空气微生物污染的监测及研究进展
2014-03-27褚可成许淑青
陈 锷,万 东,褚可成,许淑青,张 宁
甘肃省环境监测中心站,甘肃 兰州 730020
环境空气中污染物包括了固态(大气颗粒物)、气态(SO2、NOx等化学污染物)和微生物。而环境空气中的微生物大多又附着在灰尘粒子上[1],或者由微生物产生的孢子飘浮在大气中形成新的气溶胶粒子,并借风力向四处扩散和传播。
大气污染物对人体健康的影响十分复杂,而影响健康的主要环境因素有化学、物理和生物性等。其中化学因素早已为人们所重视,国内空气污染研究的关注焦点多是理化性质方面,如TSP、PM10、PM2.5、烟粉尘、沙尘气溶胶[2]、SO2、NOx、光化学烟雾等,而同样对人类健康有较大影响的空气微生物问题则关注较少。近年来,随着非典型肺炎(SARS)、禽流感(AI)等传染性疾病的跨区域传播,生物性污染事件不断出现,仅2003年,全球SARS累计报告病例8 098例,774人死亡,中国累计感染就达5 327例,349人死亡[3]。而2009年以来,禽流感在全球的蔓延,也已致使上千人死亡。随着人类对健康和环境问题的日益关注,一个城市或一个区域的空气微生物污染状况,必将成为衡量和评价这一城市或区域环境空气质量的一项重要指标。
1 空气微生物及污染现状
空气微生物包括细菌、霉菌、放线菌、病毒、孢子和尘螨等有生命活性物质的微粒,主要以微生物气溶胶的形式存在于大气环境中,也是城市功能区生态系统重要的生物组成部分。微生物气溶胶是指悬浮于空气中的微生物所形成的胶体体系。微生物气溶胶的粒径一般为0.002~30 μm,包括分散相的微生物粒子和连续相的空气介质。与人类疾病有关的微生物气溶胶粒子直径一般为4~20 μm,而真菌则以单个孢子的形式存在于空气中。不同微生物气溶胶粒径大小不同:细菌0.3~15 μm,真菌3~100 μm,孢子6~60 μm,病毒 0.015~0.045 μm,藻类0.5 μm,花粉1~100 μm[1]。目前,已知存在空气中的细菌及放线菌有1 200种,真菌有4万种[4];大部分是对较干燥环境和紫外线具有抗性的种类,主要有附着于尘埃上的球菌属(包括八叠球菌属在内的好氧菌)、形成孢子的好氧性杆菌(如枯草芽孢杆菌)、青霉等霉菌的孢子等。影响微生物气溶胶总量的因素主要有微生物的群落种类与结构、气溶胶胶化前的悬浮机制以及各类环境因素[5]。微生物气溶胶在空气中停留的时间长短由风力、气流和雨、雪等条件所决定,但它们最终都要返回到地表的土壤、水体中以及建筑物和动植物表面。因而,空气微生物不但与环境空气质量、空气污染和人体健康密切相关,并且还与自然生态平衡及许多生命现象直接相关,在自然界的物质循环中起着非常重要的作用[6-7]。
空气微生物主要来源于自然界的土壤、水体、动植物及人类自身。此外,与人类生产生活相关的养殖场、屠宰场、垃圾处理厂、污水处理厂、发酵酿造厂、食品生产厂等场所也是空气微生物的重要来源[8-11]。空气中的微生物主要是非病原性腐生菌,各种球菌占66%,芽孢菌占25%,还有霉菌、放线菌、病毒、微球藻类、蕨类孢子、花粉和少量厌氧芽孢菌[12]。但受到各种环境因素的影响,不同地区空气微生物种类也不尽相同[13]。空气微生物还可能随着生存环境的变化而发生变异,大气中严重的物理化学污染(如粉尘污染)可以为微生物提供载体,扩大其传播范围[3]。空气传播微生物而引起呼吸性疾病的能力主要依赖于微生物依附的空气中的固体颗粒大小[14],空气固体颗粒物大小在一定程度上也是影响空气微生物污染现状的重要因素。
值得关注的是,由于人体呼吸道的生理结构特殊、表面积大,空气中的病原微生物粒子会通过人的鼻、咽、喉、气管、支气管进入到肺泡,引起相应部位感染。以成人为例,肺泡约有3亿个,总面积70 m2(人体体表面积的40倍),呼吸系统的这些生理结构特征导致人体易受空气中病原微生物的感染。同时,空气的流动性和扩散性使病原微生物气溶胶四处扩散,可在短时间内产生大量病例[15]。因此,对空气微生物开展研究与监测,能有效预防危害公共卫生环境事件的发生,有机地将环境监测与公共卫生结合起来,更加有力地说明空气微生物污染对环境的具体影响程度、影响范围以及影响结果,更好地为环境管理与决策提供技术依据。
