雾霾空气中细菌特征及对健康的潜在影响

甄 泉,方治国,王雅晴,欧阳志云

1 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 1000852 中国科学院大学,北京 1000493 蚌埠医学院 公共卫生学院,蚌埠 233030 4 浙江工商大学 环境科学与工程学院,杭州 310018

微生物气溶胶是指悬浮于空气中的细菌、真菌、病毒以及它们的副产物等所形成的胶体体系[1]。细菌是微生物气溶胶的重要组成部分,在PM2.5和PM10的生物组分中,其相对百分比可达80%以上[2-3]。空气中的细菌主要来源于自然界的土壤、水体、动植物以及人类的工农业活动等[4],其在维持生态平衡和调节气候变化中起着重要的作用[5]。然而,空气中存在的病原菌可通过呼吸道或破损皮肤进入人体,对人类健康造成严重的危害。气传嗜肺军团菌(Legionellapneumophila)曾多次导致军团菌病在人群中的暴发流行[6],气传金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等机会致病菌可引发破损皮肤和局部组织甚至全身范围的感染[7- 8]。因此,研究空气细菌特征及动态变化规律,对控制和减少气传疾病,维护人类健康有着重要的理论和实际意义。

近年来,以高浓度细颗粒物(PM2.5)污染为主要特征的雾霾天气已成为我国环境保护的焦点问题。雾霾天气下空气流动慢,较差的扩散条件导致空气中细颗粒物等污染物迅速积累,并且导致空气湿度增高、能见度降低和太阳辐射强度减弱。气象条件和颗粒物理化性状的改变可能对空气细菌特征产生影响[2,4,9- 13],因此,雾霾空气中细菌特征可能会发生显著变化,其潜在的健康风险需重新评估。论文从群落结构、浓度变化及粒径分布的角度,探讨了雾霾天气对空气细菌特征的可能影响,并结合了雾霾天气相关疾病的发病率,综合评价了雾霾天气空气病原菌导致的人群潜在健康风险的变化,最后提出了以前研究存在的不足及未来的发展趋势。

1 雾霾天气对空气细菌特征的影响

1.1 对细菌群落结构的影响

雾霾空气中可培养的优势细菌属主要有微球菌属(Micrococcus)[2,14- 16],芽孢杆菌属(Bacillus)[17-18],假单胞菌属(Pseudomonas)[18- 20],葡萄球菌属(Staphylococcus)[14- 16],不动杆菌属(Acinetobacter)[19,21],乳酸球菌(Lactococcus)[18,20]等(表1)。

雾霾天气对空气细菌群落结构是否产生影响,目前的研究尚存争议,不同科研人员获得的研究结果不同。西安市雾霾空气中可培养细菌奈瑟氏菌属(Neisseria)的相对丰度升高,葡萄球菌属(Staphylococcus),微球菌属(Micrococcus)浓度降低[14- 16]；青岛市空气细菌DGGE检测发现,两种天气下凝胶电泳条带的位置和亮度明显不同[19,21]；重度雾霾天气空气中变形菌门(Proteobacteria)相对丰度增加到88.9%(非雾霾天为34.9%),厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度减少到3.9%(非雾霾天为24.3%)[3],这些研究表明雾霾空气中细菌组成和群落结构发生了显著变化。然而,北京[11,20]和济南[18]等地利用高通量测序研究雾霾和非雾霾空气细菌的变化却得到相反的结果。济南市空气中的优势细菌属为乳酸球菌属(Lactococcus),芽孢杆菌属(Bacillus),假单胞菌属(Pseudomonas),嗜冷杆菌属(Psychrobacter)[18],北京市的优势细菌属为乳酸球菌属(Lactococcus),假单胞菌属(Pseudomonas),明串珠菌属(Leuconostoc)[20],这些菌属的相对丰度在雾霾和非雾霾天气中没有发生明显改变。

