空氣微生物無處不在，主要包括細菌、真菌和病毒等，是大氣生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，對維持大氣生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能具有重要意義?？諝馕⑸镏胁粌H包含有益微生物，也潛在大量威脅人類健康的病原微生物。因此，全面深入揭示空氣微生物在空氣中的分布特征及演替規(guī)律，對提高空氣質(zhì)量、保障人們健康及國家生物安全具有至關(guān)重要的作用。本文系統(tǒng)地闡釋了空氣微生物來源、分布特征及其影響因素、病原微生物種類及潛在健康風(fēng)險，有助于更好地認識空氣微生物污染及其健康風(fēng)險，為空氣微生物污染防控和人類健康保障及生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。
空氣微生物無處不在，多以附著于顆粒物的形式存在，主要包括細菌、真菌、病毒及放線菌等。它們來源廣泛(圖1)：自然源包括土壤、淡水和海洋、植物等；人為源包括人體皮膚、唾沫、動物飼養(yǎng)、工業(yè)生產(chǎn)、污水處理以及交通車輛尾氣排放等。空氣微生物可定殖于人體皮膚、消化道和呼吸道黏膜等，影響人類健康。研究表明，城市空氣微生物多樣性低是造成城市兒童患哮喘率顯著高于農(nóng)村兒童的重要原因。芬蘭科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，暴露于多樣性高的空氣微生物中可增強兒童的免疫力?？諝馕⑸锬芤灶w粒物等作為載體進行長距離傳播，引發(fā)多點間人和動物的交叉病原微生物感染，造成更多人員疾病。
空氣中潛在的病原微生物不僅能夠直接感染人類造成疾病，而且可以間接通過威脅糧食安全及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定威脅人類健康。例如，空氣粉塵中的植物病原體威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全；跨洋和跨大陸的沙塵可以將病原微生物從源頭轉(zhuǎn)移到數(shù)千公里以外的地方，對生態(tài)系統(tǒng)造成顯著干擾，進而威脅人類健康。綜上所述，空氣微生物已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點，在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、保障糧食安全及人類健康方面發(fā)揮著重要作用。因此，本文系統(tǒng)闡述了空氣微生物的來源、分布特征及其影響因素，同時探討了空氣中病原微生物種類及其潛在健康風(fēng)險，在此基礎(chǔ)上對空氣微生物領(lǐng)域未來研究方向和前景提出展望，為空氣微生物污染防控和空氣質(zhì)量提升提供理論依據(jù)，對保障和促進人類健康具有深遠意義。
圖1空氣微生物來源圖
1空氣微生物群落組成
空氣中微生物組成十分豐富。據(jù)估計，自然界中大約有4萬種細菌、150萬種真菌和13萬種病毒，其中優(yōu)勢細菌屬為芽孢桿菌屬(Bacillus)、微球菌屬(Micrococcus)和葡萄球菌屬(Staphylococcus)等，優(yōu)勢真菌屬為枝孢菌屬(Cladosporium)、交鏈孢菌屬(Alternaria)和青霉菌屬(Penicillium)等。目前對空氣病毒的研究仍十分缺乏。
1.1空氣細菌主要的種類、來源
空氣中細菌濃度大約為101?107 CFU/m3。通過培養(yǎng)方法從空氣中分離得到的細菌以革蘭氏陽性菌為主。然而，Xue等研究發(fā)現(xiàn)，沿海空氣中可培養(yǎng)細菌主要為革蘭氏陰性菌，如流感嗜血桿菌(Haemophilus influenzae)、假交替單胞菌屬(Pseudoalteromonas)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)等。關(guān)于海洋空氣中空氣細菌的來源，Li等研究表明，細菌和其他初級生物顆?？梢酝ㄟ^破碎波浪中的氣泡破裂，從而由海洋表面微層(sea-surface microlayer,SML)釋放到大氣中，相對于SML中的濃度，海霧氣溶膠中的細菌濃度可以顯著富集。
隨著分子生物學(xué)及高通量測序技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究學(xué)者關(guān)注空氣細菌群落組成及其影響因素。大量研究表明，變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)
