南方典型旅游城市空气微生物粒径分布特征

姚文冲，楼秀芹，方治国*，欧阳志云（.浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江 杭州 00；.杭州市疾病预防控制中心微生物检验科，浙江 杭州 00；.中国科学院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室，北京 00085）

南方典型旅游城市空气微生物粒径分布特征

姚文冲1，楼秀芹2，方治国1*，欧阳志云3（1.浙江工商大学环境科学与工程学院，浙江 杭州 310012；2.杭州市疾病预防控制中心微生物检验科，浙江 杭州 310021；3.中国科学院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085）

在南方典型旅游城市杭州选取了4个样点进行了空气微生物取样工作.系统研究了杭州市室外空气微生物粒径分布特征.结果表明，不同样点空气细菌粒子百分比从Ⅰ级到Ⅵ级逐渐减少，总体呈偏态分布.交通干线，文教区，商业区和旅游风景区细菌粒子百分比最高值均出现在Ⅰ级，分别占29.1%， 31.8%， 33.5%和25.4%，最低值均出现在Ⅵ级，分别占11.7%， 11.2%， 6.5%和11.1%.不同样点空气真菌主要分布在Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级，总体呈对数正态分布，真菌百分比最高值均出现在Ⅳ级，分别占30.3%， 30.2%， 31.7%和28.3%，最低值出现在Ⅵ级，分别占5.2%， 5.1%， 3.3%和4.5%.青霉属，链格孢属，曲霉属和枝孢属优势真菌粒径均呈对数正态分布特征，但取样器各级真菌百分比各不相同.此外，空气细菌中值直径显著大于空气真菌，商业区空气细菌中值直径显著大于其他3个样点，而文教区真菌中值直径显著大于其他3个样点.研究结果进一步说明了城市室内外空气微生物粒径分布特征的不同，为室内外空气微生物污染的预防和控制提供了科学依据.

空气微生物；生物气溶胶；粒径分布；青霉属；枝孢属

生物气溶胶是指空气中具有生物来源的粒子，主要包括花粉、真菌、细菌、病毒、昆虫片段、哺乳动物的皮毛、生物残体或代谢产物等［1］.其中，空气中的细菌主要吸附在尘埃粒子表面，真菌则以孢子的形式存在于空气中［2］，空气中这些特定的生物粒子具有特定的动力学粒径，风媒传粉的植物花粉为17～58µm，真菌孢子为1～30µm，细菌为0.25～8µm之间，病毒的直径则小于0.3µm［3-4］.研究发现，微生物气溶胶的粒径会随着各种环境条件和培养条件的变化而变化，不同城市室内外空气微生物粒径分布特征各不相同.空气细菌粒子直径可能与城市环境条件（如植被覆盖率和沙尘天气等）、车流及人流等因素密切相关［5-6］，空气真菌直径可能与孢子菌龄和生长基质营养成分密切相关，还与空气湿度和温度有关［7］.空气中微生物粒径的变化还可能是由于孢子的聚合率不同，孢子聚合率受到微生物粒子的来源和粒子的释放机理的影响［8-9］.

空气中微生物对人类健康的危害除了与微生物的种类和浓度有关外，还与微生物粒子的大小密切相关，并且不同粒径的空气微生物对人们健康影响的作用机理不同［8］.据报道，较大的孢子（＞10µm）沉积在上支气管（鼻、咽喉），能够引起干热发烧症状；较小的孢子（＜10µm，特别＜5µm）可以渗透到下支气管，可以导致过敏和哮喘；那些更小的孢子（＜0.1µm）则能够渗透到呼吸道或更深的部分，不同程度地影响人们身体的健康［10］.此外，微生物粒子在空气中的行为与它们的粒径、密度和形态密切相关［11］，而空气微生物的中值直径是衡量其粒径大小的重要标准，所以空气中微生物的粒径分布及中值直径是衡量其对人们健康危害的重要指标.杭州市作为国家历史文化名城和南方典型的风景旅游城市随着经济发展和城市化进程的加速，其空气生物污染问题也日益突出.然而，有关杭州市空气微生物的研究工作至今未见任何报道，作为全球闻名的中国南方典型旅游城市和“生活品质之城”，空气微生物污染特征及动态变化规律的研究工作亟待开展.因此，了解杭州市空气微生物粒径分布特征及中值直径变化规律可为城市生物性污染的预防和控制提供了科学依据，具有重要的理论和现实的意义.

