大气生物气溶胶的源排放与源解析研究进展

李彦鹏，马天峰，杜胜利，谢雯文，张皓月，谢铮胜

(1. 长安大学 水利与环境学院，陕西 西安 710054；2. 长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引 言

生物气溶胶是大气气溶胶的重要组成成分之一，通常是指空气动力学直径小于100 μm且含有微生物或来源于生物性物质的气溶胶，主要包括细菌、真菌、病毒、尘螨、花粉和细胞碎片等[1-2]。自然界中，微生物普遍存在于土壤、水体、动植物表面等环境介质中，在外界扰动作用下会以气溶胶的形式不断地排放到空气中，形成微生物气溶胶。由于其体积小，质量轻，易于通过空气介质进行扩散和远距离输送，再经过损伤的皮肤、黏膜、消化道及呼吸道侵入机体, 从而引起和增加人类皮肤过敏、呼吸道感染、哮喘、心血管疾病和慢性肺部疾病等的发病几率, 对人类健康造成巨大威胁[3-5]。近10多年来，SARS、甲型H1N1流感和新冠肺炎(COVID-19)等对社会与经济造成重大影响的流行性疾病，都与生物气溶胶的源排放和传播密切相关。除了人体健康效应外，生物气溶胶一方面可以通过吸收和反射太阳辐射与地面长波辐射，进而直接影响气候,另一方面作为云凝结核(CCN)和冰核(IN)导致云滴和冰晶的形成，从而间接影响全球气候变化[6-10]。

很明显，生物气溶胶对传染病、公共卫生、大气环境、气候变化、生物反恐等众多方面均具有重要影响。因此，近20年来，生物气溶胶的研究迅猛发展，相关领域的论文逐年递增，俨然成为目前气溶胶领域最活跃的研究热点和前沿之一。图1统计了过去20年国内外在生物气溶胶领域所发表的论文数量(数据库为Web of Science，关键词为Airborne Microorganism或Bioaerosol, Bioaerosol Source，数据截至2021年2月)。从图1可见，有关生物气溶胶的论文呈逐年递增趋势，2000年大约发表了10余篇，而到2010年就突增到320篇以上，最近5年每年发表论文都在400篇以上。这些研究主要集中在生物气溶胶的采样监测、时空分布、消杀防护及其环境与健康效应等方面，而关于生物气溶胶来源的研究相对少很多，目前每年不足40篇。基于此，本文主要聚焦大气中微生物的来源，综述生物气溶胶的自然源和人为源及其影响因素的研究现状，探讨解析生物气溶胶来源的定性与定量方法，以期为深入了解生物气溶胶的输送变化与时空分布，以及更好地监控病原体的气溶胶传播与散布提供参考。

数据来源于Web of Science图1 已发表的关于生物气溶胶的论文数量Fig.1 Number of Published Articles on Bioaerosols

1 生物气溶胶来源

大气环境一般不具备微生物生存所需的营养条件，通常只是微生物的临时寄居场所，而不是源。因此，空气中微生物含量和群落组成在很大程度上取决于生物气溶胶的来源。总体上来说，生物气溶胶的产生包括自然排放(土壤、植被、水体等)和人类活动(人类、养殖场、污水处理厂、医院等)，也就是自然源和人为源(图2)。

图件引自文献[1]和[10]图2 生物气溶胶的来源及其大气循环Fig.2 Sources and Atmospheric Circulation of Bioaerosols

