兰州市不同季节大气微生物气溶胶粒径及分布特征研究

2022-04-27褚可成赵雪英王若彤李文杰

中国环境监测 2022年2期

陈锷，褚可成，罗涛，赵雪英，王若彤，刘潇，李文杰

1.甘肃省环境监测中心站,甘肃兰州 730020 2.甘肃省生态环境科学设计研究院,甘肃兰州 730020

大气微生物气溶胶是指悬浮在大气环境中的微生物所形成的胶体体系[1]。大气微生物对人类健康的危害程度主要由其种类、浓度、粒径大小等因素决定[2]，粒径差异致使对人体健康影响作用机理各不相同。大气微生物气溶胶主要附着在颗粒物上，影响着人体呼吸道健康，较大粒径孢子主要沉积在支气管，较小粒径的则对人体危害程度较大，可引发肺部疾病[3]。大气微生物气溶胶的粒径尺度及时空分布研究已获得广泛关注，胡庆轩等[4]对京津地区大气中细菌和真菌的粒径分布研究显示，北京西单大于2 μm的大气细菌粒子占83%，北京丰台小于8.2 μm的真菌粒子占64.3%。李能树[5]对合肥市大气微生物粒径分布的研究表明，大气中细菌粒径分布在春、秋季较高，真菌粒子则多在3.0～6.0 μm和2.0～3.5 μm之间。张朝隆等[6]对北京307医院大气细菌粒径分布的研究表明，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%。而根据有关研究，大气中与疾病有关的带菌粒子粒径一般为4～20 μm[1]。不同粒径大小的微生物气溶胶进入人体呼吸系统的位置不同，对人体危害程度亦不同，10～30 μm 的粒径粒子可在鼻腔和上呼吸道附着；6～10 μm的粒径粒子能沉积在次支气管内，1～5 μm的粒径粒子可进入肺深部[7-8]。大气微生物粒子在人体呼吸系统中的沉积作用与粒径分布特征紧密相关，且不同粒径大气微生物气溶胶影响人体健康的作用机制亦有区别，因此开展大气微生物气溶胶粒径大小及分布特征研究可对人体暴露于大气微生物气溶胶中的危害进行风险性评估[9-10]。

兰州市位于甘肃中部河谷盆地，地处西北地区内陆，是丝绸之路重要的节点城市，也是河西走廊沙尘暴迁徙必经通道，市区三面环山，黄河穿城而过，形成特有河谷小盆地气候[11]，与其紧邻的河西走廊地区分布大量沙地、戈壁及已退化或正在退化的耕地、草原，是我国沙尘暴发生高频区[12-13]。兰州市还是国家战略规划重要的工业基地，大气污染状况较为突出，研究人员对颗粒物及化学污染物研究广泛[14-16]，但对大气微生物气溶胶污染状况研究较少[17]，缺乏对不同城市功能区不同季节大气微生物气溶胶粒径及分布特征的系统研究。因此，本研究拟在兰州市城关区选取不同环境功能区对其室外大气微生物气溶胶粒径大小及分布特征进行研究，可为进一步阐释颗粒物污染来源及其对人体健康风险评估提供基础支撑。

1 实验部分

1.1 样点布设及采样时间

在兰州市选取交通密集区、医疗区、科教区及自然保护区4个不同环境功能区点位，分别为：1#火车站前广场(以下简称“火车站”)、2#甘肃省人民医院前广场(以下简称“省医院”)、3#兰州大学前广场(以下简称“兰大”)和0#背景点位兴隆山自然保护区(以下简称“兴隆山”)，每个环境功能区选取1个点位。2014年春季和2018年夏季、秋季、冬季，每个季节选取气象状况相似的若干天(至少3 d)，每天分别于09:00—11:00和14:00—16:00在兴隆山、火车站、省医院、兰大4个点位采集3种大气微生物气溶胶样品，取上、下午数据平均值参与统计，分别研究不同环境功能区大气微生物气溶胶粒径及分布特征。兰州市不同环境功能区大气微生物气溶胶监测点位分布图见图1。

1.2 样品采集及培养

样品采集采用Andersen六级筛孔撞击式空气微生物采样器(以下简称“微生物采样器”)，模拟人体呼吸道解剖结构及空气动力学生理特征，采用惯性撞击原理，将悬浮在大气中的微生物气溶胶粒子按大小粒径范围分别收集在各级培养皿表面。微生物采样器按照捕获粒径范围分为6级，每级含400个孔，分别为Ⅰ级(粒径1.18 mm)、Ⅱ级(粒径0.91 mm)、Ⅲ级(粒径0.71 mm)、Ⅳ级(粒径0.53 mm)、Ⅴ级(粒径0.34 mm)和Ⅵ级(粒径0.25 mm)，可捕获大气微生物气溶胶粒径(D,μm)范围分别为D>7.0、4.7

