2017, Vol. 38
2. 长安大学旱区水文与生态效应教育部重点实验室, 西安 710054
, LU Rui1 , XIE Zheng-sheng1 , WANG Jin-long1 , FAN Chun-lan1 , LIU Peng-xia1 , LI Yan-peng1,2
2. Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas, Ministry of Education, Chang'an University, Xi'an 710054, China
西安作为中国西北部最大的城市, 在过去的20年里, 伴随着城市化和工业化的快速发展, 能源的大量消耗以及交通流的迅速增加导致空气污染物排放显著增加.同时, 西安又位于关中盆地中部, 其特殊的地理结构以及静风少雨等气象条件使污染物更易聚集, 造成西安市灰霾天气频发, 空气质量变差.而大气颗粒物, 尤其是细颗粒物是导致西安市空气污染的主要原因[1].微生物气溶胶是大气气溶胶中具有生物活性的微小粒子, 包括细菌、真菌、病毒、花粉、孢子、动植物碎片等[2].作为大气气溶胶的重要组成部分, 微生物气溶胶占大气气溶胶总数的25%~30%.微生物在空气中传播和扩散, 通过皮肤损伤、黏膜、消化道及呼吸道侵入机体, 可引起和增加人们的皮肤过敏, 呼吸道感染、哮喘气喘、心血管疾病等, 对人类健康造成巨大威胁[3~6].因此, 开展大气微生物气溶胶分布特性研究, 对于了解大气环境中的微生物组成情况, 制定衡量空气污染程度和大气环境质量的生物性指标, 评估生物气溶胶的健康及环境效应都具有重要意义.
生物气溶胶对人体健康的影响与气溶胶的浓度水平、粒径分布和微生物组成等特性密切相关.空气微生物的浓度是其输入和衰减动态平衡的结果, 存在显著的空间与时间差异.如青岛地区微生物气溶胶浓度春季为855 CFU·m-3, 明显高于冬季的741 CFU·m-3[7]; 而在北京, 真菌生物气溶胶在夏季和秋季较高, 春季和冬季较低, 其中夏季最高可达3 975.3 CFU·m-3[8]; 陈梅玲等[9]的监测表明, 南京市夏季细菌与真菌的平均浓度均低于春季, 而在冬季与秋季, 微生物气溶胶浓度会随着高度的增加而降低. Li等[10]在西安对不同天气下的可培养微生物气溶胶进行分类讨论发现, 霾天最高, 云天、晴天次之, 雨天最低.除此之外, 空气污染程度也会影响微生物气溶胶的分布特性.王伟等[11]发现西安市秋季灰霾天暴发时, 可培养细菌与真菌气溶胶浓度都会显著增加, 细菌气溶胶浓度峰值会向细颗粒迁移, 而真菌气溶胶则变化不大. Gao等[12]研究发现可培养细菌气溶胶在不同程度霾天气下的浓度和粒径分布也不同, 随着霾水平的增加, 其总浓度均值降低, 细颗粒百分比减少.还有研究表明空气中的气态污染物也会影响微生物气溶胶的分布特性.韩晨等[13]发现可培养微生物气溶胶的分布不仅受到气象因素的影响, 还受到颗粒物(PM2.5、PM10)和气体污染物(NO2、O3、SO2)的影响.显然, 影响生物气溶胶分布的因素众多, 学术界对其影响规律的认识尚未统一.且已有的对不同空气质量下微生物气溶胶变化的研究, 只讨论了霾天与清洁天的差异, 没有涉及不同等级的空气质量状况.
综上所述, 本文以中国典型旱区城市——西安作为研究区域, 采集不同空气质量下的可培养微生物气溶胶样品, 分析西安地区微生物气溶胶浓度、粒径以及与气象条件和各种空气质量因子的关系, 确定西安市不同空气质量下可培养微生物气溶胶生物分布特性及其主要影响因素, 以期为评估生物气溶胶的健康及环境效应, 制定空气污染防治措施与预防疾病流行提供基础数据.