2 空气微生物的采样方法
空气微生物采样方法主要有2种:一种是自然沉降法,是德国细菌学家Koch于1881年建立的,是指利用空气微生物粒子的重力作用,在一定时间内,让所处区域空气微生物颗粒逐渐沉降到含有培养基质培养皿内的采样方法[5];另一种是气流撞击法,是利用采样器的抽气动力来完成采样。按照采样器的原理,可分为撞击式、离心式、气旋式、过滤式、静电式等[16]。在环境监测过程中,应依据不同的研究目标选择不同的采样器,用不同的采样方法监测空气微生物的结果会有一定的差异[17-18]。研究表明[19],空气微生物采样过程的影响因素很多,自然沉降法以其采样简单而被广泛应用,但也有研究表明这种采样方法准确度较差,不能反映微生物的真实数量[20]。相比较而言,撞击式采样器采集空气微生物以其稳定性、准确性好而被推广使用[21]。以目前最为常用的安德森六级筛孔撞击式空气微生物采样器(以下简称ANDERSEN采样器)为例,其模拟人体呼吸道的解剖结构及其空气动力学特征,采用惯性撞击原理,将悬浮在空气中的微生物粒子,按大小等级分别收集在采样培养基表面,求出空气微生物粒子的数量及其大小分布特征,提前掌握可能会对本地区环境产生污染问题的空气微生物种类及数量,从而有针对性地做出预防和治理。胡庆轩等[22]对ANDERSEN采样器法、LWC-1型采样器法和平皿沉降法3种空气微生物采样方法进行的比较实验表明,ANDERSEN采样器的采样效率高,可以同时测定空气微生物粒子的浓度和粒子大小分布,是观测和研究空气微生物的首选采样器。
3 空气微生物的粒度分布
粒径尺度是空气微生物的一个重要参数,它关系到微生物在空气中的存活、沉降、空间分布、传输和在人呼吸系统中的沉积,也是开展空气微生物污染监测研究的重要方式,通过对空气微生物粒度分布的研究,可以将生物学、医学、气象学、物理学等多种学科交叉综合起来共同说明相关环境问题,进而阐明此类环境问题对人类健康的影响。空气微生物气溶胶的粒子尺度及分布状况研究正受到广泛关注,众多研究者对环境中的微生物气溶胶粒子的大小进行过测定,不同地区不同研究人员用不同方法测出的微生物气溶胶粒径结果各异。空气微生物是个群体概念,本身就超过50万种,因此,微生物气溶胶粒谱范围也很宽,粒径分布范围为0.002~ 30 μm[1]。胡庆轩等[23]采用ANDERSEN采样器测定京津地区空气中细菌和真菌的粒度分布,研究结果显示:北京西单大于2 μm的空气细菌粒子占83%,大于8.2 μm的粒子占29.8%;北京丰台空气真菌峰值中心位于3~6 μm,小于8.2 μm的真菌粒子占64.3%;对沈阳市大气真菌粒数中值直径及粒度分布的研究结果表明,沈阳市大气真菌粒子年平均粒数中值直径为3.9 μm。四季中,大气真菌粒数中值直径夏季较大,冬季较小,分别为4.2 μm和3.6 μm。小于8.2 μm的所吸入大气真菌粒子占88.4%,对人体直接造成危害[19]。李能树采用ANDERSEN采样器对合肥市大气微生物的粒度分布的研究发现,大气中细菌的粒度分布在春、秋季较高,真菌粒子则多在3.0~6.0 μm和2.0~3.5 μm范围[24]。张朝隆等[25]对北京307医院外环境空气细菌粒度分布的测定表明,大于4.7 μm和3.3~0.65 μm 2个范围捕获的粒数分别占69.9%和30.4%。空气中微生物粒子的粒度分布以小于8.2 μm的居多,而根据有关研究,空气中与疾病有关的带菌粒子直径一般为4~20 μm[1]。不同粒子大小的微生物颗粒进入人体呼吸系统的位置不同,对人体的危害不同,10~30 μm 的粒子可进入鼻腔和上呼吸道;6~10 μm的粒子能沉着在次支气管内,1~5 μm的粒子可进入肺深部[26-27]。
4 空气微生物的分离鉴定