雾霾天气不能改变北京市[20]、济南市[18]空气细菌组成和群落结构,表明雾霾环境对空气细菌影响较小；而西安[19,21]、青岛市[3]的调查均显示雾霾天气下空气细菌的优势物种及其相对丰度反生改变,体现不同细菌类群对雾霾特殊环境适应性差异。西安市雾霾空气中细菌种类增多,Shannon指数增高,可能是较高的空气湿度及颗粒物中营养物质有利于微生物生存和繁殖所致[19,21]；而青岛市由非雾霾天到重度雾霾天的发展过程中,OTU数目,chao1、Shannon、Simpson指数不断下降,表明大量细菌类群因不能适应雾霾环境减少或消失[3]。

表1 雾霾天气下空气细菌群落结构变化特征

1.2 对细菌浓度的影响

雾霾天气不同城市空气中可培养细菌浓度在102—104CFU/m3(表2),其中,青岛市[23]、北京市[24-25]为102—103CFU/m3,西安市[14- 16,26- 28]为103—104CFU/m3,而使用不可培养法DAPI染色法[23]和定量PCR法[11,18]测定的空气细菌浓度,其结果均较可培养方法高出103个数量级,达到105—106拷贝数/m3。

表2 雾霾天气下空气细菌浓度的变化规律

雾霾天气对空气细菌浓度的影响,目前的研究结果也不同。北京市雾霾日空气细菌浓度较非雾霾日高6倍[20]；青岛市雾霾日空气微生物浓度7.09×105拷贝数/m3,高于非雾霾日(6.55×105拷贝数/m3)[23]；西安市雾霾天气下空气细菌浓度为1102.4—1736.5 CFU/m3,显著高于非雾霾天气(497.7—629.0 CFU/m3)[14],该市其他学者[15-16,26- 28]也得到雾霾天气下空气细菌浓度更高的结果。然而,北京市一些学者的研究却得到相反的结果,Zhen等[11]发现北京市秋季空气细菌浓度与PM2.5显著负相关,胡凌飞等[29]调查发现非雾霾日空气细菌浓度为325 CFU/m3,雾霾日下降至118 CFU/m3；高敏[25]、Gao[24,30-31]等也发现雾霾日空气细菌较低。此外,青岛市春季[32]、北京市冬季[11]的研究显示,空气细菌浓度与PM2.5无明显相关性,不能确定雾霾对空气细菌浓度的影响。

支持雾霾空气中细菌浓度升高的学者认为,高浓度的颗粒物吸附了更多的细菌[14-15,20,23],且太阳辐射杀菌作用的减弱[14],使得更多的细菌进入空气并存活下来。此外,较高的空气湿度[14-15]和颗粒物中的营养物质可能也有利于微生物生存和繁殖[15]。支持雾霾空气中细菌浓度降低的学者则认为,雾霾中高浓度有毒有害物质可损伤细菌[24,29,31],导致其死亡率升高,雾霾天气下细菌内毒素浓度达到12.4 EU/m3,较非雾霾天高出2倍[20],也倾向于这种可能机制的存在。

1.3 对空气细菌粒径分布的影响

粒径大小决定了颗粒物进入人体呼吸系统后沉积部位[33],是人体暴露及后续危害评价的重要参数。Anderson六级采样器具有采集粒径范围宽、采集效率高、操作简便等优势,在研究空气细菌粒径分布中被广泛应用[34]。众多学者调查了空气细菌粒径分布,研究表明正常天气室外空气细菌粒子呈偏态分布,主要分布在大粒径颗粒物上[14-15,24,29- 31,35- 38]。北京市非雾霾天气55%—80%的空气细菌分布在>2.1 μm(第1—4级)的大颗粒物上[24],西安这一比例达到79.7%[15]。