1 材料与方法 1.1 采样地点与时间采样点位于西安市长安大学雁塔校区环工学院楼顶(34.23°N, 108.96°E, 海拔高度424 m), 距离地面27 m, 采样高度为楼顶上1.5 m处, 受人为因素影响较少.该采样点位于西安市南二环与三环之间, 周围主要是住宅区和教学区, 无工业污染排放源, 采样点周围50 m范围内也没有树木与绿地.采样时间为2014年9月~2015年1月, 在每月的上中下旬进行采样, 在每天的07:30~08:30和11:00~12:00两个时段分别进行重复两次的采样, 每次采样时间为10 min, 共计采样天数为29 d, 具体采样信息如表 1所示.
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表 1 西安市不同程度霾对应采样信息1) Table 1 Sampling information at different haze days in Xi'an |
1.2 采样、培养与计数方法
使用安德森六级撞击式空气采样器(Westech, UK)对空气中可培养生物气溶胶进行采集, 根据粒径大小将其分为六级：Ⅰ级(＞7.0 μm); Ⅱ级(4.7~7.0 μm); Ⅲ级(3.3~4.7 μm); Ⅳ级(2.1~3.3 μm); Ⅴ级(1.1~2.1 μm); Ⅵ级(0.65~1.1 μm).采样的气体流量为28.3 L·min-1, 时间大约为每次10 min, 并设置平行样.
采用9 cm平皿培养, 采样前将平皿进行灭菌处理(121℃, 30 min), 然后加入30 mL培养基, 待采样完成后, 迅速取出培养皿、并加盖倒置于培养箱内.细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基, 在37℃恒温培养箱内培养48 h; 真菌使用沙氏培养基, 在28℃恒温培养箱内培养72 h.
上述培养完成后进行菌落形态观察并计数[11, 14].计数采用Positive-hole法对菌落数进行校正处理.然后根据采样时间和气体流量, 利用公式(1) 和(2) 计算生物气溶胶的浓度：
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(1) |
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(2) |
式中, ck和c分别表示k级及总生物气溶胶浓度, 以菌落形成单位表示(CFU·m-3); Nk表示k级菌落数, CFU; t为采样时间, min; Q为采样器空气流量, L·min-1[13].
1.3 空气质量和气象参数实时浓度ρ(PM2.5)、ρ(PM10)、ρ(SO2)、ρ(NO2)和ρ(O3)来自西安市环境监测站小寨监测点(http://www.xianemc.gov.cn).温度、相对湿度数据来自于(https://www.wunderground.com). AQI是定量描述空气质量的无量纲常数, 参与空气质量评价的主要污染物有PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3.在本文中, AQI(PM2.5)是由PM2.5浓度值计算得出, 与PM2.5浓度呈正相关, 目前被广泛用于表示空气污染程度.当AQI(PM2.5)值高于100(空气质量二级标准, 中国)时, 则认为空气发生灰霾污染[15, 16].将AQI(PM2.5)进行污染等级分类[17], 即优：0~50、良：51~100、轻度污染：101~150、中度污染：151~200、重度污染：201~300、严重污染：＞300.
1.4 数据统计分析使用Spss 19.0进行t检验、主成分分析、多元线性回归和Spearman s相关性分析.当P值小于0.05时, 表示在95%的置信区间内具有统计学上的显著差异.利用Excel 2010和Origin 8.0统计绘图.
2 结果与讨论 2.1 西安市秋冬季可培养微生物气溶胶浓度分布特征表 2是可培养细菌和真菌气溶胶在秋冬季的浓度特征值.秋冬季可培养细菌气溶胶浓度分别为(834.40±561.43) CFU·m-3和(958.32±350.55) CFU·m-3, 可培养真菌气溶胶浓度分别为(539.62±514.78) CFU·m-3和(357.46±323.05) CFU·m-3.秋冬两季可培养细菌气溶胶的浓度差异并不明显(P＞0.05);而可培养真菌气溶胶在秋季明显高于冬季(P＜0.05), Fang等[18]发现北京地区的可培养真菌气溶胶浓度在秋季高于冬季, 这与本研究结果类似.一方面是因为大多数真菌孢子来源于植物[19, 20], 而冬季的气候条件使其来源被阻碍; 另一方面是因为秋季的温湿度条件比冬季更适合真菌的生长繁殖.