对采集到空气微生物的分离鉴定有培养基方法和非培养基方法2种。培养基法是传统的空气微生物检测方法,即将采集到的空气微生物倒置培养,长成菌落后计数,然后进行分离和纯化,并鉴定种属。鉴定方法主要有16SrRNA序列分析、核酸分子杂交、DNA的G+C含量分析、质谱、色谱分析及免疫学方法与光学计数相结合的全自动分析方法[28]。周煜等[29]将16S rRNA序列分析法应用到空气微生物检测中,该方法具有快速、准确和不依赖于细菌生长状态等优点,实验证明,16S rRNA序列分析法可以作为空气微生物分析的一个有效技术。不足的是,培养基法只能监测到在培养基上生长的微生物,需要花费大量的人力和精力,而环境中只有部分微生物是可培养的,通过培养基法只能监测到空气中的部分微生物[30]。非培养基法是指采样后不经过培养就直接进行计数鉴定的方法,主要有荧光显微镜、电子扫描显微镜、流通式血球计数、PCR检测法等检验方法。其中,PCR检测法具有灵敏度高、特异性强、鉴定周期短等特点,能够检测环境空气中较多的微生物,尤其是定量PCR(qPCR),不仅具有上述优点,还可以实现对DNA和RNA的定量分析。Haugland等[31]用qPCR检测了微生物气溶胶,证明qPCR可以快速定量空气中某种微生物气溶胶的浓度。近年来,变性梯度凝胶电泳(DGGE)、DNA芯片技术、末端限制性酶切片段长度多态性分析(T-RELP)等技术也在空气微生物研究中得到应用[32-33]。非培养基法的发展促使鉴定出更多的空气微生物,为掌握空气中微生物的时空变化提供技术支撑[34-37]。
5 空气微生物的监测评价
空气的微生物监测通常采用营养琼脂平板计数法评价空气的清洁程度。测定的微生物指标有细菌、霉菌和放线菌总数,在必要时则测病原微生物。空气中微生物数量及种类因污染源及污染程度不同而异。空气污染物多以气溶胶形式存在,其中的微生物气溶胶不但可以污染食品和水源,而且人类很多疾病就是通过空气微生物直接传染。空气中微生物污染情况的检验,一般以细菌和真菌作为检测目标,在许多行业中备受重视。
空气微生物的污染程度要以量化的数据形式来得以体现,以便人们对空气微生物的污染程度进行质量评价。
5.1 自然沉降法
计算平均菌落数通过奥梅梁斯基公式(1)换算为所测单位体积空气中的各类微生物菌落数[38-39]。 奥氏认为,5 min内落在面积100 mm2营养琼脂平板上的细菌数和10 L空气中所含的细菌数相同。
(1)
式中:n为空气微生物浓度,cfu/m3;N为平均菌落数,个/皿;经过培养后牛肉汁蛋白胨琼脂培养基的细菌菌落数+马丁培养基的霉菌菌落数、放线菌菌落数+高渗透压培养基的耐高渗透压霉菌菌落数[40];A为平皿面积,cm2;t为平皿暴露于空气中的时间,min。 空气微生物的测点数越多越准确,为照顾到工作方便,又相对准确,以20~30个测点数为宜,最少测点数为5~6。
5.2 气流撞击法
以ANDERSEN采样器为例,将采样后的平皿倒置于37 ℃恒温恒湿箱中48 h,对有特殊要求的微生物则放相应条件下培养,计算各级平皿上的菌落数,一个菌落即是一个菌落形成单位(cfu)。以1 m3空气中所含粒子数量表示空气中微生物数量,公式:
n=(N×1000)/ (t×V)
(2)
式中:n为空气中微生物数量,cfu/m3;N为所有平皿菌落数,个;t为采样时间,min;V为空气流量,L/min。以各级的菌落数占六级总菌落数百分比表示空气微生物大小分布,即各级微生物粒子数(%)=该级菌落数×1 000/六级总菌落数量。
采用中科院生态中心推荐使用的空气微生物评价标准(表1)[41]对空气微生物污染状况进行评价。
表1 空气微生物评价标准 103 cfu/m3
6 空气微生物污染的研究
细菌的浓度随着地域和时间的变化呈一定的变化,城市与乡村或同一地区不同功能区、季节和月份的变化等都对细菌气溶胶的浓度有影响[42]。从相关研究来看[43-46],空气微生物的种类分布主要以抵抗力较强的革兰氏阳性菌为主,包括球菌、杆菌和芽孢杆菌等,革兰氏阴性菌较少。空气微生物中的真菌优势种包括:枝孢属(Cladosporium)、链格孢属(Alternaria)、链孢霉属(Fusarium)、无孢属(non-sporulatingmycelia)、青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)、芽枝霉(Blastocladiapringsheimii)、互隔交链孢霉(Altemariaalternata)[13,47-50]。
