29)

生物气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，对空气质量和人体健康有很大影响. 本研究在雾霾频发的北京冬季采样约一个月的时间，考察了雾霾天和雾霾之后的晴朗天气时细菌和真菌气溶胶和不同粒径颗粒物的浓度变化及其粒谱分布特征.

研究结果表明细菌、 真菌的日均最高的浓度约为500 CFU ·m^-3，绝对浓度值处于较低水平，有研究表明空气细菌浓度夏季和秋季较高,春季和冬季较低，说明空气中可培养微生物浓度有季节分布特征，因不同地区的不同气象条件而存在明显差异^{[16, 17]}. 细菌和真菌气溶胶浓度随着颗粒物浓度的增加而降低，这与以往关于细菌气溶胶浓度与空气颗粒物浓度正相关的报道有所不同^[18]，但与高敏等^[19]在2013年1~7月的采样研究结果一致，作者认为可能与雾霾天空气颗粒物中含有大量的有毒有害物质有关. 另外，可能由于晴朗天气时人们外出活动相对更加频繁，促使了微生物气溶胶浓度的升高.

空气颗粒物不同粒径的粒子会沉降在人体呼吸道的不同位置，如10~30 μm 的粒子可进入鼻腔和上呼吸道； 6~10 μm的粒子能沉着在小支气管内； 1~5 μm 的粒子可进入肺深处^[20]，采样周期内包括雾霾天和晴朗天，真菌气溶胶小于5 μm粒子，即可吸入肺脏的粒子数所占的百分比明显高于细菌气溶胶粒子所占的百分比，这可能是因为细菌通常附着在颗粒物表面，所以通常粒径较大，而真菌孢子大多是单独浮游在空气中^[22]. 真菌孢子可以通过呼吸道进入人体，尤其是真菌小粒子能够引起真菌性疾病，对身体造成危害^[23]. 整体来看，细菌气溶胶分布较多的是第一级、 第二级和第三级，即大于5 μm的粒子居多，而真菌气溶胶粒子不同于细菌粒子，主要分布在第三级和第四级，即粒径范围在2.1~4.7 μm的粒子居多，呈正态分布，这与以往的报道相似^{[24, 25, 26]}. 统计学分析，雾霾天和之后的晴朗天气细菌、 真菌气溶胶的粒谱分布特征差异不显著，说明这两种天气状况对细菌、 真菌气溶胶粒径分布没有明显的影响.

空气颗粒物数量浓度监测表明雾霾天气时，各粒径大小不同的颗粒物数量浓度均显著高于天气晴朗时，正是由于这些颗粒物的数量增加引发了雾霾现象. 方差分析PM_1.0、 PM_2.5、 PM_5.0和PM_10.0数量浓度两两之间差异不显著，因为PM_1.0是指直径≤1.0 μm的颗粒物、 PM_2.5是直径≤2.5 μm的颗粒物，PM_2.5包含了PM_1.0的颗粒物，差异不显著说明范围在1.0 μm和2.5 μm之间的颗粒并不多，同理PM_1.0、 PM_2.5、 PM_5.0和PM_10.0数量浓度两两之间差异不显著就说明无论雾霾天还是晴朗天，空气中的粒子都以小粒子为主，即PM_1.0的颗粒物数量占绝对优势，而粒子粒径越小，进入人体呼吸道部位就越深，对人体的危害就越大^[21]. 有研究认为雾霾天气时空气中小粒径颗粒物可聚集形成大粒径颗粒物^[27]，但可能也与环境温湿度有关^[19]. 因此要更详细准确地了解环境条件对空气微生物和不同粒径颗粒物的浓度及粒径分布的影响还需长期监测加大样本量，并分析各种环境气象因素的影响.

4 结论

(1)采样周期内真菌气溶胶小于5 μm的粒子(可吸入肺脏的粒子)所占的比例显著高于细菌气溶胶小于5 μm的粒子.

(2)细菌、 真菌气溶胶浓度在晴朗天气时较高，而颗粒物浓度在雾霾天时较高.

(3)无论雾霾天和晴朗天，空气中PM_1.0颗粒物的数量占绝大多数.

致谢： 感谢中国环境科学研究院高健研究员在采样过程中提供的帮助.