兰州市室外PM2.5污染与大气霉菌气溶胶浓度关系探究

陈 锷，刘恩丽，马 进，张 娟，牛鹤瑞，李小燕，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)

1 引言

霉菌气溶胶是生物气溶胶的重要组分，而生物气溶胶又是大气气溶胶的重要组成部分[1]，在近地表大气层中无处不在，甚至部分霉菌作为云凝结核，一定程度上影响着大气环境质量[2～4]，其在大气环境中不断随着悬浮颗粒物扩散、迁徙、增殖，并且伴随着呼吸作用深入人体或动植物体内，进而引起人类急、慢性疾病和动、植物疾病等[5～10]，大气霉菌气溶胶对人类健康的危害程度与其来源、种类、浓度等有很大关系[12～16]。大气霉菌气溶胶主要附着在悬浮颗粒物上，影响着人体呼吸道健康[17]，因而研究大气霉菌气溶胶浓度与颗粒物关系对维护人类健康和环境污染治理具有十分重要的理论和现实意义。兰州市作为丝绸之路重要的节点城市，也是河西走廊地区沙尘暴迁徙的必经通道，同时也是国家战略规划的重要工业基地，对其化学污染物、大气污染物颗粒物研究较多[18～21]，但作为传播呼吸道疾病介质的大气霉菌气溶胶，对其在不同季节、不同环境功能区范围内污染状况及分布特征较少有报道[13,22]。因此，在兰州市室外区域选取不同城市环境功能区对其PM2.5污染与室外大气中霉菌气溶胶浓度分布特征进行研究，有助于阐释兰州市大气污染状况变化规律，并对PM2.5污染中的霉菌等生物性组分对人体健康影响评估提供依据。

2 方法

2.1 采样地点及时间

采样地点选取自然保护区、交通密集区、医疗区和科教区4个不同环境功能区点位，即：0#兴隆山自然保护区烈士陵园(作为背景点位，以下简称“兴隆山”)、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”)和3#兰州大学前广场(以下简称“兰大”)，在上述环境功能区各选取1个检测样点。2014年春季、2018年夏季、秋季、冬季，在每个季节选取气象状况相近或相类似的天数，连续取样3 d，分别在每天上午时段(9:00～11:00)和下午时段(14:00～16:00)，在兴隆山、火车站、省医院、兰大4个环境功能区检测样点采集大气霉菌气溶胶样品，样品采集数为144个，对上午、下午时段检测结果归纳后，分析不同环境功能区大气霉菌气溶胶浓度的日变化分布特征。需要说明的是，春季大气霉菌气溶胶采集时间与夏、秋、冬季采样时段不在同一年度，仅作为不同季节采集的大气霉菌气溶胶样本进行对比分析。兰州市室外区域不同环境功能区大气霉菌气溶胶取样点位见图1。

图1 兰州市大气霉菌气溶胶监测点位分布

2.2 采样及样品培养

采集大气霉菌气溶胶的仪器为安德森(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”)，根据可捕获范围分成六级，其采用惯性撞击原理，将悬浮于大气中的霉菌气溶胶粒子按照捕获范围差异分别收集于不同层级培养皿表面。主要技术参数见表1。

表1 微生物采样器主要技术参数

为了采集样品具有代表性，选择无雨雪且相对静风天气状况下进行样品采集工作，样品采集高度距离地面约1.5 m处，采集流量为28.3 L/min，用含高盐察氏培养基培养基(购自青岛日水生物技术有限公司)的玻璃培养皿(直径9 cm)进行采样，采样时间25 min[23]，采集后的霉菌气溶胶样品置于30 ℃±0.5 ℃恒温恒湿培养箱内，倒置培养120 h后，对各采样层级培养皿上的霉菌菌落进行计数、分离及纯化。计数用培养皿均经无菌试验合格后使用。霉菌气溶胶培养样品见图2。

图2 采集培养后的霉菌气溶胶样品

2.3 大气细菌气溶胶粒径计算与统计

2.3.1 采样层级大气细菌气溶胶粒径百分计算

捕获样品的培养皿倒置在30 ℃±0.5 ℃恒温恒湿培养箱中120 h，计算各层级培养皿上的菌落数，一个菌落既是一个菌落形成单位(CFU，Colony-Forming Units)。以每立方米大气中所含菌落数量表示大气霉菌气溶胶菌落浓度，计算公式如下：

n=(N×1000)/(t×V)

(1)

式(1)中：n为大气霉菌气溶胶菌落浓度，CFU/m3；N为各层级培养皿菌落总数，CFU；t为采样时间，min；V为空气流量，L/min。

各层级霉菌气溶胶粒子百分比：

P=N/T×100%

(2)

