北京市不同季节室外细菌气溶胶分布特征及其环境影响因素分析

雒月云，毛怡心，庄思琪，邓富昌，侯 敏，唐 宋,3，姚孝元*

1.中国疾病预防控制中心环境与人群健康重点实验室，中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所，北京 100021

2.徐州医科大学公共卫生学院，江苏 徐州 221004

3.南京医科大学公共卫生学院全球健康中心，江苏 南京 211166

空气微生物是衡量空气质量的重要指标之一，世界范围内最主要的41 种重大传染性疾病中有14 种是由空气微生物传播[1].近年来，SARS、流感、新型冠状病毒、耐药细菌等在全球的传播，使人们更加重视空气微生物所带来的环境健康问题.例如，空气中的微生物可通过皮肤、黏膜、呼吸道和消化道进入人体，对健康构成威胁，导致呼吸道传染病、感染、急性中毒、过敏、癌症等疾病的发生[2-3].空气微生物种类多样，包括病毒、细菌、真菌等，主要来源于自然界的土壤、水体、动植物、人类活动以及污水处理、动物饲养、发酵等各种生产活动[4-7].空气微生物以气溶胶的形式在环境中扩散.在近地面大气中，生物气溶胶约占大气气溶胶的25%[8-9]，其中细菌占生物气溶胶的80%以上[10]，近地表大气中细菌丰度为104～106cells/m3[11].细菌气溶胶可以随气流迁移，从而影响整个生态系统.

细菌气溶胶对人体健康的危害不仅取决于其生物特性，还取决于它在空气中的浓度，以及在人体呼吸道中的沉积位置.细菌气溶胶在呼吸道中的沉积位置与其空气动力学直径(粒径大小)直接相关[9,12-13].较大的细菌气溶胶多沉积在上呼吸道(鼻、咽)，可引起干咳、发热等症状；较小的细菌气溶胶可进入下支气管，导致过敏和哮喘；更小的细菌气溶胶则能进入肺泡或更深的部位，造成不同程度的健康危害[14-15].因此，细菌气溶胶的粒径分布是衡量其对人体健康危害的重要指标.细菌气溶胶浓度和粒径分布因地区和季节而异，受气象条件、土地类型、人类活动等多种因素的影响[16].目前，有关空气细菌浓度与环境影响因素关系的研究结论尚不一致.Gao 等[17]研究发现，空气微生物浓度随雾霾严重程度的增加而降低；Li等[18-19]研究发现，雾霾天气的微生物浓度大于非霾天气的微生物浓度；青岛地区空气中的细菌在较低相对湿度下更容易生长繁殖[20]，而新乡市生物气溶胶浓度与相对湿度呈正相关[21].因此，研究空气细菌浓度、粒径分布、动态变化规律对控制微生物污染、改善环境质量、预防疾病发生具有重要的理论和现实意义.

北京市人口密集，工业和交通十分发达，周边地区高污染行业聚集，且京津冀地区是我国大气污染防治的重点区域.采样点所在区(朝阳区)作为北京市重要的工业基地，有纺织、电子、化工、机械制造、汽车制造等工业基地[22].因此，该研究于2020 年9月−2021 年5 月使用Anderson-6 级撞击式空气微生物采样器采集北京市的细菌气溶胶样本，在掌握不同季节室外细菌气溶胶浓度及粒径分布特征的同时，阐明影响细菌气溶胶浓度的环境因素，以期为进一步认识细菌气溶胶、深入研究其传播机制和评估环境与健康效应提供参考.

1 材料与方法

1.1 采样地点与时间

采样点位于北京市朝阳区，是北京市属近郊区向城区的过渡，四周与北京市9 个区相邻，位于39°49′N～40°50′N、116°21′E～116°38′E 之间，总面积470.8 km2.属典型的暖温带大陆性半湿润季风气候，四季分明，降水集中.春季温暖干燥，夏季高温多雨，秋季凉爽短促，冬季寒冷干燥、多雾[22].样本采集位点为朝阳区潘家园南里7 号中国疾病预防控制中心环境所实验楼6 层露台(116°27′26′′E、39°52′48′′N).采样点距离地面15 m，采样高度1.5 m.该建筑地处北京市东南二环与三环之间，西邻龙潭湖公园，西北至北京西站，西南至中国医学科学院肿瘤医院，东南至垂杨柳医院，南至分钟寺，东面为北京工业大学.该采样点周围2 km 范围内有40 多个居民社区.采样时间为2020 年9 月−2021 年5 月，采样时段为09:00−11:00，每次采样时长为5 min，覆盖秋季(n=9)、冬季(n=12)及春季(n=13)，共采样34 次.