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表 2 采样期间可培养生物气溶胶的季节浓度/CFU·m-3 Table 2 Seasonal concentration of culturable bioaerosols during the sampling period/CFU·m-3 |
2.2 不同空气质量下可培养微生物气溶胶浓度分布
图 1是不同空气质量下生物气溶胶浓度水平.细菌气溶胶浓度均值在空气质量为优、良、轻度、中度、重度污染时的分别是546、700、761、947、1 350 CFU·m-3; 真菌气溶胶浓度均值分别为251、298、506、531、656 CFU·m-3.细菌气溶胶在优、轻度、中度及重度污染空气质量下存在显著性差异(P＜0.05).这表明空气中细菌气溶胶浓度随着空气质量指数的升高而明显增加.对于真菌气溶胶, 虽然不同污染等级下的浓度差异并不明显(P＞0.05), 但浓度也随着污染等级的升高而呈增加趋势.综上所述, AQI(PM2.5)可以作为指示可培养生物气溶胶浓度高低的主要指标.
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图 1 西安市不同空气质量下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 at various air quality levels in Xi'an |
图 2为不同空气质量下可培养微生物气溶胶的粒径分布.从中可知, 在5种空气质量下, 可培养细菌气溶胶主要分布在粗粒径范围内(＞2.1 μm), 优77%、良66%、轻度71%、中度74%、重度79%.污染程度较低时, 细菌气溶胶各粒径分布呈偏态分布, 较高粒级浓度百分比为Ⅱ级(4.7~7.0 μm)和Ⅲ级(3.3~4.7 μm), 较低粒级浓度百分比为Ⅴ级(1.1~2.1 μm)和Ⅵ级(0.65~1.1 μm); 污染程度较大时, 其粒径分布发生改变.但总体上随着空气污染等级的增加, 细菌气溶胶粒径分布向粗颗粒迁移, 而细颗粒百分比逐渐减小.青岛[13]、北京[21]等地的研究也发现同样的粒径分布规律, 原因是细菌气溶胶通常黏附在颗粒物表面, 其浓度会随着颗粒物粒径的增加而增加, 进而呈现出上述趋势.
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图 2 不同空气质量下生物气溶胶粒径分布及细颗粒百分比 Fig. 2 Size distribution of airborne bacteria and fungi and percentages of culturable bioaerosols at fine particle size distributions at various air quality levels |
真菌气溶胶在优、良、轻度、中度和重度污染空气质量下, 其细颗粒粒径百分比分别是22%、31%、28%、38%、41%.当空气质量处于优、良和轻度污染时, 真菌生物气溶胶呈正态分布, 粒径峰值集中在Ⅲ和Ⅳ级(2.1~4.7 μm).但在中度和重度污染情况下, 粒径峰值向细颗粒偏移.
2.4 影响生物气溶胶分布特征的因素探究为了探究各气象条件(温度、湿度)及环境因子(PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3)对微生物气溶胶的影响.首先通过主成分分析法, 将这7种因素归为3个主成分因子, 分别为F1(PM2.5、PM10、NO2、SO2)、F2(温度、臭氧)和F3(湿度), 它们对原始变量的方差累积贡献率高达88.83%.其中, F1受灰霾天影响较大, F2和太阳辐射值有关.对3个主成分与细菌(TB、B-粗、B-细)和真菌(TF、F-粗、F-细)气溶胶分别进行多元线性回归, 结果如表 3所示.为确定主成分中各因素对生物气溶胶浓度的影响程度, 使用Spearman s相关性分析得到表 4.
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表 3 采样时段可培养生物气溶胶浓度与因子F1、F2、F3的主成分回归1) Table 3 Principal components regression of culturable bioaerosol concentration with F1, F2, and F3 during the sampling period |
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表 4 可培养生物气溶胶浓度与气象参数、气体污染物、颗粒物的相关性分析1) Table 4 Spearman's correlation coefficients between culturable bioaerosols concentrations and meteorological parameters, air pollutants and particulate matter |
2.4.1 灰霾天(F1)对生物气溶胶的影响
由表 3的主成分回归结果可知, F1与细菌的相关性显著(P＜0.05), 与真菌气溶胶无显著相关, 这与表 4对F1中各因素与可培养生物气溶胶浓度的相关性检验结果基本一致.