6.1 空气微生物的时间分布特征
不同地区,空气微生物的浓度会随着季节、月份和每日不同时段的变化而变化。研究资料表明[51-53],一年中的空气细菌变化曲线呈双峰型,2个高峰,一般夏、秋季高于春、冬季。从每日时段变化来看,17:00至18:00细菌浓度较高,8:00、1:00至2:00时细菌浓度较低。
6.2 空气微生物的空间分布特征
一天内,空气中微生物气溶胶浓度受不同地区的人员流动、车辆活动、绿化覆盖率、近地面温度和紫外线辐射等影响,温度升高可使近地面风速发生变化,从而破坏空气的稳定程度,使空气底层的带菌颗粒垂直上升而稀释;日辐射强度的增加,使得紫外线能够对细菌起到杀灭作用[54]。不同地区的空气微生物污染具有一定的空间分布差异,详见表2。
表2 不同地区室外空气微生物污染空间分布差异
同一城市不同功能区的微生物浓度也有很大区别。研究显示,商业区、交通区细菌污染较重,其次是休闲娱乐区和居民区,文教区污染相对较轻[41,51,58-59]。此外,王文义[60]的研究表明,重庆空气微生物含量由高到低的顺序为闹市区、县城区、农村区、山区(对照区)。一般情况下,近地面不同垂直高度空气微生物的浓度随着离地面高度的增加,空气中微生物的数量减少[47]。车凤翔等[61]进行了不同高度(距离地面高度为1.5、8、15、47、100、320 m)的同步空气微生物采样,研究结果表明,不同高度的细菌和真菌浓度随着高度的增加而减少,尤其47 m以上浓度降低更为明显。值得注意的是,方东等[62]在研究中发现,空气微生物含量与空气监测指标PM10、SO2、NO2的分析结果有一定的相关性,与PM10呈明显的正相关。谢慧玲等[63]在研究中发现,人流量、车流量与空气微生物含量呈正相关。
6.3 不同环境中的空气微生物污染
空气微生物污染可带来呼吸道疾病(如军团病、军事坑道内的真菌性呼吸道感染)、变态反应(农民肺、棉尘热、蔗渣尘肺、花粉病、尘螨过敏等)、伤口感染、食品变质等众多问题[1,64-65]。研究表明,空气微生物污染是鼻黏膜充血、鼻甲肿大、咽出血及过敏性鼻炎等病症的主要危险因素,也是影响肺通气功能及呼吸疾病的重要危险因素,对上海市空气微生物污染区及清洁区2~5年级小学生254人和268人进行的健康调查表明,污染区儿童鼻黏膜充血、鼻甲肿大、扁桃体肿大、咽出血及过敏性鼻炎的检出率为清洁区的1.57~6.50倍,空气微生物污染影响儿童呼吸系统健康[66-67]。
在环境医学卫生方面,空气微生物浓度是判断病房洁净度的重要指标,病房环境污染的程度是判断外源性交叉感染的重要依据[1]。卫生部《医院感染管理条例》就规定,手术室空气微生物菌数不得超过500 cfu/m3。有学者研究证实,普通手术室的感染率是洁净手术室的51倍[68]。
7 空气微生物污染的监测、研究与展望
已开展空气微生物调查和研究的南、北方省会城市广州和兰州,从时间分布、空间分布和空气中优势微生物种群3个方面进行比较,欧阳友生等在2002—2003年对广州市18个监测点空气微生物的观察研究显示,从时间分布看,四季中,广州市各监测点室外空气细菌和真菌平均含量变化均表现为春(3 716 cfu/m3)>夏( 2 300 cfu/m3)>冬(1 816 cfu/m3)>秋(1 553 cfu/m3)。因为广州市的春季正是广州的梅雨季节,气候温暖潮湿,各类微生物易生长和繁殖。兰州地区空气微生物数量平均值:春(20 983 cfu/m3)>秋(16 196 cfu/m3)>夏(20 329 cfu/m3)>冬(13 351 cfu/m3)[69]。但从笔者目前对兰州地区不同季节空气微生物的调查研究发现,不同季节里空气微生物中细菌、真菌、放线菌的含量有一定区别。从空间分布看,广州市各功能区的空气微生物平均含量大小顺序为:商业步行街>交通枢纽区>居民住宅小区>工业厂区[57];孙荣高于1990—1994年对兰州地区25个采样点大气微生物的研究表明,大气微生物总数:交通什字人口密集区>居民商业区>市区>工业区[70-71]。