1 材料与方法

1.1 研究样点概况

在南方典型旅游城市浙江省杭州市选取4个不同的功能区，即文教区、交通枢纽、商业区和旅游风景区，试验样点分别设置在浙江工商大学教工路校区（GSUJ）、天目山路与教工路口（TJCR）、延安路商业街（YRBS）和西湖曲院风荷（BLQG），于2011年06月～2012年05月进行空气微生物粒径分布特征的研究，各样点的基本概况如表1.

表1 取样点基本概况Table 1 Basic information of different sampling sites

1.2 空气微生物取样器

采用国产Andersen生物粒子取样器（FA-1，辽阳应用技术研究所）进行空气微生物取样测定.它是模拟人呼吸道的解剖结构和空气动力学生理特征，采用惯性撞击原理设计制造的.该取样器分为6级，每级400个孔，从Ⅰ～Ⅵ级孔的直径逐渐缩小，空气流量为28.3L/min，每一级的空气流速逐次增大，从而把空气中的带菌粒子按大小不同分别捕获在各级培养皿上.取样器按粒径从大到小分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级，其孔径分别为1.18、0.91、0.71、0.53、0.34、0.25mm，粒子的捕集范围分别为＞8.2、5.0～10.4、3.0～6.0、2.0～3.5、1.0～2.0、＜1.0µm，其有效截留粒子径分别为8.2、6.0、3.0、2.0、1.0、0.65µm.

1.3 取样和培养方法

选择相同的天气条件进行空气微生物的取样工作，实验过程中每月取样1次，每次连续取样3d，每天取样3次（9：00、13：00、17：00），每次3个重复.空气微生物的取样高度为人呼吸带，距离地面约1.5m处.取样空气流量为28.3L/min，采样器各层的孔眼至采样面的距离（即撞击距离）为2mm，室外空气微生物的取样时间为3min.取样采用直径为90mm的一次性塑料培养皿，预先在无菌条件下加入20～25mL已灭菌的微生物培养基，操作时尽量控制培养皿内培养基厚度的一致性，以减少试验的系统误差.空气细菌取样采用牛肉膏蛋白胨培养基（牛肉膏5g，蛋白胨10g，氯化钠5g，琼脂15g，蒸馏水1000mL），采集的细菌样品在37℃培养箱内培养48h；空气真菌取样采用沙氏培养基（葡萄糖40g，蛋白胨10g，琼脂20g，蒸馏水1 000mL），加入氯霉素（0.05～0.125mg/mL）抑制细菌的生长，采集的真菌样品在25℃培养箱内培养72h，然后分别在各级取样培养皿上对微生物菌落进行记数、分离和纯化.

1.4 空气微生物各级带菌粒子计算方法

1.4.1 各级带菌粒子百分比计算 由于通过Andersen采样器各筛孔的微生物粒子，超过一定数量后，会出现微生物粒子通过同一筛孔撞击在同一点上的重叠现象，故各级采集的菌落数需经下式校正：

式中：Pr为各级校正后的菌落数；N为采样器各级采样孔数；r为实际的菌落数.

最后根据校正后各级空气带菌微生物粒子的数量，计算取样器各级带菌粒子百分比，具体计算方法如下：

式中：P为各级带菌粒子百分比；Tr为校正后6级菌落总数；Pr为各级校正后的菌落数.

1.4.2 带菌粒子中值直径计算 根据校正后试验数据算出采样器各级的空气带菌粒子数占总数的百分比，然后按照Ⅵ级～Ⅰ级的顺序进行累加，算出各级的累计百分比，再根据给定的采样器各级ECD和各级累计百分比，求得线性回归方程，累计百分比为50%时相对应的ECD值即为中值直径.