1.1 自然源

自然界中存在的微生物，通常来自土壤、水体和植物表面等环境介质[11-12]。土壤中的微生物群类具有种类多、物种多样性极度丰富的特点[13]，是大气生物气溶胶重要的自然源。土壤中富含丰富的有机质，适合微生物生长和繁殖，是微生物生长的天然培养基，因此，土壤拥有繁杂的微生物种群。研究表明，在森林土壤中，土壤原核细胞(无细胞核的生物，包括细菌和古生菌)数量约为4×107cell·g-1，而在其他土壤(包括沙漠和农耕土壤)中，原核细胞数量约为2×109cell·g-1[14]。在风力作用下，大量土壤微生物可以被气溶胶化释放到大气中。Cao等研究表明，北京冬季空气中的昏暗地嗜皮菌相对丰度很高，而该菌就常存在于干燥的土壤环境中[15]。Nuez等发现马德里空气中的某些致病细菌(如棒状杆菌属、肠球菌属、军团菌属和玫瑰单胞菌属等)大部分来源于土壤[16]。Qi等研究表明，土壤向空气中释放了大量的子囊菌和担子菌，是生物气溶胶中真菌的主要来源之一[17]。此外，降雨可以促进土壤释放生物气溶胶颗粒进入大气。在雨滴撞击土壤表面的过程中形成了含有土壤细菌的气溶胶，一滴雨滴可以使接触的土壤中0.01%的细菌排放进空气里。Joung等综合考虑气溶胶化率、细菌平均表面密度、全球陆地面积与降水类型等因素，估算得到全球每年雨滴中传播的细菌总数为(1.2～85.0)×1022[18]。

天然水体(如江河、湖泊和海洋)中也富含多种微生物，在泡沫和波浪破碎时，会形成大量的生物气溶胶，在风力和水力等其他外力作用下进入大气[4]。据报道，在东海海面上空的原核微生物浓度为(1.0～10.0)×104cell·m-3[19]；西北太平洋黑潮延伸区空气中细菌浓度为(1.0～10.0)×104cell·m-3，平均存活率为93%[20]；东京上空的细菌长期受到东京湾海水的影响[21]。这些研究都证明了海洋是生物气溶胶的重要来源。

此外，空气中的致敏微生物通常也会来自于动植物的释放。近年来，越来越多的研究表明，部分动物会成为病毒的中间载体，通过生物气溶胶向人类传播疾病[22]。例如， 2019年新冠肺炎爆发以来，研究人员从食品市场的果子狸分离出来的样本病毒RNA检测结果呈阳性，表明果子狸可能是次要宿主。随后，马蹄蝠也被发现有抗SARS-COV抗体，表明蝙蝠是病毒的传播源之一[23]。同时，Lu等研究发现新型冠状病毒与类SARS蝙蝠病毒的基因组高度相似，支持了上述说法，即关键宿主是蝙蝠[24-25]。蝙蝠释放的病毒会通过气溶胶传播，致使中间宿主(马、猪、果子狸或非人灵长类动物)患病，进而导致人类患病，或直接导致人类感染病毒[22]。禽流感、口蹄疫等来源于其他动物的疾病，同样会通过气溶胶传播，致使人类患病，引发重大公共安全事件[26-27]。

植物叶片表面通常也附着有许多微生物，它们可以随风迁移至大气中。据估计，全球植物圈的细菌群落由多达1.0×1026个细菌组成，平均每平方厘米的叶片上含有(1.0～10.0)×106个微生物[28]。Lymperopoulou等同时采集相邻有植被和无植被地区的空气样品，经检测发现有植被区空气中细菌和真菌的丰度是无植被区的2～10倍，且在顺风时空气样品中有超过50%的细菌可能来自于当地植物[29]。此外，来自于各类植物的花粉和真菌孢子作为生物气溶胶的主要成分，在帮助植物进行繁殖活动的同时，可能会引起人类呼吸道疾病发病率的增加[30]。除了对人类健康的影响外，一些植物排放的病原微生物也可以引起植物锈病、霜霉病和白粉病，是造成世界农业经济严重损失的主要原因[31]。

众多数据表明，生物气溶胶排放在自然界中的土壤、水体和动植物表面广泛存在，其排放强度和排放机制随来源的不同而显著不同。迄今为止，人类对生物气溶胶的自然排放机制认识只停留在风力释放、生物体自身行为以及气泡破碎等原因，而且关于各种自然源的排放通量数据还十分匮乏。这些未知的自然源排放问题势必影响人类对大气微生物的时空分布与动力学演化规律的认识，也势必影响人类对其引起的健康风险的预防和控制。因此，充分认识各种自然源的排放机理和获得排放强度数据，是未来研究的重要方向之一。