和擬桿菌門(Bacteroides)在空氣細菌群落組成中占主導(dǎo)地位。雖然如此，空氣微生物群落組成仍存在顯著的時空差異，細菌的濃度、多樣性、大小分布和優(yōu)勢種會隨時間和空間的變化而變化。最新研究表明，廈門市細菌絕對豐度在冬季顯著高于夏季，公園的空氣細菌絕對豐度最低，工業(yè)區(qū)的空氣細菌絕對豐度最高。在不同季節(jié)和不同城市化程度區(qū)域，Li等研究發(fā)現(xiàn)，空氣微生物中致病細菌也存在明顯差異，病原微生物占總細菌的比例在夏季顯著高于春季，城市化顯著增加了潛在致病性物種的相對豐度，特別是在醫(yī)院附近。此外，Zhai等研究表明，細菌暴露水平主要與人體口腔、室內(nèi)人體皮膚以及室外風(fēng)、溫度、相對濕度等多種因素相關(guān)，因此，細菌組成與具體環(huán)境密切相關(guān)(表1)，城市環(huán)境中常檢測到的是鏈霉菌屬(Streptomyces)、微球菌屬(Micrococcus)和考克氏菌屬(Kocuria)；在小學(xué)教室中占主導(dǎo)地位的優(yōu)勢細菌屬是水棲菌屬(Enhydrobacter)、鏈球菌屬(Streptococcus)和微球菌屬(Micrococcus)；污水處理廠中主要是葡萄球菌屬(Staphylococcus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和假單胞菌屬(Pseudomonas)；在地鐵站常檢測到副球菌屬(Paracoccus)、鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)和考克氏菌屬(Kocuria)；在室內(nèi)多用途設(shè)施(公共洗浴設(shè)施、商務(wù)辦公室、美食廣場)和公共交通設(shè)施(機場、火車站)、醫(yī)院和家禽養(yǎng)殖場等空氣中的優(yōu)勢細菌屬只有細微的差別。然而，目前的研究多以單一時間采樣為主，缺乏時間尺度高分辨率的連續(xù)采集及分析，不能更好地了解微生物群落的時序變化，因此，后續(xù)我們應(yīng)該著重關(guān)注高時間分辨率系統(tǒng)性的研究。
表1不同研究環(huán)境中優(yōu)勢細菌屬和真菌屬
1.2空氣真菌主要的種類、來源
真菌種類繁多，約150萬種，但其通常只占所有空氣微生物的小部分。真菌病原體和過敏原在空氣中無處不在，相較于細菌，真菌暴露與過敏及哮喘具有更加緊密的聯(lián)系。Fr?hlich-Nowoisky等發(fā)現(xiàn)，空氣中的真菌大小不一，粗顆粒物中植物病原體較多，可吸入細顆粒物中人類病原體和過敏原較多，并且在粗顆粒物和細顆粒物之間檢測到真菌群落結(jié)構(gòu)和組成存在顯著性差異。例如，一些植物病原體僅在或主要在粗顆粒樣品中發(fā)現(xiàn)，如布氏白粉菌(Blumeria graminis)和銹菌屬(Puccinia spp.)；而一些人類病原體僅在細顆粒樣品中檢測到，如熱帶念珠菌(Candida tropicalis)和Wallemia spp.。
枝孢菌屬(Cladosporium)、曲霉菌屬(Aspergillus)和青霉菌屬(Penicillium)在空氣真菌群落中占主導(dǎo)地位，然而季節(jié)變化會導(dǎo)致微生物的聚集、組成和相互作用發(fā)生改變，真菌群落在夏季表現(xiàn)出比冬季更高的異質(zhì)性。在不同條件下導(dǎo)致過敏的真菌物種豐度在秋季達到峰值，而真菌病原體的相對豐度在春季最高；室外真菌豐度冬季高于夏季，而室內(nèi)則相反。在不同地區(qū)，由于來源、氣象條件、土地利用類型和人為活動的不同，真菌群落的多樣性具有顯著差異(表1)，在城市環(huán)境下檢測到的是裂褶菌屬(Schizophyllum)、炭角菌屬(Xylaria)和隱球菌屬(Cryptococcus)；在小學(xué)教室中占主導(dǎo)地位的優(yōu)勢真菌屬為枝孢菌屬(Cladosporium)、栓菌屬(Trametes)和短梗霉屬(Aureobasidium)；地鐵站主要是枝孢菌屬(Cladosporium)、球腔菌屬(Mycosphaerella)、薄孔菌屬(Antrodia)；家禽養(yǎng)殖場常檢測到的是鐮刀菌屬(Fusarium)、珊瑚菌屬(Clavaria)和紅酵母屬(Rhodotorula)；在室內(nèi)多用途設(shè)施(公共洗浴設(shè)施、商務(wù)辦公室、美食廣場)、公共交通設(shè)施(機場、火車站)、污水處理廠、醫(yī)院等空氣中的優(yōu)勢真菌屬有細微的差別。因此研究空氣中真菌的多樣性可以為微生物感染的控制和監(jiān)測提供參考。
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