兰州市不同天气可培养微生物气溶胶特征变化研究

王可君，孙 强，赵 炜

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 引言

微生物气溶胶是指含有生物性粒子的气溶胶，通常细菌、真菌、放线菌、病毒以及致敏花粉、霉菌孢子、蕨类孢子和寄生虫卵等[1]。人类的一切活动均在微生物气溶胶的包围中，其可通过人类的皮肤、呼吸系统进入人体内，有可能影响人类的身体健康，对免疫力低的人有可能导致更严重的身体健康问题[2,3]。因此，对微生物气溶胶的研究已成为热点。目前，按照空气微生物气溶胶研究的主要对象和原理，可以将其研究方法分为两大类:培养基法和非培养基法[2]，两者的区别是微生物是否可被培养基进行培养。大量研究表明微生物气溶胶受到气象因素的影响。路瑞等[4]研究发现西安市不同天气条件下可培养微生物气溶胶的浓度变化为晴天<雨天<阴云天<霾天。王伟等[5]研究发现特殊天气下微生物气溶胶的浓度和粒径分布存在差异，在灰霾天气下可培养微生物的气溶胶浓度远高于非灰霾天时的浓度。

兰州市地处西北内陆，常年受风沙天气影响，空气质量较差。因此研究不同气象条件下的可培养微生物气溶胶浓度变化及分析气象因素等对微生物的影响，具有重要的意义。

2 材料与方法

2.1 采样地点与时间

采样点设置在兰州市兰州交通大学环境与市政工程学院楼顶，采样高度为楼顶上约1.5 m处。周围主要是住宅区和教学区，无工业污染排放源。

采样时间为2016年3月15～23日，固定于每天07:30～8:30、11:00～12:00、17:30～18:30三个时段分别进行采样，取样品平均值作为当日可培养微生物气溶胶的浓度水平。

2.2 采样方法

采用Andersen六级空气微生物采样器(PSW-6)采集微生物气溶胶。该采样器模拟人呼吸道的解剖结构和空气动力学特征，采用惯性撞击原理设计制造。采样器分为6级，每级400个孔，从1～6级孔的直径逐渐缩小，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的培养介质上。其主要性能参数见表1。

表1 PSW-6型空气微生物采样器各级特征

注：ECD为有效截留粒径

采样时空气流量为28.3 L/min，采样时间为10 min，同时监测环境空气温度、相对湿度、风速、PM10、PM2.5等环境因子。

2.3 培养方法

采用9 cm玻璃培养皿(已灭菌)，在无菌条件下加入约25 mL适应于相应微生物生长的培养基。采样完成后，迅速将培养皿放入培养箱内倒置培养。其中，细菌培养采用普通营养琼脂平板(37 ℃，48 h)[6]，真菌培养采用沙氏培养平板(27 ℃，72 h)，放线菌培养采用高氏一号培养平板(27 ℃，120 h)。每次采样前后，使用75%的酒精对采样器各级进行擦拭。

2.4 数据分析

2.4.1 微生物气溶胶浓度

分别对各级采样器培养皿进行菌落计数，为避免培养皿上微生物粒子的重叠现象，可采用Positive-hole[6]对菌落数进行校正处理：

(1)

式(1)中，Pr和ri分别表示校正后菌落数和实际菌落数，N为采样器各级采样孔数。

然后根据采样时间t和采样流量Q，由式(2)计算各级微生物气溶胶的浓度。

(2)

式(2)中：ci为大气微生物气溶胶浓度，以菌落形成单位表示，CFU/m3；t为采样时间，min；Q为采样空气流量，28.3 L/min；Ni为6级采样器上获得的有效菌落数之和，CFU。

2.4.2 统计方法

该研究图标绘制主要采用Origin8.5。利用SPSS19.0对试验数据进行统计学分析，当P<0.05时，表示在95%置信区间内具有统计学意义上的显著差异。

3 结果与讨论

3.1 降雨对微生物浓度的影响

图1为降雨前后可培养微生物气溶胶浓度变化的检测日均值。由图1可见，可培养微生物气溶胶浓度的变化为雨前(682 CFU/m3)>雨中(463 CFU/m3)>雨后(297 CFU/m3)。在降雨开始到结束的过程中，可培养细菌、真菌、放线菌气溶胶的浓度有着不同程度的降低，其中可培养细菌气溶胶的浓度降低26.4%，可培养真菌气溶胶的浓度降低57.6%，可培养放线菌气溶胶的浓度降低94.5%。韩燕等[7]研究发现，降雨对空气中的颗粒物具有明显的冲刷作用。

图1 降雨前后可培养微生物气溶胶浓度的变化

3.2 沙尘对微生物浓度的影响

图2为沙尘前后可培养微生物气溶胶浓度变化的检测日均值。由图2可见，可培养微生物气溶胶浓度的变化为沙尘后(2790 CFU/m3)>沙尘中(2566 CFU/m3)>沙尘前(1918 CFU/m3)。沙尘发生后，兰州总可培养微生物气溶胶浓度均值是沙尘前的1.5倍。其主要原因为沙尘本身就携带大量的微生物，同时空气中颗粒物的增加也为微生物的生存提供了有利条件。Griffin等[8]研究也发现沙尘到来时，随着PM10的显著上升，可培养微生物气溶胶浓度均呈现数量级的剧烈增长。

图2 沙尘前后可培养微生物气溶胶浓度的变化

3.3 微生物与气象因素、大气颗粒的相关性

为了探究采样期间沙尘天气状况下气象因素对可培养微生物气溶胶浓度分布的影响，对沙尘天气状况下可培养微生物气溶胶浓度与风速、温度、湿度与空气颗粒物浓度的关系进行了Spearman相关性分析(表2)。

表2 微生物气溶胶浓度与气象因子的相关性

注：*表示在0.05水平(双侧)上相关性是显著的；**表示在0.01水平(双侧)上相关性是显著的

由表2可知，在沙尘天气时，可培养微生物气溶胶浓度与PM10和PM2.5呈正相关性，其原因是沙尘导致PM10、PM2.5出现上升趋势，同时沙尘携带大量微生物。温度与可培养微生物气溶胶浓度呈负相关。湿度和风速与可培养微生物气溶胶浓度呈不明显的正相关，或者负相关，其主要原因是随着沙尘天气的到来，气象因子的波动较大。

4 结论

(1)降雨时，降雨可以有效冲刷大气中的微生物气溶胶粒子，降低微生物气溶胶的浓度。

(2)沙尘天气出现时生物气溶胶中总微生物浓度显著增加，浓度变化上细菌气溶胶变化最大，涨幅上真菌气溶胶涨幅最大。

(3)沙尘天气时，可培养微生物气溶胶浓度和ρ(PM2.5)、ρ(PM10)呈正相关，与温度呈负相关，与湿度和风速的相关性不显著。