1.2 采样方法

使用Anderson-6 级撞击式空气微生物采样器(青岛众瑞智能仪器有限公司)进行采样，该采样器模拟人体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，对空气微生物的捕获率较高.采样器自上而下共分为6 级，每级400 个孔，第1～6 级孔的直径逐渐缩小(见图1)，空气流速逐次增大，从而将悬浮在空气中的微生物粒子按粒径大小分别捕获在各级培养介质上[23].每次采样前后，使用75%酒精对采样器各级进行擦拭消毒.采样平皿选用直径90 mm 的营养琼脂培养皿(广州市迪景微生物科技有限公司).

图1 Anderson-6 级撞击式空气微生物采样器特征Fig.1 Characteristic of Anderson six-stage sampler

采样流量为28.3 L/min.每次采样时使用实时环境因子监测仪(汉王霾表，北京汉王蓝天科技有限公司)记录空气颗粒物(PM2.5、PM10)浓度数据和气象数据(温度、相对湿度).

1.3 细菌培养

采样完成后，立即将营养琼脂培养皿倒置于37 ℃恒温培养箱(德国Binder)进行细菌培养，48 h 后进行细菌菌落形态观察并计数[24].

1.4 空气细菌浓度计算

细菌浓度以每立方米空气中的菌落形成单位(CFU/m3)表示.当通过Anderson-6 级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，故采用Positive-hole 法[23]对各级菌落数进行校正.根据校正后各级菌落数的数量计算细菌浓度和各级带菌粒子的百分比[25-26]，计算公式:

式中：C为空气细菌总浓度，CFU/m3；T为校正后的总细菌菌落数，CFU；t为采样时间，min；F为空气流量，L/min；P为各级带菌粒子百分比，%；N为校正后各级菌落数，CFU.

1.5 数据分析

利用Excel 2010 软件建立数据库.所有数据分析均使用R 4.0.4 软件进行.数据分析和可视化使用的软件包包括ggplot2、corroplot、Hmisc、tidyverse、cowplot 等.采用Spearman 相关性分析表征细菌气溶胶浓度与气象参数(温度、相对湿度)和空气颗粒物(PM2.5、PM10)浓度之间的统计学相关性，显著性水平α=0.05.

2 结果与讨论

2.1 空气细菌总浓度

细菌气溶胶总浓度为研究期间测量的6 种粒径分级浓度的平均值.北京市细菌气溶胶浓度范围为42.40～1 745.58 CFU/m3，平均浓度为447.10 CFU/m3，最高浓度出现在3 月(见图2).目前，关于室外空气细菌气溶胶标准浓度限值及允许暴露水平的研究较少.中国科学院生态环境研究中心建议：室外环境中空气细菌气溶胶浓度应低于1 000 CFU/m3，才能达到清洁空气的要求[19,27]，否则可能存在微生物污染，具有一定的健康风险.该研究中有3 次采样空气细菌浓度超过1 000 CFU/m3，且主要出现在春季，可能与2021 年3−4 月北京市遭遇的几次沙尘污染事件有关[28-30].研究[31-35]表明，沙尘天气时空气细菌浓度明显升高，北京市沙尘期间可培养细菌浓度比非沙尘期间高1～2 个数量级.

图2 采样期间细菌气溶胶浓度的月变化情况Fig.2 Concentration changes of bacterial aerosol during sampling

