2017-06-07
最近(jin)，派森諾生物(wu)與(yu)長(chang)安大學合作(zuo)，在《Science of the Total Environment》（影響因子(zi)4.900）上發表文章，揭示霧霾氣候條件下，不同顆(ke)粒物(wu)中細菌菌群的組成特征(zheng)。
研究背景
生(sheng)物(wu)(wu)氣(qi)溶膠，包含有細菌(jun)(jun)、真菌(jun)(jun)、病(bing)(bing)毒、花粉、孢子(zi)、動物(wu)(wu)和植物(wu)(wu)殘體等(deng)，約占大(da)氣(qi)氣(qi)溶膠的25%。這些(xie)生(sheng)物(wu)(wu)氣(qi)溶膠在地球生(sheng)化循環體系中(zhong)起(qi)著關鍵作用，通(tong)過(guo)與大(da)氣(qi)的相互(hu)作用影(ying)響大(da)氣(qi)環境質量和人體健康(kang)。特別是，大(da)氣(qi)中(zhong)的微生(sheng)物(wu)(wu)通(tong)過(guo)受(shou)傷的皮膚、粘(zhan)膜、消化道和呼(hu)吸道引起(qi)各種疾病(bing)(bing)，比如感染(ran)、中(zhong)毒、過(guo)敏、甚(shen)至癌(ai)癥(zheng)。近些(xie)年，隨著城市化和工業化的加速發(fa)展，在我國頻繁發(fa)生(sheng)嚴重的空氣(qi)污染(ran)事件。
為了加(jia)深對(dui)嚴重霧(wu)霾氣候(hou)條(tiao)件(jian)下，不同(tong)(tong)大(da)(da)小(xiao)顆粒(li)物中(zhong)(zhong)細菌(jun)多(duo)(duo)樣性(xing)和(he)菌(jun)群(qun)結構的理解，本(ben)文研究不同(tong)(tong)大(da)(da)小(xiao)的大(da)(da)氣顆粒(li)物（PM2.5，PM10和(he)TSP）中(zhong)(zhong)細菌(jun)菌(jun)群(qun)的組成。使用熒光顯微(wei)鏡收集西安市自(zi)2016年(nian)7月(yue)至(zhi)2017年(nian)4月(yue)霧(wu)霾天中(zhong)(zhong)不同(tong)(tong)大(da)(da)小(xiao)的PM樣本(ben)，來檢(jian)測細菌(jun)多(duo)(duo)樣性(xing)和(he)菌(jun)群(qun)結構。同(tong)(tong)時(shi)收集土壤和(he)葉片樣本(ben)，用以(yi)分析氣溶膠微(wei)粒(li)中(zhong)(zhong)微(wei)生(sheng)物的潛在來源。
先了解一(yi)下(xia)樣本概(gai)念：TSP（又(you)稱(cheng)PM100），也稱(cheng)總懸浮顆(ke)粒(li)物(wu)，其(qi)空(kong)氣(qi)(qi)動(dong)力學直(zhi)徑小于(yu)或(huo)等(deng)于(yu)100μm。PM10，也稱(cheng)可吸入顆(ke)粒(li)物(wu)，空(kong)氣(qi)(qi)動(dong)力學直(zhi)徑小于(yu)或(huo)等(deng)于(yu)10μm。PM2.5，也稱(cheng)細顆(ke)粒(li)物(wu)或(huo)可入肺顆(ke)粒(li)物(wu)，空(kong)氣(qi)(qi)動(dong)力學直(zhi)徑小于(yu)或(huo)等(deng)于(yu)2.5μm。TSP和PM10、PM2.5存(cun)在著層層包(bao)含(han)的關(guan)系 ，即PM10為TSP的一(yi)部分，PM2.5是PM10的一(yi)部分。研究結果(guo)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：Illumina MiSeq平臺
測序模式(shi)：16S rRNA基(ji)因V3-V4區
研究結果
3.1 空氣顆(ke)粒物PM2.5、PM10和TSP中微生物的(de)濃度
PM2.5（BioPM2.5）、PM10（BioPM10）和TSP（BioTSP）各組中(zhong)空氣(qi)微(wei)生物的含量差異結果表明，在霧霾(mai)天和非霧霾(mai)天中(zhong)，BioPM2.5組(zu)中(zhong)空氣微生(sheng)物的(de)平均含(han)(han)量(liang)是(shi)最低的(de)，其次是(shi)BioPM10組(zu)，最高的(de)是(shi)BioTSP組(zu)。霧霾(mai)天條(tiao)件下，各類顆粒物中(zhong)微生(sheng)物的(de)含(han)(han)量(liang)都顯(xian)著(zhu)增加。同時，空氣微生(sheng)物和(he)(he)AQI（空氣質量(liang)指數）、SO2、CO和(he)(he)NO2是(shi)呈顯(xian)著(zhu)正相關(guan)的(de)。