1.2 人为源

1.2.1 人类自身

人类自身可以持续产生并释放大量生物气溶胶，造成室内外空气微生物污染及潜在健康风险。人体内外许多部位都携带着多种多样的细菌[32]。据统计，人体表面皮肤和消化道大约携带(1.0～100.0)×1012种微生物[33]。如图3、4所示，当人类呼吸、讲话、咳嗽和打喷嚏时产生飞沫会形成气溶胶，这些气溶胶中就含有大量微生物。Lindsley等研究表明，COVID-19、SARS、流感等呼吸道疾病的病毒主要传播方式包括患者呼吸、咳嗽和打喷嚏时从口鼻排出带有病毒的小液滴(即飞沫和气溶胶)[34-39]。最近，Ma等研究发现SARS-COV-2病毒可以由患者呼吸直接释放到空气中[40]。呼吸释放SARS-COV-2病毒的速率受到多种因素的影响(如患者活动及年龄等)，患病早期的患者呼吸释放SARS-COV-2病毒到空气的速率最大，最高可达1.0×105个·min-1[40]。这类生物气溶胶的传播距离相对较短，在密闭空间可存活较长时间，对人类健康威胁极大。因此，在室内环境中，人类可能是生物气溶胶的最大来源。

1.2.2 农业和工业活动

一些农业和工业活动(比如畜牧养殖、垃圾填埋场和污水处理厂等)也会频繁地排放生物气溶胶，这是构成生物气溶胶的另一重要来源[41-43]。表1总结了典型工农业生产场所排放生物气溶胶的研究结果。

从表1可以看到，养殖场(如养鸡场、养猪场)空气中生物气溶胶浓度非常高，为(1.0～100.0)×103CFU·m-3[44]。Theofel等研究发现从一个家禽养殖场排放的灰尘和生物气溶胶短距离扩散到下风向的一个杏仁果园，改变了果园植物叶片表面的微生物群落组成[45]。这项研究为农场生物气溶胶的排放和传播提供了证据。同时，这些农场的空气环境中还能检测到许多致病菌，包括芽孢杆菌属(Bacillus)、棒状杆菌属(Corynebacterium)和链球菌属(Streptococcus)[44,46-47]。这些菌属主要来源于动物的排泄物和饲料，显然这与农场从事养殖活动高度相关。此外，Barberán等研究发现，宠物(尤其是猫和狗)对室内微生物菌群结构有较大的贡献[48]，在有猫和狗的房间里，分别有24种和56种细菌群落丰度明显增加。

污水处理厂也是主要的生物气溶胶来源。在污水处理过程中，大量的微生物、毒素和代谢物被排放到空气中，形成生物气溶胶，并随着气流输送到附近地区，影响居民健康[49-50]。Xu等研究发现，污水处理厂空气中检测到的细菌气溶胶浓度为630～3 900 CFU·m-3，真菌气溶胶浓度为51～6 900 CFU·m-3[51-52]。此外，污水处理厂内各个处理单元微生物气溶胶浓度存在很大差异。邱雄辉等在西安市第四污水处理厂发现[53]，细菌和放线菌气溶胶浓度最大值出现在污泥脱水车间，而真菌气溶胶浓度最大值出现在氧化沟，污泥脱水车间细菌气溶胶浓度超过《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2002)[54]规定限值的3.1倍。

图件引自文献[38]图3 人咳嗽排出的飞沫生物气溶胶随时间分布Fig.3 Distributions of Droplet Bioaerosols by Coughing over Time

图件引自文献[38]图4 人呼吸排出的飞沫生物气溶胶随时间分布Fig.4 Distributions of Droplet Bioaerosols by Breathing over Time