样品采集高度距离地面1.5 m，采集流量设置为28.3 L/min，大气环境中细菌、真(霉)菌、放线菌气溶胶采集时间分别为25、25、20 min。采样培养皿均为9 cm的玻璃培养皿，无菌条件下加入相应配方的微生物培养基。细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，霉菌和放线菌分别采用高盐查氏培养基和高氏合成一号琼脂培养基培养，培养基均购自青岛日水生物技术有限公司。采集的细菌样品在37 ℃培养箱内培养48 h，霉菌、放线菌样品在30 ℃培养箱内培养120～168 h。最后在各级培养皿上对不同类型微生物群落进行计数、分离纯化。采集培养的细菌、霉菌和放线菌样品见图2。

图2 采集培养后的样品Fig.2 Collect the cultured sample

1.3 大气微生物气溶胶粒径计算及统计

1.3.1 各级大气微生物气溶胶粒径百分比计算

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空气中所含粒子菌落形成单位数量表示大气中微生物气溶胶浓度：

C=(N×1 000)/(t×F)

(1)

式中:C为大气中微生物气溶胶浓度,CFU/m3;N为所有平皿菌落数,CFU;t为采样时间,min;F为大气流量,L/min。

各级大气微生物粒径百分比的计算公式：

P=(C1×100)/C

(2)

式中：P为该级大气微生物粒径百分比,%;C1为各级大气微生物气溶胶浓度,CFU/m3;C为6级总大气微生物气溶胶浓度,CFU/m3。

1.3.2 统计分析及图表制作方法

数据分析及图表绘制采用Microsoft Excel 2010进行。

2 结果与讨论

2.1 不同环境功能区大气微生物气溶胶浓度季节性变化分布特征

从图3可以看出，由于受到气象、人群走动等内外环境因素影响，兴隆山、火车站、省医院和兰大4个环境功能区大气微生物气溶胶浓度存在季节性分布差异，将各季度大气微生物气溶胶浓度数据均值进行累加，总体上呈现交通密集区(火车站)>医疗区(省医院)>科教区(兰大)>自然保护区(兴隆山)，春季和秋季各功能区大气微生物气溶胶浓度普遍高于夏季和冬季浓度。火车站和省医院在春、夏、秋季的大气微生物气溶胶浓度均为最高，并且在春、夏季大气微生物气溶胶浓度大体相当；兰大较火车站和省医院2个功能区浓度低，3个功能区在春、夏、秋季大气微生物气溶胶浓度均高于兴隆山。例外的是冬季火车站大气微生物气溶胶浓度最低，分析是由于冬季较冷外面人员流动相对较少的缘故。春季和夏季火车站、省医院和兰大大气微生物气溶胶浓度均约为兴隆山的3倍；秋季火车站、省医院和兰大大气微生物气溶胶浓度均约为兴隆山的2倍；冬季各功能区大气微生物气溶胶浓度大体相当，均约为400 CFU/m3。分析产生上述浓度差异的原因是：火车站、省医院和兰大一年四季人员、车辆流动较大、易扬起地面灰尘，周边植被覆盖度相对较低，对颗粒物吸附能力有限，且周围建构物相对集中，大气流动性较差，大气微生物气溶胶不易扩散稀释，而兴隆山植被覆盖度高，大量的植被可吸附大气颗粒物和微生物气溶胶，另外部分植物体产生的挥发性物质可能对大气微生物有抑制作用，且该区域流动人员和车辆较少，大气微生物气溶胶浓度也相对较低。

图3 不同环境功能区大气微生物气溶胶浓度季节性分布Fig.3 Seasonal distribution of atmospheric microbiological aerosol concentrationin different seasons of different environmental functional areas

从图3和表1可以看出，兴隆山、火车站、省医院和兰大4个环境功能区大气细菌气溶胶浓度占统计大气微生物气溶胶浓度比例最高，其次为大气真菌气溶胶，大气放线菌气溶胶浓度占比最低。

表1 不同环境功能区大气微生物气溶胶浓度季节性分布特征Table 1 Distribution range of atmospheric microbiological aerosol concentration in different seasons of different environmental functional areas