雾霾天气对空气细菌粒径分布规律及变化趋势的影响,目前的研究结果也并不完全一致(表3)。北京[24-25,29,31]、西安[27]等地的研究显示,雾霾天气下空气细菌粒径的偏态分布规律没有改变,多数细菌仍主要分布于大粒径上。胡凌飞[29]和Gao[31]调查了北京市雾霾天气下<5 μm的细菌气溶胶比例及中值直径,与非雾霾天没有显著差异,表明雾霾天气没有改变空气细菌粒径分布；而Gao[24]、高敏[25]、李婉欣[27]的研究表明,随着雾霾程度的增加,北京市、西安市细细菌粒子比例逐渐下降,细菌粒子的中值直径显著增加,细菌气溶胶粒径分布向粗颗粒迁移。西安[14- 16,26,28]、青岛[32]等地另一些调查却发现,雾霾天气下1.1—2.1 μm的细菌小粒子比例升至最高[14-15,32](约25.0%[14]),表明雾霾天气空气细菌的粒径分布规律发生了明显改变。雾霾天气细菌的中值直径在(1.96±0.29) μm,非雾霾天气为(2.32±0.12) μm[15],雾霾天气下细菌粒径分布有变小的趋势[15-16,26,28]。

支持雾霾空气中细菌粒径分布变大的学者[25,27,32]将原因归结为雾霾天气下高浓度的小颗粒物碰撞和聚集,形成较多的大粒径颗粒。支持雾霾空气中细菌粒径分布变小的学者[14-15]认为原因可能是雾霾天气大粒径团聚物比例的减少,以及独立悬浮于空气中细菌个体增加。此外,细颗粒物成分可能为微生物生长提供营养也促进微生物在细颗粒物上的比重的增加。

表3 雾霾天气下空气细菌粒径分布的变化规律

*以上研究均使用Anderson采样器采样,培养计数分析 (CFU/m3)

1.4 不确定性分析

雾霾天气对空气细菌群落结构、浓度变化及粒径分布的影响及其可能机制,目前尚存诸多不确定性。雾霾天气下高浓度的细颗粒物是否携带大量细菌？颗粒物成分及气态污染物是促进细菌生长还是损伤细菌活性？不确定性可能受到细菌采集、检验及鉴定方法的影响,传统培养法计数鉴定损失了90%以上不可培养细菌信息[5],生物标记法可能受多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon,PAH)、二次有机气溶胶(secondary organic aerosol,SOA)等非生物化合物发射的荧光干扰[20],不同分析方式可能检测到不一致的细菌类群和浓度。不确定性还可能受城市气候类型、地域环境,采样点交通状况、植被覆盖,采样季节、时段,雾霾程度及化学组分,大气温度、湿度、压强等环境因子影响[4],这些环境因子的不同配置综合作用于空气细菌,使得其变化方式更加错综复杂,难以判定。

Zhen等[11]对比发现大气污染物与气象因素对北京市空气细菌浓度和群落结构的相对影响发现,同一季节内细菌特征的变化由气象因子主导,大气污染物的影响较小,非雾霾日气象条件的差异及PM2.5、O3、SO2、NO2等大气污染物与气象因子的共线性可能是导致研究结果不一致的重要原因。从这个角度回顾表1—3研究,一些结果也印证了这种可能性,武丽婧[19]发现雾天、霾天空气细菌群落结构极为相似,而与晴朗天气差异很大；西安市非雾霾日空气细菌浓度更低[14],可能与其选择在阴雨天有关。目前学者在调查雾霾天气下空气细菌特征变化时,主要关注于PM2.5或AQI对空气细菌的影响,相对忽视了气象因素、时空差异的重要性。然而,空气细菌特征变化是诸多环境因子综合作用的结果,识别各阶段的主导环境因子可能是深入理解雾霾空气中细菌特征变化的重要途径。因此,今后的研究应侧重于长期监测以涵盖更多的时间及气象变化,同时,研究应扩展到很多的城市类型,只有在比较分析大量研究结果的基础上,才有可能剥除干扰因素,揭示潜藏在深处的内在规律,以及探寻出更深层次的原因。