与污水处理厂相比，垃圾填埋场的微生物浓度相对较高且含有丰富的致病菌(枯草芽孢杆菌(B.Subtilis)、金黄色葡萄球菌(S.Aureus)、肺炎杆菌(K.Pneumoniae))[43]。垃圾填埋场因是露天场所，对周围环境影响远大于其他场所。此外，垃圾填埋场不同功能区的生物气溶胶浓度存在明显差异。以空气微生物气溶胶总浓度计算，填埋区微生物气溶胶最高浓度可超过6 000 CFU·m-3；渗滤液处理区微生物气溶胶浓度略低于填埋区，通常为5 000～6 000 CFU·m-3；生活区微生物气溶胶浓度约为3 500 CFU·m-3[55]；已封场填埋区微生物气溶胶浓度为136～863 CFU·m-3，在各功能区中最低[56]。垃圾填埋场周围空气中的细菌气溶胶浓度也被发现呈现明显的季节性变化[42]，夏季空气细菌总数最高，春季和秋季次之，冬季最低。

由此可见，人类工农业生产活动场所排放的生物气溶胶浓度普遍较高，不同场所排放的生物气溶胶浓度和组成与该场所从事的生产活动相关，而且这些场所均发现了浓度较高的致病菌。因此，全面且系统地研究不同工农业生产活动场所中的生物气溶胶排放特性与散布规律，是空气微生物研究的重要内容之一，对加深了解污染源、估算污染水平、制定污染控制措施和改善空气质量有重要意义。

2 源解析方法

为了更好地控制空气质量与预防流行病的传播，识别生物气溶胶的来源意义重大。为判断空气中微生物的来源，需要准确地知道每一种微生物的来源及其贡献率。因此，各种空气微生物的来源分析技术应运而生。表2总结了目前气溶胶中微生物源解析方法的优点和局限性，主要微生物来源的识别方法有数据库分析法(DAM)、相关性分析法(CAM)和模型分析法(MAM)3种。

表1 典型工农业生产场所排放生物气溶胶特征

通过数据库检索确定微生物来源是微生物学常用的一种方法。这种方法可以确定微生物的具体来源，并能够进一步计算各类来源对微生物的贡献。在日本， Uetake等通过BLAST 检索和MetaMeta-DB分析发现空气中细菌部分来源于太平洋，为判断微生物的远距离输送来源提供了依据[21]。Fan等利用全球微生物目录(Global Catalogue of Microorganisms,GCM)数据库计算了北京地铁空气中微生物的源分布[59]。然而，这种方法并不能反映微生物和当地潜在源的具体关系。

为研究不同潜在源与空气微生物的关系，Bowers等利用统计学进行分析计算[11,60]。相关性分析就是最为常见的一种分析方法。这种方法需要对采样点周围的潜在源(如土壤、叶片等)样品进行微生物分析，然后通过计算空气样本与其他样本的微生物群落组成的相关性，定性识别并判断哪一种或哪几种潜在源对空气微生物的贡献率更高。例如，Bowers等利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)方法，得到叶片表面细菌群落与空气中细菌群落更为接近的结论[11]。但是，相关性分析不能准确定量潜在源的贡献率。

为了获得潜在源对空气微生物的贡献率，Knights等开发了Source Tracker模型[61]。该模型是建立在一种通过标记基因和功能宏基因组识别污染源和污染比例的贝叶斯算法基础上的。该模型主要优势是可以弥补主成分分析方法的不足，实现对已知和未知生物气溶胶源环境的贡献率直接定量估计，但该模型只能够解析已收集的潜在源样本，且存