圖1霧霾天和(he)非(fei)霧霾天各組樣本(ben)中空氣微生物的(de)含量差異
3.2 PM2.5、PM10和TSP中的(de)細菌群落多樣性
PM2.5、PM10和(he)(he)(he)TSP各組(zu)(zu)樣(yang)本中(zhong)測到的(de)OTUs數(shu)和(he)(he)(he)空氣細菌(jun)菌(jun)群(qun)多(duo)(duo)樣(yang)性(xing)指數(shu)結果表明，TSP組(zu)(zu)的(de)菌(jun)群(qun)豐(feng)富度指數(shu)（Chao1和(he)(he)(he)ACE）比PM10組(zu)(zu)和(he)(he)(he)PM2.5組(zu)(zu)更高(gao)。菌(jun)群(qun)多(duo)(duo)樣(yang)性(xing)指數(shu)（Shannon和(he)(he)(he)Simpson）在TSP組(zu)(zu)中(zhong)是最高(gao)，隨后是PM10組(zu)(zu)和(he)(he)(he)PM2.5組(zu)(zu)。序列聚類結果表明，TSP組(zu)(zu)中(zhong)門和(he)(he)(he)屬水平(ping)上的(de)OTUs數(shu)量顯著(zhu)高(gao)于(yu)PM10組(zu)(zu)和(he)(he)(he)PM2.5組(zu)(zu)。這些結果顯示，不同大小(xiao)的(de)顆粒物中(zhong)的(de)細菌(jun)菌(jun)群(qun)的(de)豐(feng)度和(he)(he)(he)多(duo)(duo)樣(yang)性(xing)是不同的(de)。
表1 各組樣本中空氣細(xi)菌菌體的OTU數(shu)和多樣性
3.3 PM2.5、PM10和TSP中細菌(jun)菌(jun)群(qun)結構
圖2表明(ming)了(le)PM2.5、PM10和TSP各組(zu)中在(zai)(zai)門和屬(shu)(shu)水平(ping)上(shang)的(de)細菌(jun)菌(jun)群(qun)結構組(zu)成。在(zai)(zai)門水平(ping)上(shang)，PM2.5、PM10和TSP各組(zu)中主要的(de)細菌(jun)菌(jun)群(qun)是(shi)(shi)Firmicutes和Proteobacteria，Firmicutes在(zai)(zai)TSP組(zu)中是(shi)(shi)最高(gao)的(de)。在(zai)(zai)屬(shu)(shu)水平(ping)，Pseudomonas、Bacillus 和Lactococcus是(shi)(shi)各組(zu)樣本中排名前(qian)三的(de)菌(jun)屬(shu)(shu)。
圖2 各組樣本在門(men)和屬水(shui)平上的細菌菌群分(fen)布(bu)
3.4霧(wu)霾天不同樣(yang)本(ben)中的病原微生(sheng)物
圖3中(zhong)顯示(shi)了(le)霧霾(mai)天(tian)和(he)非(fei)霧霾(mai)天(tian)中不同(tong)大(da)小的(de)PM顆粒物中，按豐度高低(di)排(pai)名前15的(de)菌(jun)屬(shu)。霧(wu)霾(mai)天(tian)(tian)(tian)和(he)非霧(wu)霾(mai)天(tian)(tian)(tian)的樣本(ben)(ben)中主(zhu)要菌屬(shu)是(shi)相似的，各組中主(zhu)要菌屬(shu)的相對豐度(du)也沒(mei)有(you)(you)顯著差(cha)異。在(zai)屬(shu)水(shui)平發現(xian)了一些(xie)潛在(zai)的病原體(ti)(ti)，例如Pseudomonas、Acinetobacter、Serratia、Streptococcus、Neisseria、Clostridium、Staphylococcus、Mycobacterium、Corynebacterium和(he)Micrococcus。這些(xie)是(shi)已知的有(you)(you)害(hai)菌屬(shu)，可以(yi)導致(zhi)人類疾病，盡(jin)管他們的相對豐度(du)并不(bu)是(shi)很(hen)高。霧(wu)霾(mai)天(tian)(tian)(tian)和(he)非霧(wu)霾(mai)天(tian)(tian)(tian)中潛在(zai)病原體(ti)(ti)的相對豐度(du)比較顯示(shi)，Proteobacteria和(he)Neisseria在(zai)霧(wu)霾(mai)天(tian)(tian)(tian)樣本(ben)(ben)中是(shi)顯著增(zeng)加的，同時其他都是(shi)減(jian)少的。但是(shi)，目前還沒(mei)有(you)(you)證(zheng)據(ju)能證(zheng)明霧(wu)霾(mai)污(wu)染和(he)細菌病原體(ti)(ti)豐度(du)的增(zeng)加有(you)(you)直(zhi)接聯系。