在主成分F1中, 颗粒物PM2.5和PM10与TB、B-粗、B-细均呈显著正相关(表 4), 说明空气中的可培养细菌气溶胶浓度随着颗粒物浓度的增加而增加, Haas等[22]的研究也发现当灰霾天暴发时, 空气中颗粒物浓度急剧上升, 为细菌气溶胶的生长和繁殖提供了足够的载体.而颗粒物与真菌气溶胶浓度的相关性均不显著.
表 4中, ρ(NO2)与TB、B-粗及真菌气溶胶浓度呈不显著正相关, 并且真菌相关系数均在0.07以下.由此可见, ρ(NO2)对真菌气溶胶的影响微乎其微, 韩晨等[13]在青岛市的气溶胶研究中也证实了这一点. ρ(SO2)与各细菌气溶胶呈正相关, 尤其对B-细的影响更显著, 说明SO2在某种程度上对细颗粒细菌的生长具有促进作用, 可能是因为SO2在空气中发生某些化学反应形成细粒径硫酸气溶胶[23]. ρ(SO2)与各真菌气溶胶呈负相关, 但相关性并不显著.由于气态污染物对生物气溶胶的生物活性影响极其复杂, 其机制尚不明确, 因此还需要进一步探讨.
2.4.2 温度和臭氧(F2)对生物气溶胶的影响由表 4知, 主成分F2中温度和O3与细菌气溶胶呈负相关, 与真菌气溶胶呈正相关, 这与表 3回归方程F2的系数检验结果一致.
环境温度与TB及B-粗的相关性不显著, 与B-细呈显著负相关.高敏等[16]的研究也发现了与本文类似的结论.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.环境温度与真菌气溶胶浓度呈不显著正相关, 这与其他研究结果相一致[21].
由表 4知, ρ(O3)与各细菌气溶胶呈负相关, 因为O3本身的毒性会抑制室外空气细菌的生长[24]. ρ(O3)与各真菌气溶胶浓度呈不显著正相关, 且相关系数较小, 均在0.08以下, 而Alghamdi等[25]的研究结果与本文一致, 原因可能是O3在颗粒物上停留时间较短, 或O3与颗粒物上其他物质发生化学反应, 减少了对真菌气溶胶的伤害.
2.4.3 湿度对生物气溶胶的影响由表 4知, 相对湿度与细菌和真菌气溶胶均呈正相关, 这与表 3中主成分F3的回归系数显著性结果一致. Wang等[26]也得到类似结论, 这是因为相对湿度的增加有利于微生物的生长繁殖, 而较低的相对湿度会抑制微生物的新陈代谢和生物活性[27].对于B-细, 主成分回归和相关性分析的结果存在差异, 但均无统计学上的显著意义.
3 结论(1) 秋冬季可培养细菌气溶胶浓度分别为(834.40±561.43) CFU·m-3和(958.32±350.55) CFU·m-3, 可培养真菌气溶胶浓度分别为(539.62±514.78) CFU·m-3和(357.46±323.05) CFU·m-3.秋冬季可培养细菌气溶胶的浓度差异并不明显(P＞0.05);而可培养真菌气溶胶在秋季明显高于冬季(P＜0.05).
(2) 不同空气质量下, 可培养细菌气溶胶浓度随着空气质量指数的升高而明显增加.可培养真菌气溶胶在不同污染等级下的浓度差异性并不明显(P＞0.05).
(3) 随着污染等级升高, 细菌粒径向粗颗粒迁移, 而真菌粒径峰值向细颗粒迁移.
(4) 主成分分析结果显示, 可培养微生物气溶胶主要与灰霾、太阳辐射和相对湿度有关.多元线性回归结果表明, 细菌气溶胶与灰霾呈显著正相关(P＜0.05), 与太阳辐射呈不显著负相关, 与相对湿度呈不显著正相关; 真菌气溶胶与灰霾、太阳辐射和相对湿度均呈不显著正相关.
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