表2 不同源解析方法的优点和局限性

在计算误差。Uetake等使用Source Tracker模型对东京上空细菌来源进行解析，发现靠近海岸的空气长时间受到来自东京湾土壤和海水细菌的局部输入[21]。Qi等使用Source Track模型对西安2018年夏季至2019年春季空气中细菌和真菌的来源分布进行分析(图5)[17]。从图5可以看出，西安全年气载微生物主要来自于叶片表面，其对空气细菌的贡献占总来源的45.0%，对空气真菌的贡献占总来源的26.8%，且潜在源的贡献率受季节影响不大。此外，通过模型计算还发现，43.8%的空气细菌和63.5%的空气真菌都来自未知源，推测远距离输送可能也是生物气溶胶的一个重要来源。

图件引自文献[17]图5 西安空气细菌和真菌的来源解析柱状图Fig.5 Histogram of Source Identification of Airborne Bacterial and Fungi in Xi’an

此外，为了确定空气微生物远距离输送的源贡献，混合单粒子拉格朗日轨迹(HYSPLIT)模型近来被学者们关注并采用[62]。Cáliz等在2007～2013年调查期间利用该模型计算了欧洲西南部比利牛斯山脉中部气团的中心和与每个气团相关的72 h轨迹相对频率[图6(a)]，为确定微生物的远距离输送规律提供了可靠信息[63]。Qi等利用该模型在中国西安市雁塔区[图6(b)]和秦岭[图6(c)]得到的反向轨迹显示，空气中的真菌和细菌可能来自其他地区的中远距离输送[17,64]。

综上所述，有多种方法可以确定生物气溶胶的来源。生物气溶胶的源解析有助于评价和控制微生物污染。因此，有必要进一步开发更精确的微生物源解析方法，以揭示空气中各种潜在微生物源的贡献。近年来，蛋白质、氨基酸、碳水化合物和脂类等生物成分已被用于识别气溶胶来源和研究气溶胶输送轨迹[65]。此外，气溶胶中的化学成分对空气中的微生物源分布影响尚不清楚，在开发新的源识别方法时应该考虑这个因素。

3 影响因素

3.1 地理区域

土壤和植物是生物气溶胶的主要两种来源。土壤和植物中微生物的结构及物种多样性具有明显的地理差异，即生物地理学差异受多种气候地貌条件的影响[66-67]，在不同的地理区域空气中微生物群落的组成可能会有显著变化。因此，地理区域是影响空气中微生物组成的主要因素之一。

图(a)引自文献[63];图(b)引自文献[64];图(c)引自文献[17]；图中括号内数据表示气流反向轨迹的相对频率图6 模型分析结果:气团中心和与每个气团相关的反向轨迹相对频率Fig.6 Model Results: Cluster Centroids and Relative Frequencies of Back-trajectories Associated with Each Cluster

表3比较了世界不同地区空气样本中的微生物群落结构。中国幅员辽阔，地形复杂，主要气候类型为大陆性气候和季风性气候，微生物群落结构相应也存在明显差别。比如，长沙和乌鲁木齐的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria(相对丰度分别为81.20%和74.10%))[68-69]，而在北京观察到的较多细菌为放线菌门(Actinobacteria(28.12%))和厚壁菌门(Firmicutes(19.30%))[70]。此外，不同地理区域在属水平上也有明显的差异。例如，乌鲁木齐的优势菌属为沙雷氏菌属(Serratia)和代尔夫特菌属(Delftia)[69]，长沙为丛毛单胞菌属(Comamonadaceae)和芽孢杆菌属(Bacillus)[68]，西安为假单孢菌属(Pseudomonas)[60]，济南为乳球菌属(Lactococcus)[71]，北京为节杆菌属(Arthrobacter)[72]。 世界上其他地区的地理区域影响同样明显。丹佛位于美国西部，属于山地气候，细菌的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria(相对丰度为34.60%))和厚壁菌门(Firmicutes(28.20%))，真菌的优势菌门为子囊菌门(Ascomycota(78.00%))和担子菌门(Basidiomycota(21.00%))[11]。希腊塞萨洛尼基[73]和西班牙马德里[16]属于地中海气候类型，这两个城市的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)，但优势菌门的丰度还存在较大差异。在中国泰山和日本富士山检测到的细菌和真菌群落也有很大差异[74-75]，可能与山地气候、植被类型的差异有关。此外，海面(西太平洋)上的优势菌门为拟杆菌门(Bacteroidetes)，与内陆细菌群落存在显著差异[76]。