圖3 霧(wu)霾天(tian)和非霧(wu)霾天(tian)條件下，不同大小的PM顆(ke)粒(li)中豐度(du)排(pai)名前15的菌屬
3.5 空氣細菌(jun)菌(jun)群和(he)環境因(yin)子之(zhi)間(jian)的關聯性分析
RDA分析結(jie)果表(biao)明(ming)，某些環境(jing)因子(zi)和(he)(he)不同樣本有(you)明(ming)顯的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)性(xing)(xing)，所有(you)環境(jing)變量的(de)(de)(de)總和(he)(he)能解(jie)釋菌群數據56.37%的(de)(de)(de)差異。第(di)一軸解(jie)釋了菌屬-環境(jing)關(guan)系(xi)之間39.5%的(de)(de)(de)關(guan)聯，并且溫(wen)度(du)（TEM），風速(su)（WS）和(he)(he)SO2是(shi)相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)性(xing)(xing)最高的(de)(de)(de)。第(di)二個軸占到了6.5%，濕度(du)（RH）與其(qi)最相(xiang)(xiang)(xiang)關(guan)。按照這些環境(jing)因子(zi)的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)程度(du)進行排序：TEM >O3 > NO2 > SO2 > WS > CO > PM10 > VIS (visibility) > PM2.5 > RH，表(biao)明(ming)PM和(he)(he)其(qi)他環境(jing)因子(zi)相(xiang)(xiang)(xiang)比，對空氣細(xi)菌菌群的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)較小，一些細(xi)菌病(bing)原體的(de)(de)(de)存在和(he)(he)生長受到氣象因素(su)的(de)(de)(de)強烈影(ying)響(xiang)。
圖4 各(ge)組樣本中細菌菌群和氣象因素(su)之間的(de)冗(rong)余分(fen)析(xi)
3.6 空氣細菌(jun)的潛在來(lai)源(yuan)
來(lai)自(zi)(zi)(zi)采樣點附近(jin)不(bu)同媒(mei)介的(de)(de)(de)細菌(jun)樣本(ben)，包括(kuo)空(kong)氣、土壤和(he)(he)葉片表(biao)面，進行比較(jiao)以(yi)確認空(kong)氣細菌(jun)的(de)(de)(de)潛在來(lai)源（圖4）。結(jie)(jie)果表(biao)明，PM10組(zu)(zu)和(he)(he)PM2.5組(zu)(zu)之間(jian)的(de)(de)(de)細菌(jun)菌(jun)群(qun)差(cha)異比較(jiao)小(xiao)，但是(shi)在TSP組(zu)(zu)和(he)(he)PM2.5組(zu)(zu)之間(jian)和(he)(he)TSP組(zu)(zu)和(he)(he)PM10組(zu)(zu)之間(jian)都有(you)(you)顯著差(cha)異。聚類分析(xi)結(jie)(jie)果表(biao)明，土壤及葉片表(biao)面的(de)(de)(de)細菌(jun)菌(jun)群(qun)和(he)(he)空(kong)氣細菌(jun)菌(jun)群(qun)之間(jian)沒有(you)(you)明顯的(de)(de)(de)相似性，因此推測(ce)本(ben)地環境并(bing)不(bu)是(shi)空(kong)氣細菌(jun)的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)(yao)來(lai)源，可能是(shi)通過大氣作(zuo)用遠(yuan)距(ju)離傳播的(de)(de)(de)。