由表1可知：春、夏季兴隆山大气细菌气溶胶平均浓度分别为137、131 CFU/m3，秋、冬季浓度较春、夏季高，分别为210、238 CFU/m3；火车站大气细菌气溶胶平均浓度排序为春季(1 100 CFU/m3)>秋季(708 CFU/m3)>夏季(479 CFU/m3)>冬季(192 CFU/m3)；省医院大气细菌气溶胶平均浓度排序为春季(1 062 CFU/m3)>夏季(483 CFU/m3)>秋季(464 CFU/m3)>冬季(303 CFU/m3)；兰大大气细菌气溶胶平均浓度排序为春季(921 CFU/m3)>秋季(458 CFU/m3)>夏季(371 CFU/m3)>冬季(291 CFU/m3)。一年四季各功能区细菌气溶胶平均浓度火车站、兰大点位春、秋季高于夏、冬季，春季火车站、兰大点位细菌浓度约为兴隆山的8～9倍，夏、秋季约为兴隆山的2～4倍，冬季与兴隆山大体相当；省医院春季浓度最高，夏季和秋季大体相当，维持在464～483 CFU/m3，冬季最低，春季省医院点位细菌气溶胶浓度也约为兴隆山的7倍，夏、秋季约为兴隆山的2～3倍，冬季较兴隆山略高。

兴隆山大气霉菌气溶胶平均浓度排序为春季(228 CFU/m3)>秋季(173 CFU/m3)>冬季(108 CFU/m3)> 夏季(34 CFU/m3)；火车站大气霉菌气溶胶平均浓度排序为秋季(183 CFU/m3)>春季(132 CFU/m3)>夏季(92 CFU/m3)>冬季(88 CFU/m3)；省医院大气霉菌气溶胶平均浓度排序为秋季(175 CFU/m3)>春季(169 CFU/m3)>冬季(129 CFU/m3)>夏季(86 CFU/m3)；兰大大气霉菌气溶胶平均浓度排序为秋季(176 CFU/m3)>春季(164 CFU/m3)>冬季(115 CFU/m3)>夏季(108 CFU/m3)。一年四季各功能区火车站、省医院、兰大霉菌气溶胶平均浓度均维持在86～183 CFU/m3，各季度大气霉菌气溶胶浓度与兴隆山浓度相近，说明大气霉菌气溶胶浓度在各功能区季节性分布差异不明显，这可能与霉菌的传播方式有关。

兴隆山大气放线菌气溶胶平均浓度排序为秋季(99 CFU/m33)>冬季(95 CFU/m3)>春季(25 CFU/m3)> 夏季(5 CFU/m3)；火车站大气放线菌气溶胶平均浓度排序为春季(239 CFU/m3)>秋季(206 CFU/m3)>冬季(91 CFU/m3)>夏季(81 CFU/m3)；省医院大气放线菌气溶胶平均浓度排序为春季(221 CFU/m3)>秋季(196 CFU/m3)>冬季(97 CFU/m3)>夏季(82 CFU/m3)；兰大大气放线菌气溶胶平均浓度排序为：春季(237 CFU/m3)>秋季(179 CFU/m3)>冬季(77 CFU/m3)>夏季(76 CFU/m3)。一年四季火车站、省医院、兰大放线菌气溶胶平均浓度均呈现春、秋季高于冬、夏季，不同功能区不同季节的大气放线菌气溶胶浓度相对较低，整体而言，春、夏、秋季火车站、省医院和兰大点位大气放线菌气溶胶浓度分别约为兴隆山的9、16、2倍，冬季三者大气放线菌气溶胶浓度与兴隆山大体相当，分析大气放线菌气溶胶浓度可能受人员交换频次、空气流通扰动、行李拖拉移动等因素的影响。

表2显示不同功能区对应采样时间段的PM2.5浓度季节性分布变化状况，火车站、省医院和兰大3个功能区参照的铁路设计院自动站的PM2.5浓度普遍高于同时间段兴隆山参考的兰大榆中校区自动站的PM2.5浓度，结合不同功能区大气微生物气溶胶浓度季节性分布特征来看，除冬季外，各功能区PM2.5浓度变化与大气细菌气溶胶和放线菌气溶胶浓度季节性变化趋势相近，说明大气细菌气溶胶和放线菌气溶胶浓度可能是影响环境空气中PM2.5浓度变化的重要因素，相对而言，大气霉菌气溶胶浓度变化对PM2.5浓度影响有限。