式(2)中，P为各层级不同粒径大气霉菌气溶胶百分比(%)；N为该层级大气霉菌气溶胶菌落数量，CFU；T为各层级大气霉菌气溶胶总菌落数量，CFU。

2.3.2 数据统计与分析

采用Microsoft Excel2010对采集数据进行统计处理。

3 结果与讨论

3.1 不同环境功能区大气霉菌气溶胶浓度季节性日际变化

由图3和图4可以看出，一年四季中自然保护区(兴隆山)、交通密集区(火车站)、医疗区(省医院)和科教区(兰大)4个环境功能区上、下午时段大气霉菌气溶胶浓度存在差异。上述4个环境功能区采样点位大气霉菌气溶胶浓度基本表现为上午时段浓度较下午时段高的态势，这可能与一天当中不同时段太阳辐射有关，一定程度上降低了大气中的霉菌气溶胶数量，从上午时段至下午时段，呈现出大气霉菌气溶胶浓度随着太阳辐射增强而逐渐降低的趋势，其它研究人员[24～26]也得出过类似结果。

后缀法：“词根+后缀”。 如：-meter“计量仪器”，可后缀派生出 barometer气压计,telemeter测距仪,spectrometer分光仪,oscilloscope示波器等多个新词。

从图3春季不同环境功能区大气霉菌气溶胶浓度日际变化分布来看，上午时段大气霉菌气溶胶浓度从高到低排序是：兰大>省医院>兴隆山>火车站；下午时段大气霉菌气溶胶浓度从高到低排序为：兴隆山>省医院>兰大>火车站。夏季各功能区大气霉菌气溶胶浓度上午时段从高到低排序是：省医院>火车站>兰大>兴隆山；下午时段大气霉菌气溶胶浓度从高到低排序为：兰大>火车站>省医院>兴隆山。

图3 春季和夏季不同环境功能区大气霉菌气溶胶浓度日变化特征

图4显示秋季不同功能区大气霉菌气溶胶浓度日际变化，上午时段从高到低排序是：火车站>兰大>省医院 >兴隆山；下午时段大气霉菌气溶胶浓度从高到低排序为：兴隆山>省医院>兰大>火车站。冬季不同功能区大气霉菌气溶胶浓度日变化来看，上午时段从高到低排序是：省医院>兴隆山>火车站>兰大；下午时段大气霉菌气溶胶浓度大小排序为：兰大>省医院>兴隆山>火车站。

图4 秋季和冬季不同环境功能区大气霉菌气溶胶浓度日变化特征

此外，从不同季节不同环境功能区大气霉菌气溶胶浓度日变化来看，各个环境功能区整体呈现出霉菌气溶胶浓度春、秋季较夏、冬季高的趋势，说明太阳辐射强度和气温可能是影响兰州市室外大气霉菌气溶胶浓度分布的重要因素。

如表2所示，在一年四季研究期上午时段：兴隆山、火车站、省医院和兰大4个环境功能区的大气霉菌气溶胶平均浓度均呈现春、秋季高于夏、冬季的趋势，推测春季和秋季的气候状况适宜大气中霉菌气溶胶的繁殖，夏季太阳辐射强，冬季气温低，两个季节特定的环境要素一定程度上限制了霉菌气溶胶的繁殖。春季省医院和兰大大气霉菌气溶胶浓度大体相当，约为240 CFU/m3，较兴隆山浓度高1.06倍，而火车站点位却比兴隆山点位低1.17倍。夏季和秋季火车站、省医院和兰大点位的霉菌气溶胶浓度较兴隆山点位大体分别均高2.5倍和1.2倍；冬季火车站和兰大点位浓度大体相当，均低于兴隆山点位1.18倍，而省医院浓度却高于兴隆山点位1.2倍。一年四季上午时段火车站、兰大点位霉菌气溶胶浓度均出现高于或低于兴隆山点位的状况，但省医院点位大气霉菌气溶胶浓度却始终高于兴隆山点位，说明医疗区周边的大气霉菌气溶胶污染状况相对较严重，索继江等[27]也得出过类似研究结果，因此开展医院周边及病房环境大气微生物气溶胶污染研究显得十分必要。