1.5 空气真菌鉴定方法

根据真菌菌落的培养特性和显微镜下真菌孢子的形态特征把空气真菌鉴定到属.对在原培养基上培养7d未产生孢子的菌落，接种培养2周后，仍未见孢子生成，则被认为是无孢菌群.

1.6 统计分析和图表制作方法

数据分析和图表绘制用SPSS Version 19.0和Microsoft Excel 2010进行.

2 研究结果

2.1 杭州市空气微生物粒径分布特征

图1 不同取样点空气细菌粒径分布特征Fig.1 Size distributions of airborne bacteria at different sampling sites in Hangzhou

2.1.1 空气细菌粒径分布 4个取样点空气细菌粒径分布趋势基本相同，细菌粒子百分比从Ⅰ级～Ⅵ级逐渐减少，总体呈偏态分布（图1）. TJCR、GSUJ、YRBS和BLQG细菌粒子百分比最高值均出现在Ⅰ级，分别占29.1%、31.8%、33.5%和25.4%，最低值均出现在Ⅵ级，分别占11.7%、11.2%、6.5%和11.1%，且各样点取样器Ⅰ级中的细菌粒子百分比显著高于其它级（P＜0.01）.4个取样点Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅵ级细菌粒子百分比均没有显著差异（P＞0.05）.统计分析表明，YRBS Ⅰ级中显著高于BLQG， Ⅵ级中的细菌粒子百分比显著低于BLQG（P＜0.05）.

2.1.2 空气真菌粒径分布 4个取样点空气真菌粒径分布趋势基本相同，总体呈对数正态分布（图2）. TJCR、GSUJ、YRBS和BLQG空气真菌主要分布在Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅵ级中，总和分别占70.0%、68.2%、73.1%和70.8%.真菌百分比最高值均出现在Ⅳ级，分别占30.3%、30.2%、31.7%和28.3%，最低值出现在Ⅵ级，分别占5.2%、5.1%、3.3%和4.5%.统计分析表明，YRBS Ⅳ级中真菌百分比明显高于BLQG，而YRBS Ⅵ级中真菌百分比明显较低（P＜0.05）.

图2 不同取样点空气真菌粒径分布特征Fig.2 Size distributions of airborne fungi at different sampling sites in Hangzhou

图3 杭州市优势空气真菌粒径分布特征Fig.3 Size distribution of dominant airborne fungi in Hangzhou

2.1.3 优势空气真菌粒径分布 图3是杭州市优势空气真菌粒径分布特征.从图3可以看出，青霉属、链格孢属、曲霉属和枝孢属真菌粒径总体上呈对数正态分布特征，链格孢属真菌百分比从Ⅰ级～Ⅳ级逐渐增加，而从Ⅳ级～Ⅵ级百分比急剧下降，Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅵ级总和占61.89%，最高值出现在Ⅳ级，占24.46%，最低值出现在Ⅵ级，占5.45%.青霉属、曲霉属和枝孢属真菌百分比从Ⅰ级～Ⅱ级降低， 从Ⅱ级～Ⅳ级百分比逐渐增加，而从Ⅳ级～Ⅵ级百分比急剧下降，Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅵ级总和分别占71.04%、66.65%和70.10%，最高值均出现在Ⅳ级，分别占29.91%、26.87%和31.36%，最低值均出现在Ⅵ级，分别占3.94%、4.75%和3.53%.

2.2 杭州市空气微生物中值直径分布特征

2.2.1 空气细菌中值直径变化规律 不同取样点空气细菌粒子中值直径不相同（图4）.其中YRBS空气细菌中值直径约为3.8µm，明显大于BLQG的3.4 µm（P＜0.05），而TJCR和GSUJ空气细菌中值直径均约为3.6µm.

图4 不同取样点空气细菌和真菌中值直径Fig.4 Median diameter of airborne bacteria at different sampling sites in Hangzhou

2.2.2 空气真菌中值直径变化规律 不同取样点空气真菌粒子中值直径不相同（图4）.其中GSUJ空气真菌中值直径约为3.0µm，而TJCR、YRBS和BLQG空气真菌中值直径均约为2.9µm.