2.2 不同环境功能区大气细菌气溶胶粒径季节性分布特征

从图4～图7可以看出，不同季节不同环境功能区大气细菌气溶胶粒径分布特征有所不同，各级粒子百分比存在显著差异。图4为春季各环境功能区大气细菌气溶胶粒径分布，大体呈现大气细菌气溶胶粒子粒径百分比从Ⅰ级(D>7.0)到Ⅵ级(0.65

表2 不同环境功能区PM2.5浓度季节性分布特征Table 2 Distribution range of PM2.5 concentration in different seasons of different environmental functional areas

图4 春季各环境功能区大气细菌气溶胶粒径分布特征Fig.4 Size distributions of airbornebacteria aerosol in various environmentalfunction areas in spring

图5 夏季各环境功能区大气细菌气溶胶粒径分布特征Fig.5 Size distributions of airborne bacteriaaerosol in various environmentalfunctional areas in summer

图6 秋季各环境功能区大气细菌气溶胶粒径分布特征Fig.6 Size distributions of airborne bacteriaaerosol in various environmentalfunctional areas in autumn

图7 冬季各环境功能区大气细菌气溶胶粒径分布特征Fig.7 Size distributions of airborne bacteriaaerosol in various environmentalfunctional areas in winter

从图5夏季各环境功能区大气细菌气溶胶分布可以看出，火车站、省医院、兰大基本呈现大气细菌气溶胶粒子粒径百分比从Ⅰ级(D>7.0)到Ⅵ级(0.65

从图6秋季大气细菌气溶胶粒径分布图可以看出，从Ⅰ级(D>7.0)到Ⅵ级(0.65

由图7冬季各环境功能区大气细菌气溶胶粒径分布特征得出与春、夏、秋季类似逐级降低的变化趋势。例外的是，兴隆山和火车站大气细菌气溶胶粒径百分比Ⅲ级较Ⅱ级分别高出11.91%和3.16%,省医院Ⅱ级占比高于Ⅰ级2.26%。

2.3 不同功能区大气霉菌气溶胶粒径季节性分布特征

由图8～图11可以看出，不同季节不同环境功能区大气霉菌气溶胶粒径分布大体呈现Ⅲ级(3.3

从图9夏季各环境功能区大气霉菌气溶胶粒径分布来看，各功能区有较明显差异，大体呈现大气霉菌气溶胶粒子粒径百分比从Ⅰ级(D>7.0)到Ⅵ级(0.65

图8 春季各环境功能区大气霉菌气溶胶粒径分布特征Fig.8 Size distributions of airbornemold aerosol in various environmentalfunctional areas in spring

图9 夏季各环境功能区大气霉菌气溶胶粒径分布特征Fig.9 Size distributions of airborne moldaerosol in various environmentalfunctional areas in summer

图10 秋季各环境功能区大气霉菌气溶胶粒径分布特征Fig.10 Size distributions of airbornemold aerosol in various environmentalfunctional areas in autumn

图11 冬季各环境功能区大气霉菌气溶胶粒径分布特征Fig.11 Size distributions of airbornemold aerosol in various environmentalfunctional areas in winter

图10秋季各环境功能区大气霉菌气溶胶分布状况表明：兴隆山和省医院Ⅲ级和Ⅳ级占比最高，均为58.7%；火车站Ⅳ级和Ⅴ级占比62.9%；兰大Ⅳ级和Ⅵ级占比57.2%。由此可见，秋季各功能区大气霉菌气溶胶粒子粒径主要集中在0.65～4.7 μm，即Ⅲ级至Ⅵ级。

从图11冬季大气霉菌气溶胶粒径分布来看：兴隆山和兰大Ⅲ级和Ⅳ级占比较高，分别为62.63%和67.05%；火车站、省医院的Ⅵ级占比最高，分别达39.16%和47.60%，其Ⅳ级和Ⅴ级占比也较高，分别为46.73%和42.58%，说明冬季人员密集区大气霉菌气溶胶分布在细粒径颗粒物(4.7 μm以下)上，对人体存在潜在健康影响风险。

2.4 不同环境功能区大气放线菌气溶胶粒径季节性分布特征

从图12～图15可以看出，不同功能区大气放线菌粒径分布存在季节性差异，同时普遍存在大气放线菌气溶胶粒径Ⅴ级(1.17.0)到Ⅳ级(2.1

夏季与春季分布趋势相似，由图13可以看出：兴隆山、火车站、省医院和兰大大气放线菌气溶胶粒子粒径Ⅴ级(1.1

图12 春季各环境功能区大气放线菌气溶胶粒径分布特征Fig.12 Size distributions of airborne actinomyceteaerosol in various environmentalfunctional areas in spring