表2 不同季节各环境功能区大气霉菌气溶胶浓度日变化分布特征

在一年研究期间的下午时段：兴隆山、省医院大气霉菌气溶胶平均浓度春、秋季高于夏、冬季；而火车站、兰大点位浓度则是夏、秋季高于春、冬季，在夏季和秋季下午时段火车站、兰大点位外环境中人员流动量较春季和冬季大，加速了大气中霉菌气溶胶扩散和传播，Quan Zhen[28]等也曾得出类似的研究结果。春季火车站、省医院和兰大点位大气霉菌气溶胶浓度均为较兴隆山低，分别低3.29倍、2.32倍和2.67倍；夏季火车站、省医院和兰大点位浓度分别较兴隆山点位高2.6倍、2.24倍和3.82倍，秋季火车站、省医院和兰大点位浓度大体相当，约140 CFU/m3，均较兴隆山浓度低1.22倍；冬季火车站点位浓度较兴隆山点位低1.33倍，而省医院和兰大的霉菌气溶胶浓度则分别较兴隆山浓度高1.2倍、1.46倍。造成上述差异的原因，推测可能由于春季和秋季自然风景区兴隆山点位自然状态的真菌(含霉菌)孢子易随风飘散、传播，夏季下午时段其他3个功能区人员逗留时间长、流动量较大，因此其霉菌气溶胶浓度较兴隆山点位高，而在冬季下午时段火车站外环境人员活动时长和范围有限，省医院属医疗区霉菌气溶胶污染相对较重，例外的是兰大点位较高，原因待进一步研究。

综上所述，兴隆山点位上午时段和下午时段大气霉菌气溶胶平均浓度由高到低季节性排序均为春季>秋季>冬季>夏季；火车站点位上午时段霉菌气溶胶平均浓度季节性排序为秋季>春季>冬季>夏季，下午时段秋季>夏季>春季>冬季；省医院点位上午时段大气霉菌气溶胶浓度由高到低季节性排序为春季>秋季>冬季>夏季，下午时段秋季>春季>冬季>夏季；兰大点位上午时段大气霉菌气溶胶浓度由高到低季节性排序为春季>秋季>冬季>夏季，下午时段秋季>夏季>冬季>春季。

表3 不同季节不同环境功能区PM2.5浓度日变化分布特征

图5 大气霉菌气溶胶浓度与PM2.5浓度相关系数

4 结论

(1)一年四季中兴隆山、火车站、省医院和兰大四个环境功能区大气霉菌气溶胶浓度日变化状况存在差异，其中春季上午时段大气霉菌气溶胶浓度大小排序为：兰大>省医院>兴隆山>火车站；下午时段：兴隆山>省医院>兰大>火车站。夏季霉菌气溶胶浓度上午时段大小排序是：省医院>火车站>兰大>兴隆山；下午时段排序为：兰大>火车站>省医院>兴隆山。秋季上午时段从高到低排序是：火车站>兰大>省医院 >兴隆山；下午时段：兴隆山>省医院>兰大>火车站。冬季上午时段大气霉菌气溶胶浓度大小排序是：省医院>兴隆山>火车站>兰大；下午时段：兰大>省医院>兴隆山>火车站。

(2)不同环境功能区大气霉菌气溶胶平均浓度在上午时段(9:00～11:00)：兴隆山、火车站、省医院和兰大四个环境功能区呈现春、秋季高于夏、冬季的趋势；春季火车站点位较兴隆山低1.17倍，省医院和兰大霉菌气溶胶浓度大体相当，约为240 CFU/m3，较兴隆山浓度高1.06倍；夏季和秋季火车站、省医院和兰大点位的霉菌气溶胶浓度较兴隆山点位大体分别均高2.5倍和1.2倍；冬季火车站和兰大点位浓度大体相当，均低于兴隆山点位1.18倍，而省医院浓度却高于兴隆山点位1.2倍。在下午时段(14:00～16:00)：兴隆山、省医院大气霉菌气溶胶平均浓度春、秋季高于夏、冬季；而火车站、兰大点位浓度则是夏、秋季高于春、冬季。春季火车站、省医院和兰大点位大气霉菌气溶胶浓度均为较兴隆山低，分别低3.29倍、2.32倍和2.67倍；夏季火车站、省医院和兰大点位浓度分别较兴隆山点位高2.6倍、2.24倍和3.82倍，秋季火车站、省医院和兰大点位浓度大体相当，约140 CFU/m3，均较兴隆山浓度低1.22倍。冬季火车站点位浓度较兴隆山点位低1.33倍，而省医院和兰大的霉菌气溶胶浓度则分别较兴隆山浓度高1.2倍、1.46倍。

(3)兰州市室外区域中PM2.5污染与大气霉菌气溶胶浓度关联性并不显著，这可能与样品采集频次、PM2.5测试位置及其他因素有关。