与已有研究[34]相比，北京市细菌气溶胶浓度有所降低.2003 年北京市监测的空气细菌浓度为71～22 000 CFU/m3[36]，2013 年为1 110 CFU/m3[37]，这可能归结于我国实施的严格的大气环境监管措施，以及与近些年(尤其是新冠肺炎疫情后)生产、生活方式和节奏的变化有关.此外，该研究中监测到的北京市细菌气溶胶浓度与其他地区不同(见表1).中国兰州市〔(2 243±354)CFU/m3〕[38]、埃及(1.414×103CFU/m3)[50]、墨西哥(230～40 100 CFU/m3)[51]、尼日利亚(2 189 CFU/m3)[52]等地区的细菌气溶胶浓度远高于北京市，而青岛市〔(79±101)CFU/m3〕[39]的细菌气溶胶浓度低于北京市.不同地区的细菌气溶胶浓度存在差异，可能与不同城市的生产生活方式、经济发展水平、气象和环境条件、细菌气溶胶来源以及研究人员使用的采样方法等不同有关.在我国北方地区的相关研究中，西安市(97～1 909 CFU/m3)[18]和郑州市〔(685.9±396.1)CFU/m3〕[40]与笔者研究结果接近，可能因为郑州市、西安市与北京市的气候相似，同属于温带大陆性季风气候.然而，大气中可培养细菌的量仅占空气微生物的1%左右[53]，使用Anderson-6 级撞击式空气微生物采样器时，有些细菌气溶胶粒子因不能被粘附到营养琼脂表面导致样本采集效率降低[54-55]，或通过撞击截留细菌粒子时导致部分细菌形态破坏，无法成功培养，加上培养结果受培养基组分影响较大，导致所测结果可能与实际情况存在偏差[56].因此，Anderson-6 撞击式空气微生物采样并不能全面客观地反映细菌气溶胶总浓度的变化.

表1 我国不同地区室外细菌气溶胶浓度统计Table 1 List of outdoor bacterial aerosol concentrations in different regions in China

2.2 不同季节空气细菌浓度变化

北京市室外细菌气溶胶浓度的季节性变化表现为春季〔(648.55±537.24)CFU/m3〕>冬季〔(324.50±181.99)CFU/m3〕>秋 季〔(319.59±305.07)CFU/m3〕(见图3).春季细菌气溶胶的平均浓度是秋季和冬季的2倍左右，但季节之间的差异无统计学意义.春季细菌气溶胶平均浓度高于其他季节，可能是因为春季气候温度适宜、万物复苏，农作物生长[57]、花粉传播、人及动物的活动使得细菌增多，适宜的环境条件导致细菌等微生物代谢相对活跃，室外细菌气溶胶浓度增高.冬季细菌气溶胶平均浓度较低，可能由于大部分植物在冬季枯萎或休眠，植物来源的细菌大幅减少[58]，较低的室外气温抑制了细菌的生长和繁殖[59]，且冬季冷空气势力强劲，风速较大，更有利于污染物的扩散迁移[60-61]，同时较少的室外活动减少了细菌在环境中的扰动.秋季细菌气溶胶平均浓度最低，可能因为秋季多雨，降雨可以有效冲刷空气中的细菌粒子，从而降低细菌气溶胶浓度[62].

图3 不同季节细菌气溶胶浓度分布情况Fig.3 Concentration distribution of bacterial aerosol in different seasons

与笔者研究结果相似，祁建华等[63]通过对青岛市微生物气溶胶样品的研究发现，春季细菌气溶胶浓度为855 CFU/m3，明显高于冬季(741 CFU/m3)；兰州市室外细菌气溶胶浓度的季节性变化呈夏季>春季>冬季>秋季的特征[47]；法国萨克雷地区室外细菌气溶胶浓度在春季最高，冬季最低[64]；波兰上西里西亚春季室外细菌气溶胶浓度(306 CFU/m3)最高，冬季(49 CFU/m3)最低[65]；美国蒙特利尔的细菌浓度在夏季和冬季最低，在春季和秋季最高[66].但我国黄石[67]及南昌市[68]冬季细菌浓度高于秋季；西安市秋天和冬季的细菌浓度高于春天和夏天[69-70]；路瑞等[44]采用培养法对西安市空气中的细菌气溶胶进行研究，发现室外细菌气溶胶浓度的季节性变化规律呈冬季〔(771.89±169.1)CFU/m3〕>秋季〔(622.62±540.47)CFU/m3〕 >春季〔 (424.98±252.18)CFU/m3〕 >夏季〔(361.96±56.96)CFU/m3〕的特征.综上，各地区细菌气溶胶浓度的季节性变化不同，细菌气溶胶的浓度因当地季节和气候条件而异，细菌气溶胶的传输受流体动力学等因素的控制，而且受环境中各种理化因素影响[71].因此，有必要进一步分析细菌气溶胶存在地区和季节分布差异的具体原因.