由此可见，不同地域的生物气溶胶浓度、组成与微生物的排放源直接相关，同时也受到不同地理区域的气候、地势、地形等因素的影响。正是由于生物地理差异带来的不同地区微生物群落组成多样性存在显著差异，才造成了空气中微生物的群落组成在不同地理区域有显著差异[77-78]。

3.2 土地利用类型

土地利用是为了满足人类生产和生活需要对环境的一种干预。在同一地理区域或行政区内，由于人类干预方式和干预程度不同，会导致不一样的土地利用类型。土地利用可以创造具有特定环境属性的“微环境”，在生物气溶胶的产生、传播、气溶胶化、再悬浮、扩散、输送和分子间相互作用中发挥关键作用[79]。

目前，土地利用类型的划分还没有统一的标准。根据现有文献，本文将同一区域(城市)划分为市区、郊区、农田和森林4种土地类型(图7)。从图7可以看出，郊区、农田及森林环境的微生物总丰度和细菌群落存在显著差异[81]，森林中优势细菌是伯克氏菌门(Burkholderiales)，而城市则是放线菌门(Actinobacteria)。研究表明，人类活动会导致郊区和山区的微生物浓度存在明显差异，并且郊区和山区的微生物群落结构在门水平上组成相似，但优势属各有不同[17,64]。Balyan等发现，不同用途的城市土地(绿地、居民区和商业区)真菌和细菌生物气溶胶浓度存在显著差异，相比之下，商业区的细菌气溶胶浓度较高，而绿地的真菌气溶胶浓度更高[82]。此外，城市绿地同样影响了空气中的细菌群落，Bowers等发现酸杆菌科(Acidobacteriaceae)在绿地的相对丰度较高，而醋杆菌科(Acetobacteraceae)则是停车场的优势菌科[81]。

表3 世界不同地区空气样本中的微生物群落结构

图(a)中，a、b、c表示是否存在统计学显著差异，相同字母表示对应土地利用类型之间没有显著差异(p>0.05)，不同字母表示对应土地利用类型之间存在显著差异(p<0.05)图7 不同土地利用类型的生物气溶胶特征Fig.7 Characteristics of Bioaerosols in Different Land-use Types

农业用地的差异主要是耕作方式和种植的主要作物不同造成的。研究表明，农作物采收过程中真菌释放受粮食和耕地类型的影响[83]，如霉菌毒素(镰刀菌，Fusarium)的出现主要受耕作制度的影响。此外，施肥类型对气载微生物的影响同样不容忽视[84]。工厂、污水处理厂、垃圾填埋场、农场等人类活动区域大多位于郊区，不同的人类活动将产生不同的生物气溶胶，这些生物气溶胶还可能对周围环境产生影响，并释放出不同的条件致病菌[46]。森林地区受人类活动的影响较小，有自己独特的生态系统。不同的植物类型在叶片表面有不同的微生物群落，使得森林的微生物群落具有鲜明特征[85]。

上述研究都表明不同土地类型近地面的生物气溶胶浓度和群落特征明显，且受潜在源的影响而发生改变。因此，土地利用类型必定会对空气中的微生物群落产生重要影响[86]。进一步研究调查不同土地利用类型中空气微生物的特征，将有助于合理规划土地利用格局，控制生物气溶胶排放对人类的影响。