西(xi)安霧霾(mai)天的(de)(de)(de)氣團來(lai)源有(you)(you)兩(liang)個(ge)主(zhu)要(yao)(yao)途徑，西(xi)南(nan)方和(he)(he)東南(nan)方，而(er)(er)不(bu)是(shi)關中平原(yuan)。圖5顯示了11月5號（霧霾(mai)天）和(he)(he)10月28號（非霧霾(mai)天）的(de)(de)(de)72小(xiao)時的(de)(de)(de)反軌跡。非霧霾(mai)天采樣期間(jian)的(de)(de)(de)反軌跡說明氣團來(lai)自(zi)(zi)(zi)西(xi)北方，而(er)(er)在霧霾(mai)天氣團主(zhu)要(yao)(yao)來(lai)自(zi)(zi)(zi)西(xi)南(nan)方。說明西(xi)安大部分的(de)(de)(de)空(kong)氣細菌(jun)來(lai)自(zi)(zi)(zi)城(cheng)市的(de)(de)(de)其他地方或(huo)者其他城(cheng)市。
圖5 西安霧霾(mai)天(tian)和非霧霾(mai)天(tian)氣團72h反軌跡(ji)聚類分析
總結
研究結果表明，PM2.5，PM10和TSP各(ge)組(zu)中的(de)(de)(de)空(kong)氣細(xi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)群是(shi)很(hen)相似的(de)(de)(de)。霧(wu)霾(mai)污染(ran)對細(xi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)群沒(mei)有顯著影(ying)(ying)響(xiang)，并(bing)不(bu)(bu)是(shi)所有的(de)(de)(de)潛(qian)在病原菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)隨著霧(wu)霾(mai)污染(ran)的(de)(de)(de)加重(zhong)而(er)增加的(de)(de)(de)。另一個重(zhong)要發現是(shi)，溫度，O3和NO2對細(xi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)群有著主要影(ying)(ying)響(xiang)，同(tong)時其他(ta)環(huan)境因子，例(li)如PM對細(xi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)群幾乎沒(mei)有影(ying)(ying)響(xiang)。西安細(xi)菌(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)(jun)的(de)(de)(de)潛(qian)在來(lai)源(yuan)并(bing)不(bu)(bu)是(shi)本地的(de)(de)(de)環(huan)境，而(er)是(shi)通過長距離的(de)(de)(de)空(kong)氣運輸來(lai)自城(cheng)市的(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)地方或者其他(ta)城(cheng)市。
本研究亮點：
1、檢(jian)測(ce)霧(wu)霾天中(zhong)PM2.5，PM10和TSP各(ge)組樣本中(zhong)的(de)細菌(jun)菌(jun)群結構(gou)；
2、通(tong)(tong)過(guo)高(gao)通(tong)(tong)量測序(xu)方法研(yan)究細菌菌群(qun)；
3、通(tong)過來(lai)源(yuan)分(fen)析(xi)確認空氣(qi)傳(chuan)播微生物的(de)來(lai)源(yuan)；
4、不同顆粒中的(de)(de)細菌豐度和多(duo)樣性是不同的(de)(de)；
5、霧霾污染(ran)對細菌(jun)菌(jun)群結構沒有(you)顯著性影響。
本研究為生(sheng)物氣溶膠在霧霾天(tian)中對(dui)人(ren)體健康(kang)的(de)(de)危險性評估提供了有價值(zhi)的(de)(de)數據(ju)，也加深了我們對(dui)空氣傳播(bo)細菌的(de)(de)潛在來(lai)源的(de)(de)理解和認識
參考文獻
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.