2.3 空气细菌粒径分布

北京市室外细菌气溶胶在各粒径段占比及季节性变化如图4 所示.由图4(a)可见，细菌气溶胶在各粒径段占比表现为从第1 级(34.3%)到第6 级(8.9%)逐级降低，且在第2 级(16.0%)(春季、秋季、冬季占比分别为18.2%、16.0%、11.1%)观察到明显下降的趋势.细菌气溶胶在大于7.0 μm 的粒径上分布最高(春季占比为40.3%，冬季占比为27.9%，秋季占比为25.3%).细菌气溶胶分布最低值出现的粒径范围存在季节性差异，秋季和春季均出现在0.65～1.1 μm 粒径范围内，占比分别为10.1%和5.3%；冬季出现在3.3～4.7 μm 粒径范围内，占比为9.4%.北京市室外细菌气溶胶呈明显的偏态分布，约80%的细菌气溶胶分布在前4 级(>2.1 μm)，春季、秋季、冬季占比分别为85.9%、73.2%、67.1%.由图4(b)可见，可进入人体下呼吸道的细菌气溶胶(≤4.7 μm)比例近50%(冬季、秋季、春季占比分别为61.0%、58.9%、41.6%).不同季节细菌气溶胶浓度在小于等于7.0 μm 的各粒径范围内无显著差异(p>0.05)，粒径大于7.0 μm 的细菌气溶胶在春季与秋季以及春季与冬季均存在显著差异(p均小于0.05，Wilcoxon 检验)〔见图4(c)〕.

图4 室外细菌气溶胶粒径分布Fig.4 Particle size distribution of outdoor bacterial aerosol

细菌气溶胶主要分布在大于2.1 μm 的直径范围，与已有研究结果[17,19,26,36,43,68]一致.例如，祁建华等[63]研究发现，青岛市海岸空气中陆地和海洋来源的细菌主要存在于大于2.1 μm 的颗粒中，占比分别为81.7%～100%和81.6%～94.7%.李婉欣等[43]研究发现，西安市空气颗粒物中71.5%的细菌分布在大于2.1 μm 的颗粒物中，且其浓度随颗粒物粒径的增大而增加.Fang等[36]也发现，北京市夏季空气细菌粒径呈偏态分布，细菌浓度逐级降低，80%的细菌气溶胶粒径>2.1 μm，细菌气溶胶浓度高峰分布在大于8.2 μm 的粒径范围内，占比为23.5%.原因可能是空气中单个细菌的粒径范围通常为0.3～10 μm[72]，空气中的细菌通常需要附着于颗粒物上，而大气细颗粒物粒径较小(≤2.5 μm)，营养稀薄且成分复杂，在空气中停留时间较长，不利于微生物的养分利用[73]；同时，细颗粒物表面的微生物容易发生代谢和死亡，而粗颗粒物为细菌的生长繁殖提供了庇护，因此细菌多附着在粗颗粒上.此外，大粒径的细菌气溶胶因重力作用主要分布在近地面空气中，小粒子则漂浮在高空中.春季大粒径细菌较多可能是因为春季细菌粒子主要吸附在风媒传粉的植物花粉上，其粒径范围为17～58 μm[74]，且2021 年3−4 月，受冷空气影响，北京市遭遇了多次沙尘天气[28-30]，沙尘天气时细菌气溶胶更多地集中在粗颗粒上，这与李鸿涛等[75]2015 年春季在青岛市的研究结果相符.冬季为供暖季，燃料的燃烧等导致空气中细颗粒物浓度较其他季节高[76-79]，细颗粒物浓度的升高为细菌提供了更多的附着空间，所以冬季小粒径细菌气溶胶较多，空气中可进入人体下呼吸道的细菌比例较高.尽管可进入人体下呼吸道的细菌气溶胶含量近50%，但致病菌的比例仍不清楚，应进一步研究细菌在室外空气环境中的分布特征及生存能力，解析空气细菌群落结构，尤其是潜在的、可能对人类及动物致病的细菌，以阐明人群健康暴露的危害.