3.3 环境条件

生物气溶胶的群落结构因地区而异，即使在同一地点的微生物群落结构也会有明显的季节差异，这表明微生物群落的结构也受环境条件(气象因素和空气污染等)的影响[87]。

3.3.1 气象因素

Jones等对生物气溶胶浓度影响的研究发现，温度、湿度、风速和太阳辐射均对生物气溶胶排放有影响[88]。温度和相对湿度影响了真菌孢子的释放量，并控制了真菌孢子的释放过程。与土壤表面的微生物相比，植物表面微生物在较低风速下受影响更大，并重新悬浮在空气中。太阳辐射经常起到杀菌作用，降低了空气中微生物的浓度[89]。此外，降雨也会影响空气中微生物的浓度。研究表明：雨滴的溅射会从植物和土壤表面释放出大量的生物气溶胶颗粒进入空气，增加了微生物的浓度；雨滴还会将生物气溶胶从高空转移到地表环境中[90]。

图8展示了采用Spearman相关性分析得到的西安空气中细菌浓度与气象因子的相关性[17]。结果表明，不同菌属对不同气象因子的响应不同。大多数菌属的浓度水平与温度、相对湿度、风速成正相关关系；但也有一些细菌(如栖热菌属(Thermus)、芽孢杆菌属(Bacillus)和贪噬菌属(Variovorax))与环境温度成负相关关系。这项研究为进一步从特定生物种属的角度探讨生物气溶胶与气象因子的关系提供了依据。

除了气象因素，季节变化也会明显影响生物气溶胶的排放。多项研究发现，不同季节生物气溶胶浓度和群落结构具有显著差异[17,64,91]。

图件引自文献[17];TEM表示温度;RH表示相对温度;WS表示风速;AQI表示空气质量指数图8 基于Spearman相关性分析的西安细菌优势菌属热图Fig.8 Heatmap of Dominant Bacteria Genera in Xi’an Based on Spearman Rank Correlation

3.3.2 空气污染

近几年，Zhen等讨论了空气污染对生物气溶胶的影响[92]；Xie等观察到雾霾期间生物气溶胶浓度较高，但在严重污染天气生物气溶胶浓度又有下降趋势[93]。他们推测霾污染时可能存在互为相反的、影响生物生长的竞争机制：细颗粒的载体与促进作用以及污染物中化学物质的毒性作用共同决定了空气微生物的浓度变化。气态污染物(SO2、CO)对生物气溶胶浓度的影响也是有争议的，仍需进一步探索。Zhen等发现空气污染物对生物气溶胶的影响小于气象因素，这可能是气相和颗粒相污染物的排放有明显季节性的原因[92]。空气污染物除了影响生物气溶胶浓度之外，某些气态污染物(O3、NOx等)和颗粒污染物还可以与生物气溶胶中的蛋白类物质发生氧化、硝基化和交联聚合等多种化学反应，造成其结构功能发生改变，从而可能改变其过敏潜力[94-96]。

图(a)引自文献[97]；图(b)引自文献[17]图9 环境因子对生物气溶胶的影响Fig.9 Effects of Environmental Factors on Bioaerosols

目前，有关污染物对生物气溶胶影响的研究大多集中在定性分析上，但人类对于不同类型污染物对生物气溶胶的定量影响知之甚少。近几年，两种定量方法被用于确定环境因素与生物气溶胶之间的关系，即聚合增强树(ABT)[97]和多元回归树(MRT)[17]。Fan等指出大气污染物对潜在的空气传播致病菌有不同程度的影响[图9(a)][97]，其中PM10和PM2.5是影响颗粒物中潜在致病菌的主导因素，分别占相对影响的27.56%和19.88%。此外，SO2和NO2对PM10(相对影响分别为6.70%、6.79%)和PM2.5(11.36%、11.92%)中的致病菌群落组成也有不同的影响。对于真菌生物气溶胶，Qi等研究表明，空气中真菌群落丰度受颗粒物污染水平的影响显著(相对影响为42.8%)，其次是O3(22.57%)[图9(b)][17]。

3.4 小 结

综上所述，影响生物气溶胶的因素非常复杂，目前还没有一个统一的结论。因此，进一步的研究可以考虑采用更先进的统计方法(如自变量筛选、共线诊断、主成分分析等)，重新整合潜在的影响因素，更好地阐明它们之间的相互作用；此外，设计并开展实验室烟雾箱实验以确定单一环境与污染因素对生物气溶胶的影响也是十分必要的。