2 雾霾空气中的病原细菌

虽然雾霾天气空气细菌群落结构、浓度变化和粒径分布如何变化尚未得到一致的结果,但现有北京[39]、西安[14]、杭州[40]、青岛[19,41]等地的研究表明,雾霾空气中细菌物种多样性较非雾霾空气显著增加,病原细菌的种类可能也随之增加。雾霾空气中发现的病原细菌属主要有：葡萄球菌属 (Staphylococcus),不动杆菌属 (Acinetobacter),假单胞菌 (Pseudomonas),鞘脂单胞菌属 (Sphingomonas),链球菌属 (Streptococcus),奈瑟菌属 (Neisseria) 等[14- 16,18,20-21,40],同一属内可能包括非致病菌种。胡亚东等[17]通过分离纯化,研究了北京和保定雾霾空气中的细菌群落结构,其中蜡样芽胞杆菌 (Bacilluscereus),地衣芽孢杆菌 (Bacilluslicheniformis),枯草芽孢杆菌 (Bacillussubtilis),氧化节杆菌 (Arthrobacteroxydans) 属人类病原菌；Gao等[9]将Miseq序列blast到种的水平,共发现18种病原细菌,丰度最高的是屎肠球菌 (Enterococcusfaecium) 和大肠杆菌 (Escherichiacoli),其次有疮疱丙酸杆菌 (Propionibacteriumacnes),阴沟肠杆菌(Enterobactercloacae),表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis),铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa) 等；Cao等[2]利用宏基因组测序的方法鉴定了雾霾空气中微生物组成,48种优势类群中潜在病原细菌有坐皮肤球菌 (Kytococcussedentarius),约氏乳杆菌(Lactobacillusjohnsonii),产气荚膜梭菌(Clostridiumperfringens),施氏假单胞菌(Pseudomonasstutzeri),嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia) 和白色拟诺卡氏菌(Nocardiopsisalba)。学者们在评估空气细菌健康风险时,更关注病原菌的鉴定及相对丰度的高低,却忽略了细菌毒力强弱和其侵染途径。致病力强的病原菌即使低丰度也可导致疾病,而致病力弱的病原菌则需要较高浓度才能引起感染。人体直接暴露于空气的部位主要是呼吸道和皮肤,如果空气病原菌不是通过这两种途径侵入,其健康风险也会显著降低[7- 8,42]。

表4是空气中可能通过呼吸道或皮肤侵入人体并有较广泛临床表现的病原细菌。表中的病原细菌均属于机会致病菌,它们的致病力较弱,且在总细菌群体中相对丰度较低。空气中的细菌绝大多数是对人体无害的非病原菌[2],Woo等[48]研究表明病原细菌仅占细菌总数的0.48%,Gao等[9]的研究结果为3.61%。雾霾天气某些病原菌的相对丰度增加,如肺炎链球菌(Streptococcuspneumonia)从轻度污染的0.012%增加到重度污染的0.05%[2]。随着雾霾天气的增多,呼吸道感染病例呈逐年上升趋势[54]。刘丹等[55]发现,雾霾中的细颗粒物与人角质细胞的过敏反应密切相关。雾霾天气中病原细菌对人体健康危害的增加,一方面与雾霾天气下病原细菌的种类和相对丰度的增加有关,另一方面也与雾霾天气人体免疫力的下降密切相关。