2.4 环境因素对细菌气溶胶浓度的影响

细菌气溶胶在环境中的分布状况及其生长繁殖状况与环境因素密切相关.由图5 可见，室外细菌气溶胶浓度与相对湿度呈显著负相关(p<0.05)，与PM10浓度呈显著正相关(p<0.05).细菌气溶胶浓度与温度、PM2.5浓度之间均无显著相关.粒径为2.1～3.3 μm和大于7.0 μm 的细菌气溶胶浓度与相对湿度均呈负相关，粒径大于1.1 μm 的细菌气溶胶浓度与PM10浓度呈显著正相关.武利平等[25,80]也发现，相对湿度较高时细菌气溶胶浓度降低.相对湿度的增加会减少土壤、灰尘来源的细菌，且高相对湿度会促进颗粒物的沉积，空气中的悬浮颗粒物因吸收周围的水分而导致颗粒物的质量和尺寸均增大，较大的颗粒物更容易沉积[80].粒径>1.1 μm 的细菌气溶胶浓度与空气中PM10浓度呈显著正相关，与已有研究结果[70,81]一致.可能原因是空气中颗粒物浓度升高，为细菌的增殖和生长提供了更多的生存空间，其作用超过了颗粒物中有毒有害物质的毒性作用.另有研究[19,82]发现，高浓度的颗粒物可以减弱紫外线辐射的灭菌作用，并为细菌的生存提供碳源等能量源.综上，不同粒径的细菌气溶胶对于环境因素的响应不同，可能因为不同粒径细菌的群落组成、物理特性等不同，因此对环境因素的敏感性不同.

图5 环境因素与细菌气溶胶浓度的相关关系Fig.5 Relationship between environmental factors and concentration of bacterial aerosol

目前，有关环境因素对细菌气溶胶浓度影响的结论并不一致.Gao 等[42]2013 年对北京市的研究发现，空气PM10浓度升高时，有毒有害物质也增多[83-84]，从而抑制细菌的生长活力，导致细菌气溶胶浓度下降.研究[17,21]发现，新乡市细菌气溶胶浓度与相对湿度呈正相关.Li 等[20]研究发现，环境温度与细菌气溶胶浓度呈显著正相关，较高的温度有利于植物表面的细菌释放到大气中，且在适宜温度范围内，细菌的酶促反应随温度的升高而加快.由此可见，目前关于细菌气溶胶浓度与气象因素、空气颗粒物浓度等环境因素的关系尚无定论，细菌气溶胶浓度处于动态变化的过程，采样期间环境因素的波动变化都会影响细菌气溶胶的浓度.未来仍有必要长期持续监测空气微生物变化，以揭示大气环境中微生物受环境因素影响的变化规律，评估空气中存在的病原微生物及由此产生的感染风险，并结合当地流行病学，为未来制定公共卫生安全事件的防控策略、降低暴露风险提供理论依据.

3 结论与展望

a) 北京市室外环境2020 年9 月−2021 年5 月细菌气溶胶平均浓度为447.10 CFU/m3，季节性变化表现为春季〔(648.55±537.24) CFU/m3〕>冬季〔(324.50±181.99) CFU/m3〕>秋季〔(319.59±305.07) CFU/m3〕.

b) 北京市室外环境约80%的细菌气溶胶直径大于2.1 μm，第1 级(>7.0 μm)占比最高.冬季空气中可进入人体下呼吸道的细菌气溶胶(≤4.7 μm)比例最高，提示了相关健康风险也较高.

c) 北京市室外环境细菌气溶胶浓度与相对湿度呈显著负相关(p<0.05)，与PM10浓度呈显著正相关(p<0.05).粒径为2.1～3.3 μm 和大于7.0 μm 的细菌气溶胶浓度均与相对湿度呈负相关，粒径大于1.1 μm的细菌气溶胶浓度与PM10浓度呈显著正相关.

d) 受限于人力、物力、财力，且考虑到单一采样点缺乏代表性，该研究采取长期监测的采样策略，因为空气微生物易于扩散的特性，尽可能在时间尺度上获得更多数据.虽然不能完全代表北京市整体的细菌气溶胶水平，但可大体上呈现出动态变化的情况.未来应通过更频繁、多点位的取样方式来研究细菌气溶胶分布状况，通过纯菌测序解析细菌群落结构，进行空气细菌药敏检测了解耐药情况，重点关注可进入人体下呼吸道的细菌和致病/条件致病菌.

e) 细菌气溶胶浓度在一定程度上反映了空气生物源性污染物的水平.目前，国内外尚无有关室外环境细菌气溶胶的标准浓度限值及允许暴露水平.因此，深入开展细菌气溶胶的研究以便系统全面地评价环境空气质量，建立空气细菌评价体系，评估健康暴露风险.