4 结 语

生物气溶胶的扩散及来源研究对于更好地了解微生物在大气中的分布，以及与生物气溶胶有关的流行病传播至关重要。过去的20年中，国内外在生物气溶胶的源特征、源识别和影响因素等方面都取得了一定的成果。然而，关于生物气溶胶源的一些重要科学问题至今仍未解决，需要重视。

(1)生物气溶胶的排放有自然源和人为源两大类，其排放量和排放组成受多种因素(如排放源本身、气象条件、季节变化、污染条件和土地利用类型)的影响。由于排放方式复杂，影响因素众多，目前学界对生物气溶胶局部输入的研究多体现在微生物浓度的变化及微生物群落结构的变化，缺少对不同环境下生物气溶胶的排放机理和排放通量的研究。因此，未来应加强不同来源(如工农业生产场所、人畜行为、天然土壤水体等)生物气溶胶排放特性与扩散规律的研究，特别是对自然源排放通量、人为源排放强度的定量研究；与此同时，还应对已有的大气扩散模型(如全球化学气候模型EMAC)进行改良，估算不同生态系统生物气溶胶的排放情况。这可以为准确预测生物气溶胶的排放与输送，评估生物气溶胶对大气质量和公共卫生的影响提供关键基础数据。

(2)影响生物气溶胶源排放的因素众多而且非常复杂，这其中土地利用类型、环境与污染因素的影响不容忽视。已有研究多是生物气溶胶受自然因素影响的研究，但在室外环境中影响因素过多，各种因素之间的相互作用较为复杂，无法得出单一影响程度。因此，设计并开展实验室烟雾箱实验以确定单一环境与污染因素对生物气溶胶的影响十分必要；此外，进一步的研究还应该考虑运用更先进的统计方法，以期整合潜在的各种影响因素来深入阐明它们之间的相互作用。

(3)除了当地的自然源与人为源排放，远距离输送也是生物气溶胶的一个重要来源。目前，判定生物气溶胶远距离传播的方式主要是通过反向轨迹模型判定气团走向，从而分析微生物的来源。但这个过程中忽略了生物气溶胶的大气转化过程，对生物气溶胶转化后的人体-环境气候效应有所忽视。因此，深化对生物气溶胶远距离输送的研究十分必要。其中，考虑微生物在大气中可能发生的化学变化的扩散和输送模型，对于帮助精确预测微生物的远距离输送和时空分布意义重大。

(4)目前使用的微生物源解析方法主要有数据库分析法、相关性分析法和模型分析法3种，但这3种方法都存在一定的局限性，且无法准确分析微生物的具体来源及潜在源对生物气溶胶的贡献。近年来，基于蛋白质、氨基酸、碳水化合物和脂类等生物成分作为识别气溶胶来源的技术得到了很好的发展，这些技术可以有效了解潜在源对生物气溶胶的贡献程度，是一种较为精确的微生物源解析方法。开发更精确的微生物源解析方法，可以更有效地揭示空气中各种潜在微生物源的贡献，为精准控制微生物污染提供科学手段。

谨以此文庆祝长安大学七十周年华诞，祝愿长安大学百尺竿头，更上层楼！犹记2005年西学归国入职长大以来，曾偏安于城南一隅的明德门，常奔波在欢声笑语的摆渡车，也疾走过光影细碎的育才路，还徘徊过槐蕊初绽的雁博园，更采样过风雪交加的水工楼，与学校一道经历风雨终见“双一流”彩虹，幸甚至哉！值此七十华诞，诗以贺之。

七秩长大·七律

七十光阴弹指间，砥砺前行沐春风。

三校合并谱新篇，两地办学谋长功。

名师荟萃交地环，高徒芬芳水路空。

长大一鸣从此始，直上青云跨彩虹。