表4 几种通过呼吸道和皮肤侵入人体的重要空气病原菌

雾霾天气中累积的高浓度细颗粒物和化学毒物对人体免疫系统的破坏是加重空气病原菌危害的重要原因。致病菌侵入人体时,首先要穿透人体的屏障结构。(1)皮肤和粘膜的物理屏障：皮肤表层由较厚的结构致密的扁平上皮细胞组成,并含有不易被微生物降解的角蛋白阻挡致病菌穿透,粘膜表面有多种附件和黏液层以阻挡致病菌的粘附定植[42]。大气污染物诱导炎症反应和随后的呼吸道粘膜及皮肤屏障的损伤[55- 58],破坏了皮肤和粘膜的完整性,为病原菌入侵打开一个缺口,有利于病原菌侵入人体；(2)微生物屏障：呼吸道粘膜和皮肤上寄居着大量细菌、真菌,正常菌群构成的菌膜屏障是人体抵御外籍菌侵入的重要防御系统。正常菌群通过与致病菌竞争粘附部位和营养物质,或者产生抗菌物质等方式,抑制外籍菌的粘附与繁殖,以保持人体的微生态平衡[42]。大气污染物可能改变皮肤微生物群落[57],同时对呼吸道菌群的定植有明显影响[59],可能导致呼吸道微生态失调[60-61],机会致病菌大量繁殖,诱发呼吸道和皮肤的感染发病。除了破坏屏障结构,大气污染物对人体内吞噬细胞、补体、细胞因子等均有损伤[56],意味着病原菌侵入后,人体对病原菌清除能力降低,因而更容易导致疾病。一些临床证据也表明,雾霾天气下呼吸道感染[62],荨麻疹[63]等病例显著增加。

此外,雾霾天气中的化学组分对病原微生物致病力的影响可能也是雾霾天气下呼吸系统、皮肤感染病例增加的重要原因。Hussey等[64]发现雾霾空气常见组分炭黑,能显著改变肺炎链球菌(Streptococcuspneumonia) 和金黄色葡萄球菌 (Staphylococcusaureu) 的生物膜结构、组分和功能,并调整生物膜对蛋白质降解和多种抗生素的抵抗力,增加了肺炎链球菌对青霉素(治疗肺炎链球菌首选药物)的抗性,这些研究表明雾霾空气中除了颗粒物、有毒化学物质等导致的健康风险增加,来自于病原菌的潜在健康危害也在增加。

综上所述,空气中病原菌主要由条件致病菌组成,它们在空气中含量很低。雾霾空气下部分病原菌相对丰度增加,大气污染物可增强某些病原菌的致病力。雾霾天气中高浓度的细颗粒物和化学污染物可损伤皮肤黏膜屏障,打破呼吸道、皮肤的微生态平衡,为病原菌侵入创造机会。两者的协同作用,显著增加了雾霾天气空气中病原菌的健康风险。

3 存在的问题与研究展望

3.1雾霾天气主要发生在中国和印度等发展中国家,近些年来才得到科研人员的高度重视,目前雾霾空气中微生物特征的研究还不够充分,仅在我国少数城市开展了相关的研究,在很多关键问题上还未有一致性的研究结果,应进一步开展雾霾天气空气微生物特征的研究。

3.2不同空气微生物的采样和分析方法,结果难以进行比较。培养法研究低估了空气微生物的种类和数量,而高通量测序技术无法得知微生物活力,不同方法相结合,对于探知空气微生物的健康危害,可能会更加准确。

3.3高通量测序通量大,用其结果鉴定病原菌能真实反映物种分类及丰度信息,但目前使用Silva或Greengenes数据库很难比对到种级别,因此需要创建完善的致病菌数据库,或建立新的通用分析方法。

3.4现有研究多关注雾霾空气中病原菌对呼吸系统可能的健康危害,忽略了皮肤暴露的健康风险研究,应建立相关研究体系,完善预防方案。

3.5空气病原微生物多为条件致病菌,对病患人员、婴幼儿、老人等免疫力较低的易感人群危害最大。雾霾天气下医院血液科空气消毒净化效果较晴天差[65],医院内感染风险可能增加。因此,雾霾天气下应进一步加强医院、幼儿园、养老院等室内环境的空气致病菌污染监测,同时应完善空气微生物评价指标,为有效预防空气微生物健康危害提供理论支撑。