2017-06-07
最近，派森諾生物與長安大學(xué)合作，在《Science of the Total Environment》（影響因子4.900）上發(fā)表文章，揭示霧霾氣候條件下，不同顆粒物中細(xì)菌菌群的組成特征。
研究背景
生物氣溶膠，包含有細(xì)菌、真菌、病毒、花粉、孢子、動物和植物殘?bào)w等，約占大氣氣溶膠的25%。這些生物氣溶膠在地球生化循環(huán)體系中起著關(guān)鍵作用，通過與大氣的相互作用影響大氣環(huán)境質(zhì)量和人體健康。特別是，大氣中的微生物通過受傷的皮膚、粘膜、消化道和呼吸道引起各種疾病，比如感染、中毒、過敏、甚至癌癥。近些年，隨著城市化和工業(yè)化的加速發(fā)展，在我國頻繁發(fā)生嚴(yán)重的空氣污染事件。
為了加深對嚴(yán)重霧霾氣候條件下，不同大小顆粒物中細(xì)菌多樣性和菌群結(jié)構(gòu)的理解，本文研究不同大小的大氣顆粒物（PM2.5，PM10和TSP）中細(xì)菌菌群的組成。使用熒光顯微鏡收集西安市自2016年7月至2017年4月霧霾天中不同大小的PM樣本，來檢測細(xì)菌多樣性和菌群結(jié)構(gòu)。同時(shí)收集土壤和葉片樣本，用以分析氣溶膠微粒中微生物的潛在來源。
先了解一下樣本概念：TSP（又稱PM100），也稱總懸浮顆粒物，其空氣動力學(xué)直徑小于或等于100μm。PM10，也稱可吸入顆粒物，空氣動力學(xué)直徑小于或等于10μm。PM2.5，也稱細(xì)顆粒物或可入肺顆粒物，空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5μm。TSP和PM10、PM2.5存在著層層包含的關(guān)系 ，即PM10為TSP的一部分，PM2.5是PM10的一部分。研究結(jié)果表明，PM10/TSP的重量比為60%-80%，而PM2.5/PM10的重量比為50%-70%。
研究方法
測序技術(shù)：Illumina MiSeq平臺
測序模式：16S rRNA基因V3-V4區(qū)
研究結(jié)果
3.1 空氣顆粒物PM2.5、PM10和TSP中微生物的濃度
PM2.5（BioPM2.5）、PM10（BioPM10）和TSP（BioTSP）各組中空氣微生物的含量差異結(jié)果表明，在霧霾天和非霧霾天中，BioPM2.5組中空氣微生物的平均含量是最低的，其次是BioPM10組，最高的是BioTSP組。霧霾天條件下，各類顆粒物中微生物的含量都顯著增加。同時(shí)，空氣微生物和AQI（空氣質(zhì)量指數(shù)）、SO2、CO和NO2是呈顯著正相關(guān)的。
圖1霧霾天和非霧霾天各組樣本中空氣微生物的含量差異
3.2 PM2.5、PM10和TSP中的細(xì)菌群落多樣性
PM2.5、PM10和TSP各組樣本中測到的OTUs數(shù)和空氣細(xì)菌菌群多樣性指數(shù)結(jié)果表明，TSP組的菌群豐富度指數(shù)（Chao1和ACE）比PM10組和PM2.5組更高。菌群多樣性指數(shù)（Shannon和Simpson）在TSP組中是最高，隨后是PM10組和PM2.5組。序列聚類結(jié)果表明，TSP組中門和屬水平上的OTUs數(shù)量顯著高于PM10組和PM2.5組。這些結(jié)果顯示，不同大小的顆粒物中的細(xì)菌菌群的豐度和多樣性是不同的。
表1 各組樣本中空氣細(xì)菌菌體的OTU數(shù)和多樣性
3.3 PM2.5、PM10和TSP中細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)
圖2表明了PM2.5、PM10和TSP各組中在門和屬水平上的細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)組成。在門水平上，PM2.5、PM10和TSP各組中主要的細(xì)菌菌群是Firmicutes和Proteobacteria，F(xiàn)irmicutes在TSP組中是最高的。在屬水平，Pseudomonas、Bacillus 和Lactococcus是各組樣本中排名前三的菌屬。
圖2 各組樣本在門和屬水平上的細(xì)菌菌群分布
3.4霧霾天不同樣本中的病原微生物