图13 夏季各环境功能区大气放线菌气溶胶粒径分布特征Fig.13 Size distributions of airborne actinomyceteaerosol in various environmentalfunctional areas in summer

图14 秋季各环境功能区大气放线菌气溶胶粒径分布特征Fig.14 Size distributions of airborneactinomycete aerosol in variousenvironmental functional areas in autumn

图15 冬季各环境功能区大气放线菌气溶胶粒径分布特征Fig.15 Size distributions of airborneactinomycete aerosol in variousenvironmental functional areas in winter

从图14秋季各环境功能区大气放线菌气溶胶粒径分布来看：兴隆山和火车站Ⅴ级的放线菌气溶胶粒子百分比显著高于其他2个功能区，而且兴隆山Ⅰ～Ⅲ级占比也较高，达到56.49%，火车站Ⅳ～Ⅵ级占比为74.18%；省医院Ⅰ级放线菌气溶胶粒子粒径占比最高为40.1%，其余层级放线菌气溶胶粒子粒径占比大体相当，维持在9.59%～14.92%之间；兰大也是Ⅰ级放线菌气溶胶粒子粒径占比最高为27.65%，Ⅳ～Ⅵ级占比近54%。

冬季大气放线菌气溶胶变化趋势与其他季节基本相似(图15)，同样Ⅴ级的大气放线菌气溶胶粒子粒径百分比较高，并且各功能区的Ⅳ～Ⅵ级占比均为最高，兴隆山、火车站、省医院和兰大大气放线菌气溶胶粒子粒径Ⅳ～Ⅵ级占比分别为74.29%、66.74%、67.12%和61.92%，说明冬季放线菌气溶胶粒子主要集中在0.65～3.3 μm范围内。

总体上，兰州市春、夏、秋、冬4个季节不同环境功能区大气细菌气溶胶粒径比例主要分布在前4级(D>2.1)的范围内，占总数的71.99%～90.80%，这与方治国等[18]对北京市文教区、交通干线等细菌粒子粒径分布研究结果相似。例外的是，夏季兴隆山大气细菌气溶胶大于2.1 μm粒径分布占比为48.25%，远低于其他功能区对应粒径分布占比，这可能与兴隆山景区夏季大气微生物气溶胶构成差异有关。另外姚文冲等[19]对南方城市杭州市交通干线、文教区、商业区和旅游风景区细菌粒径分布特征研究结果表明，细菌粒子粒径百分比最高值和最低值均分别分布在Ⅰ级和Ⅵ级，占比分别为25.4%～33.5%和6.5%～11.7%，吴莹等[20]对泰州市不同环境功能区细菌粒径分布特征研究得出相似结论。他们的实验结果与本研究细菌气溶胶粒径百分比最高值和最低值分布层级和相应粒径占比大体相当，说明细菌气溶胶粒径分布特征整体呈现从Ⅰ级至Ⅵ级逐渐降低趋势。

兰州市四季不同环境功能区大气霉菌气溶胶粒径分布亦呈现出与细菌气溶胶类似的趋势，前4级(D>2.1)粒径分布占总级数的61.68%～99.38%，这与赵炜等[21]对春季兰州市的研究结果相符，但是秋季和冬季交通密集区火车站占比却较少，分别为52.98%和34.63%，冬季医疗区省医院占比亦低至32.85%，说明不同环境功能区大气微生物气溶胶分布特征存在季节性差异。此外，上述对杭州市和泰州市不同环境功能区霉菌气溶胶研究表明，霉菌气溶胶粒径百分比最高值、最低值分布层级均分别是Ⅳ级(2.1

兰州市四季大气放线菌气溶胶粒径分布与细菌、霉菌气溶胶不一样，其粒径主要分布在Ⅴ级、Ⅵ级和Ⅰ级，占比大多50%以上(54.47%～85.16%)，该结果与方治国等[18]对北京市不同功能区放线菌粒子粒径主要分布在Ⅴ级和Ⅵ级的研究结果相似，仅兴隆山景区秋季占比略低于50%(为49.76%)，分析可能由于秋季兴隆山景区受地理位置、气象及气候因素影响植被丰茂，适宜其他粒径或种类菌群生长繁殖的缘故。