北京市空气细菌群落特征及其影响因素研究

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本研究通过定量PCR和高通量测序技术,调查了北京市全年空气细菌的浓度、群落组成和结构;分析了空气中的人类病原细菌组成及其可能健康危害;考察了特殊天气下空气细菌群落特征及病原菌相对丰度的变化;依托北京市城市生态系统研究站的气象数据和大气污染物长期监测数据,分析其对空气细菌浓度和群落结构的影响。取得了以下主要结论:  (1)北京市全年空气细菌浓度为8.71×103-2.14×107copies/m3。冬季细菌浓度为1.31×105±1.09×105copies/m3,春季为1.85×106±4.68×106copies/m3,夏季为4.66×104±3.07×104copies/m3,秋季为7.15×105±6.64×105copies/m3,春秋季空气细菌浓度显著高于冬夏季(P<0.05)。  (2)门级别上,变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、芽厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)是北京市空气细菌的主导菌门,占据总丰度的90%以上;目级别上,检测出19个优势菌目,微球菌目(Micrococcales)、芽孢杆菌目(Bacillales)、红细菌目(Rhodobacterales)、伯克氏菌目(Burkholderiales)、鞘脂单胞菌目(Sphingomonadales)、梭菌目(Clostridiales)6个菌目平均相对丰度超过5%,假单胞菌目(Pseudomonadales)、根瘤菌目(Rhizobiales)、乳杆菌目(Lactobacillales)等13个菌目相对丰度在1%-5%之间;属级别上,仅有少量菌准确鉴定,主要由库克菌属(Kocuria)、副球菌属(Paracoccus)、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、马赛菌属(Massilia)、微红微菌属(Rubellimicrobium)等构成。北京市空气细菌主要来源于土壤、水体、植物和动物粪便等。  (3)门、纲、目、科、属各级别上,空气细菌均具有类似的优势类群,样本间的差异主要体现在优势类群的相对丰度上。群落浓度和群落结构具有明显的季节特征,同一季节的空气细菌更为相似。季节对空气细菌的影响大于气象因素和大气污染物。  (4)80个空气样本共检测出172种病原细菌,均为条件致病菌。北京市冬季病原菌种类最多,夏秋季其次,春季病原菌种类最少。各个季节病原菌的相对丰度,共占注释序列总数的2.4631%-3.8444%。其中,冬季为2.46%±0.41%,春季为3.17%±1.27%,夏季为3.29%±0.64%,秋季为3.84%±0.79%。平均相对丰度超过0.01%的空气病原菌有29种,Acinetobacter johnsonii,Acinetobacter lwoffii,Bacillus circulans,Aerococcus viridans,Moraxella osloensi,Staphylococcus saprophyticus,Clostridium butyricum等7种病原菌相对丰度最高,超过0.1%。四个季节共检测到8种新兴或再兴病原细菌(Emerging or Re-emerging Pathogen),其中金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、粘质沙雷菌(Serratia marcescens)和铜绿色假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)相对丰度和检出率最高,它们可能引起感染并导致各种并发症。其他5种新兴或再兴病原细菌仅在个别样本中检出,且相对丰度极低(仅有数条或数十条序列),它们为:结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)、肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)、嗜肺性军团病杆菌(Legionella pneumophila)、无枝菌酸棒状杆菌(Corynebacterium amycolatum)和脑膜炎奈瑟氏菌(Neisseria meningitidis)。  (5)特殊天气事件可导致空气细菌浓度和群落结构的变化。春季沙尘暴天气下,空气细菌群落发生重大变化,细菌浓度由常规天气的4.98×105copies/m3激增至2.13×107copies/m3;群落中α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度升高,而γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度降低。沙尘暴不能持续影响空气细菌群落,沙尘暴前后,空气细菌浓度、α多样性、群落组成和结构无显著差异;夏季降雨将空气细菌分成群落结构迥异的3组,各组别均具有相对丰度显著高于其他组别的细菌类群,如:降雨前groupl组的芽孢杆菌目(Bacillales)、微球菌目(Micrococcales)、肠杆菌目(Enterobacteriales)和噬纤维菌目(Cytophagales);小雨后group2组的SubsectionⅡ;大雨后group3组的粘球菌目(Myxococcales)、伯克氏菌目(Burkho lderiales)、假单胞菌目(Pseudomonadales)和红细菌目(Rhodobacterales)等;雾霾对空气细菌浓度和群落结构没有显著影响。  (6)同一季节内,气象因素对空气细菌浓度和群落结构的影响均较空气污染物大。在每个季节,气象因子均是影响空气细菌浓度和群落结构变化的主导因子。大气压是影响冬季细菌群落的丰导因子;相对湿度和水汽压是影响夏季和秋季细菌群落的主导因子;大气温度、相对湿度和风速是影响春季空气细菌群落的主导因子。大气污染物对细菌浓度和群落结构的影响甚微,即使在冬季和秋季的重度雾霾季节,PM2.5的变化不能引起空气细菌浓度和群落结构的明显变化。O3、SO2、NO2和CO等气态污染物对空气细菌浓度和群落结构均没有显著影响。
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