广州市空气微生物真菌的优势种群有青霉属(Penicillium)、链格孢属(AlternariaNees)、曲霉属(Aspergillus)、枝孢属(Cladosporium)等[72],细菌的优势种群有葡萄球菌属(Staphylococcus)、芽孢杆菌属(Bacillus)等[54];兰州地区空气中的优势真菌和细菌分别以交链孢霉(Alternaria)、青霉属(Penicillium)、芽枝霉(Cladosporium)、曲霉属(Aspergillus)、木霉(Thichoderma)和蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和八叠球菌(Sarcina)为主[55,73],南北方会因地形、经纬度、气候、人口规模、城市绿化、城市结构等因素的差异,空气微生物的时空变化特征和组成也会有所差异。采用自然沉降法对兰州市区空气微生物的调查研究显示,空气微生物沉降量会随着城市发展进程的改变而发生变化,适时开展空气微生物定点监测对于掌握本地区环境空气质量和空气污染状况的变迁历程有着积极的意义[55,74]。
目前,我国对空气微生物进行的研究大多集中在调查方面,还未形成有效的研究体系,有许多方面的问题还有待进一步研究。如在微生物监测方面:一是应增强和加大空气微生物采样、鉴定新方法、新技术的研究和研制,使用采集效率更高效、更合理的空气微生物采样器。二是利用更加先进的分子生物学等手段来对空气微生物的种类进行分离鉴定。三是结合对大气灰霾的污染,开展大气细颗粒或超细颗粒物中微生物样品采集和研究。由于灰霾是以细颗粒物为载体,主要成分有硫酸盐、硝酸盐、铵盐、含碳颗粒(包括元素碳和有机碳)、重金属等[75],空气微生物是否可以利用细颗粒中的营养基质,通过自身代谢来提高相关元素或化合物的毒性(如将元素汞转变成烷基汞),从而加剧空气微生物污染影响程度。四是将环境微生物监测向常态化和在线监测方向发展和延伸。不能仅局限于微生物数量和种类的简单监测,而要系统地研究空气微生物群落结构及其动态变化的影响因素,应将空气微生物进行有效分离、鉴定,充分揭示空气微生物污染的程度和对人体健康的危害,为制定相应的预防措施提供理论依据。另外,对微生物气溶胶污染传播机制的研究也较欠缺,尤其是关于感染性微生物气溶胶在不同环境中的传播机制的实验研究较少,大部分是模拟研究,缺少连续的基础监测数据和实验研究的证据[76],因此还需加强微生物气溶胶传播途径及机理的研究和空气微生物毒理学的研究,全面研究空气微生物的动态变化规律及其对人类健康乃至整个生态系统的影响。有害微生物作为空气中活的污染物,随着人类社会的发展,其对空气质量的不良影响也在逐渐得到人们的认识。空气微生物作为一种特殊污染物,应与PM10、SO2、NO2一样,独立作为一种空气污染物被日常监测和控制。
此外应加强对空气微生物的监测和研究,开展与理化污染物同步的空气微生物监测,及时掌握本地区空气微生物污染状况、污染源和变化规律,及时发现重点污染源,尽早采取治理措施,避免大规模污染事故的发生和蔓延[71]。
8 结语
近年来,随着民众对雾霾、扬尘等污染天气问题的日益关注,空气微生物对人体健康和大气污染的影响问题愈加显得重要。要从根本上解决此类问题,首先要开展空气微生物的常规监测,用积累的大量监测数据,为研究其形成原因提供翔实资料,这也为研究雾霾和颗粒物污染的成因、机理及迁徙途径提供十分重要的技术支持。对于空气微生物的监测,主要是通过采集TSP、PM10、PM2.5样品来达到。而目前在TSP、PM10、PM2.5样品的日常监测中,多数只是停留在常规项目的理化分析,而对其中空气微生物的研究甚少。这些受污染的大气颗粒物中,空气微生物的污染到底达到何种污染状况、范围和程度,雾霾、扬尘等环境恶化天气是否对人体健康造成危害,或者说造成哪些危害,尚待进一步研究。希望国家能尽早出台我国的空气微生物标准监测规范,提前防范和降低空气微生物污染对人体健康的危害。
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