3 讨论

在南方典型旅游城市杭州选取4个样点系统研究了杭州市室外空气微生物粒径分布特征.结果表明，杭州市不同样点空气细菌粒数百分比从Ⅰ级～Ⅵ级逐渐减少，总体上呈偏态分布.这与北京市垃圾填埋场空气细菌粒径的研究结果基本相似［12］，但与敦煌莫高窟空气细菌粒径的研究结果不同，其封闭洞穴、半封闭洞穴、开放洞穴和入口空气细菌粒径分布均呈对数正态分布，细菌粒数百分比最高值出现均出现在Ⅳ级［13］.图5显示了杭州和北京室内外空气细菌粒径分布特征，从图中可以看出，杭州和北京室外空气细菌粒径均呈偏态分布，但两者的分布特征显著不同，这可能是由于两城市不同的环境特点而引起的.杭州市室外空气细菌粒子在Ⅰ级中百分比较大，约占29.9%，Ⅱ级～Ⅴ级中分布比较均匀，Ⅵ级细菌粒子百分比较低，约占10.1%；北京市室外空气细菌粒子百分比从Ⅰ级（25.3%）～Ⅵ级（6.7%）逐渐减少，但在Ⅱ级有明显下降趋势［5,14］.然而，北京室内空气细菌的粒径分布特征与室外显著不同，细菌粒子主要分布在取样器Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级中，呈对数正态分布，其Ⅰ级（12.8%）细菌粒子百分比显著低于室外，Ⅴ级（30.1%）细菌粒子百分比显著高于室外［6］.研究结果进一步说明了室内外空气细菌粒径分布特征的不同，这是由于城市人们室外活动的扰动作用，导致地上粘附细菌的较大尘埃粒子漂浮在近地面的空气中，所以室外空气中粒径较大的细菌粒子百分比较高，而室内地面相对比较清洁，粒径较大的尘埃粒子含量较少，粒径较小的尘埃粒子含量较多，所以室内空气中粒径较小的细菌粒子百分比较高.

图5 杭州和北京室内外空气细菌粒径分布特征Fig.5 Size distributions of airborne bacteria outdoors and indoors in Hangzhou and Beijing

杭州市不同样点取样器各级细菌粒子百分比各不相同，YRBS Ⅰ级中细菌粒子百分比显著高于BLQG，Ⅵ级中显著低于BLQG（P＜0.05）. YRBS是杭州市商业区，近地面人员活动及车流量较多，容易引起地面的飘尘和扬尘，故而Ⅰ级中粘附细菌的较大粒子百分比含量高，而BLQG是杭州市的西湖十景之一曲院风荷，人员活动和车流量较少，植被覆盖率较高，空气相对比较洁净，故而Ⅵ级中粘附细菌的较小粒子百分比含量高.

杭州市不同样点空气真菌主要分布在Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级中，总体呈对数正态分布.这与90年代初期北京西单和丰台空气真菌的粒径分布的研究结果基本相同［15］.图6是杭州和北京室内外空气真菌粒径分布特征，从图中可以看出，杭州和北京室外空气真菌粒径均呈对数正态分布，取样器各级真菌粒子百分比基本相同，没有显著差异.然而，北京室内空气真菌的粒径虽然呈对数正态分布，但室内和室外的分布特征显著不同.室内空气真菌在取样器Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅵ级的百分比显著低于室外，而在Ⅳ级中显著高于室外.这可能与室内外环境条件及不同的优势真菌种类密切相关，因为环境条件不同，空气中优势真菌的种类可能不同，其孢子的形态和大小都具有本质的区别.