圖3中顯示了霧霾天和非霧霾天中不同大小的PM顆粒物中，按豐度高低排名前15的菌屬。霧霾天和非霧霾天的樣本中主要菌屬是相似的，各組中主要菌屬的相對豐度也沒有顯著差異。在屬水平發(fā)現(xiàn)了一些潛在的病原體，例如Pseudomonas、Acinetobacter、Serratia、Streptococcus、Neisseria、Clostridium、Staphylococcus、Mycobacterium、Corynebacterium和Micrococcus。這些是已知的有害菌屬，可以導(dǎo)致人類疾病，盡管他們的相對豐度并不是很高。霧霾天和非霧霾天中潛在病原體的相對豐度比較顯示，Proteobacteria和Neisseria在霧霾天樣本中是顯著增加的，同時(shí)其他都是減少的。但是，目前還沒有證據(jù)能證明霧霾污染和細(xì)菌病原體豐度的增加有直接聯(lián)系。
圖3 霧霾天和非霧霾天條件下，不同大小的PM顆粒中豐度排名前15的菌屬
3.5 空氣細(xì)菌菌群和環(huán)境因子之間的關(guān)聯(lián)性分析
RDA分析結(jié)果表明，某些環(huán)境因子和不同樣本有明顯的相關(guān)性，所有環(huán)境變量的總和能解釋菌群數(shù)據(jù)56.37%的差異。第一軸解釋了菌屬-環(huán)境關(guān)系之間39.5%的關(guān)聯(lián)，并且溫度（TEM），風(fēng)速（WS）和SO2是相關(guān)性最高的。第二個軸占到了6.5%，濕度（RH）與其最相關(guān)。按照這些環(huán)境因子的影響程度進(jìn)行排序：TEM >O3 > NO2 > SO2 > WS > CO > PM10 > VIS (visibility) > PM2.5 > RH，表明PM和其他環(huán)境因子相比，對空氣細(xì)菌菌群的影響較小，一些細(xì)菌病原體的存在和生長受到氣象因素的強(qiáng)烈影響。
圖4 各組樣本中細(xì)菌菌群和氣象因素之間的冗余分析
3.6 空氣細(xì)菌的潛在來源
來自采樣點(diǎn)附近不同媒介的細(xì)菌樣本，包括空氣、土壤和葉片表面，進(jìn)行比較以確認(rèn)空氣細(xì)菌的潛在來源（圖4）。結(jié)果表明，PM10組和PM2.5組之間的細(xì)菌菌群差異比較小，但是在TSP組和PM2.5組之間和TSP組和PM10組之間都有顯著差異。聚類分析結(jié)果表明，土壤及葉片表面的細(xì)菌菌群和空氣細(xì)菌菌群之間沒有明顯的相似性，因此推測本地環(huán)境并不是空氣細(xì)菌的主要來源，可能是通過大氣作用遠(yuǎn)距離傳播的。西安霧霾天的氣團(tuán)來源有兩個主要途徑，西南方和東南方，而不是關(guān)中平原。圖5顯示了11月5號（霧霾天）和10月28號（非霧霾天）的72小時(shí)的反軌跡。非霧霾天采樣期間的反軌跡說明氣團(tuán)來自西北方，而在霧霾天氣團(tuán)主要來自西南方。說明西安大部分的空氣細(xì)菌來自城市的其他地方或者其他城市。
圖5 西安霧霾天和非霧霾天氣團(tuán)72h反軌跡聚類分析
總結(jié)
研究結(jié)果表明，PM2.5，PM10和TSP各組中的空氣細(xì)菌菌群是很相似的。霧霾污染對細(xì)菌菌群沒有顯著影響，并不是所有的潛在病原菌隨著霧霾污染的加重而增加的。另一個重要發(fā)現(xiàn)是，溫度，O3和NO2對細(xì)菌菌群有著主要影響，同時(shí)其他環(huán)境因子，例如PM對細(xì)菌菌群幾乎沒有影響。西安細(xì)菌的潛在來源并不是本地的環(huán)境，而是通過長距離的空氣運(yùn)輸來自城市的不同地方或者其他城市。
本研究亮點(diǎn)：
1、檢測霧霾天中PM2.5，PM10和TSP各組樣本中的細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)；
2、通過高通量測序方法研究細(xì)菌菌群；
3、通過來源分析確認(rèn)空氣傳播微生物的來源；
4、不同顆粒中的細(xì)菌豐度和多樣性是不同的；
5、霧霾污染對細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)沒有顯著性影響。
本研究為生物氣溶膠在霧霾天中對人體健康的危險(xiǎn)性評估提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)，也加深了我們對空氣傳播細(xì)菌的潛在來源的理解和認(rèn)識
參考文獻(xiàn)
Lu R, Li Y, Li W, et al. Bacterial community structure in atmospheric particulate matters of different sizes during the haze days in Xi'an, China[J]. Science of the Total Environment, 2018, s 637–638:244–252.