图6 杭州和北京室内外空气真菌粒径分布特征Fig.6 Size distributions of airborne fungi outdoors and indoors in Hangzhou and Beijing

杭州市空气细菌中值直径显著大于空气真菌，这与北京之前的研究结果相同.研究表明，空气细菌主要吸附在尘埃粒子表面，空气真菌则以单个孢子的形式存在于空气中，这可能是细菌中值直径大于真菌的主要原因［2］.YRBS空气细菌中值直径显著高于BLQG，杭州市延安路商业街人员流动较多，车流量较大，地面扰动频繁，植被覆盖率相对较低，容易引起较大的尘埃粒子漂浮在近地面的空气环境中，使得其细菌粒子较大；而西湖景点曲院风荷人员流动较少，附近基本没有车辆活动，地面扰动较少，且植被覆盖率较高，近地面空气相对洁净，使得其细菌粒子较小.

4 结论

4.1 杭州市室外空气细菌和真菌的粒径分布特征显著不同.空气细菌粒子百分比从Ⅰ级～Ⅵ级逐渐减少，总体呈偏态分布，不同样点最高值出现在Ⅰ级，最低值出现在Ⅵ级，不同样点各级细菌粒子百分比各不相同；空气真菌主要分布在Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅵ级中，呈对数正态分布，不同样点真菌百分比最高值出现在Ⅳ级，最低值出现在Ⅵ级，不同样点各级真菌百分比各不相同.

4.2 杭州市空气细菌中值直径为3.60µm，空气真菌为2.93µm，空气细菌中值直径明显大于空气真菌.此外，商业区空气细菌中值直径显著大于其它样点，而文教区真菌中值直径显著大于其它样点.

4.3 城市室内外空气微生物粒径分布特征显著不同，可为室内外空气微生物污染的预防和控制提供科学依据.

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The size distribution of airborne microbes in typical tourist city in southeast China.

YAO Wen-chong1， LOU Xiu-qin2，FANG Zhi-guo1*， OUYANG Zhi-yun3（1.School of Environmental Science and Engineering， Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310012， China；2.Microbiology Laboratory， Hangzhou Center for Disease Control and Prevention， Hangzhou 310021， China；3.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology， Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：2938～2943

The size distributions and median diameters were investigated in detail with imitated six-stage Andersen sampler at four selected sampling sites in typical tourist city in southeast China. Results showed the particle percentage of airborne bacteria decreased from stage 1to stage 6with skewed distribution at different sampling sites. The highest percentage of bacterial particle was recorded at stage 1at TJCR （Tianmushan Jiaogong Cross Road）， GSUJ （Zhejiang Gongshang University Jiaogong Campus）， YRBS （Yan'an Road Business Street） and BLQG （Breeze-ruffled Lotus at Quyuan Garden） with the percentage of 29.1%， 31.8%， 33.5% and 25.4%， respectively， while the lowest was observed at stage 6with the percentage of 11.7%， 11.2%， 6.5% and 11.1%， respectively. The percentage of airborne fungi increased gradually from stage 1to stage 4， and then decreased from stage 4to stage 6with normal logarithmic distribution. The highest percentage of fungi was recorded at stage 4with the percentage of 30.3%， 30.2%， 31.7% and 28.3%， respectively，while the lowest was observed at stage 6with the percentage of 5.2%， 5.1%， 3.3% and 4.5%， respectively. Moreover，Penicillium， Alternaria， Aspergillus， and Cladosporium was recorded with normal logarithmic distribution. Finally， the median diameters of airborne bacteria were larger than those of airborne fungi at different sampling sites， and the highest median diameter of airborne bacteria was found at YRBS， while the highest median diameter of airborne fungi was observed at GSUJ. The present paper suggested the great difference of microbial size distribution in the air， which could provide scientific basis for the prevention and control of microbial pollution indoors and outdoors in urban ecosystem.

airborne microbe；bioaersol；size distribution；Penicillium；Cladosporium

X513，X712

A

1000-6923（2016）10-2938-06

姚文冲（1990-），男，河南舞阳人，硕士研究生，主要从事空气生物性污染研究.

2016-05-31

中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室开放基金（SKLURE2015-2-1）；浙江工商大学研究生创新基金；国家自然科学基金青年科学基金（41005085）

∗ 责任作者， 副教授， zhgfang77@zjgsu.edu.cn