近日，广东工业大学环境健康与污染控制研究院、环境科学与工程学院李桂英、安太成教授团队在城市生物气溶胶的污染特征及其健康风险方面取得最新研究进展，研究成果以《The abundance and pathogenicity of microbes in automobile air conditioning filters across the typical cities of China and Europe (https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134459)》为题发表在Journal of Hazardous Materials（2024，472，134459）期刊上。论文第一作者为硕士生苏凯飞，通讯作者为李桂英教授。近年来， 区域性生物气溶胶的污染事件频繁发生，导致一系列呼吸疾病的传播，从而威胁到人体健康。本研究使用汽车空调过滤器(AAC)作为采样器检测了中国和欧洲典型城市空气中微生物的丰度和致病性，阐明了典型城市生物气溶胶的污染特征以及可能存在的健康风险。该研究将引起人们对区域性生物气溶胶污染的关注，并为其预防和控制提供了实践见解。
生物气溶胶是指悬浮在空气中的细菌、病毒、真菌孢子及花粉等生物源颗粒物，其粒径范围从1nm – 100μm，它可以通过肺部和循环系统沉积在身体的各个部位，从而引起单个器官到整个器官系统的并发症，危害人体健康。城市具有人口密集、工业活动频繁等特点，医院、垃圾填埋场、污水处理厂等场所是生物气溶胶的主要来源，因而对于城市生物气溶胶污染特征及其健康风险的关注十分迫切。本工作利用汽车空调过滤器作为采样器检测了中国和欧洲典型城市空气中微生物的丰度和致病性，阐明了典型城市生物气溶胶的污染特征以及可能存在的健康风险。结果发现中国与欧洲城市可培养生物气溶胶的污染水平存在差异(ANOVA，P < 0.01)。中国的可培养生物气溶胶污染比欧洲严重。细菌群落的多样性和丰度高于真菌群落，Mycobacterium和Cladosporium为主要病原菌。中国城市的细菌群落显示出更高的移动遗传元素丰度(13.62%)和生物膜形成能力(6.61%)。环境和社会经济因素塑造了微生物群落结构，AAC中广泛存在的重金属可能影响微生物的生长。
生物气溶胶是一种微小的、具有生物活性的颗粒物，它们悬浮在大气中，主要包括了细菌、真菌、花粉、过敏原、病毒等微生物，其来源包括呼吸、咳嗽、打喷嚏、说话以及某些工业过程等自然和人类活动，由于其体积小和重量轻的物理特性，这些颗粒可以长时间悬浮在空气中，并可以长距离传播从而影响人类健康和环境。城市具有人口密集、工业活动频繁等特点。医院、垃圾填埋场和污水处理厂是生物气溶胶的主要来源，其环境中含有大量的病原菌，它们的释放可能会导致呼吸道疾病的发生，因而对于城市生物气溶胶污染特征的研究和关注十分迫切。生物气溶胶中微生物群落特征由多种因素塑造，包括环境气候因素、社会经济因素等。此外，与大气颗粒物共存的重金属等其他污染物对微生物气溶胶的群落组成、活性和生存能力也有特定影响。据报道，生活在重金属污染地区的微生物对其他刺激物具有很强的耐受性，这是由于它们对环境胁迫的适应策略。然而，受重金属污染的城市中微生物耐受性尚不清楚。因此，为了降低生物气溶胶的健康风险，迫切需要阐明城市生物气溶胶与环境因素、社会因素以及重金属元素之间的关联。本研究使用汽车空调过滤器作为采样器检测了中国和欧洲典型城市空气中微生物的丰度和致病性，阐明了典型城市生物气溶胶的污染特征以及可能存在的健康风险。
我们通过微生物培养法测定了各城市可培养细菌和真菌的浓度。如图Fig 1所示，可培养细菌的平均浓度为：广州>比克勒>慕尼黑>北京>维勒班>里昂，可培养真菌的平均为：广州>比克勒>北京>慕尼黑>里昂>维勒班。其中，广州的可培养细菌和真菌浓度最高（细菌 4.14 ± 2.60 × 10 8 ；真菌 3.50 ± 1.13 × 10 6 CFU/g），里昂空气中可培养细菌和真菌的浓度最低，分别 1.4 ± 0.28×10 2 CFU/g 和 23 ± 4.24CFU/g。总体而言，不同城市环境中可培养生物气溶胶污染水平存在显著差异（ANOVA ，P<0.01），中国城市的可培养生物气溶胶污染程度高于欧洲城市。此外，同一城市中细菌的浓度比真菌高出1~2个数量级，这表明细菌气溶胶更值得关注。
采用扩增子测序技术分析了中国和欧洲的生物气溶胶细菌和真菌群落（图Fig 2）。总体而言，Achromobacter是中国和欧洲的主要细菌属，在广州占据了5.58%的总群落丰度，在北京为11.23%，在里昂为16.77%，在慕尼黑为20.34%，在维勒班为12.38%，在比克勒为19.22%。真菌属中的优势属是Cladosporium，它在里昂占比为30.71％，慕尼黑为24.98％，维勒班为24.98％，比克勒为29.30％。Mycobacterium和Cladosporium分别是是优势致病细菌属和致病真菌属。通过使用Kruskal-Wallis秩和检验，进一步检验了中国和欧洲城市之间的群落差异（图Fig 3）。我们发现这些具有显著性差异的细菌有Achromobacter, Pneumococcus, Rhodococcus, and Sphingomonas；具有显著差异的真菌包括Streptospora, Aspergillus, Epizococcus, Penicillium, and Sphaerotrichium。Acinetobacter在年平均温度高和降水丰富的广州有较高丰度。Alternaria在人口多、面积广和森林覆盖率高的北京有较高丰度水平。这种差异主要可能源于不同的环境和社会因素。
为了更准确地阐明微生物与疾病之间的关系，我们采用了BugBase分析对中国与欧洲城市细菌气溶胶群落的表型进行了预测。如图Fig 4所示，中国细菌气溶胶群落的潜在致病性、含移动遗传组件、氧化应激耐受性和生物膜形成能力的平均相对丰度分别为 9.62%、13.62%、8.97%和 6.61%，而欧洲细菌气溶胶群落的平均相对丰度则分别为 12.44%、7.73%、12.08%和 3.21%，这表明中国与欧洲城市在生物气溶胶潜在致病性和氧化应激耐受性方面差异较小。然而值得注意的是，与欧洲微生物种群相比，中国细菌气溶胶种群显示出更高水平的移动遗传组件丰度，这意味着耐药基因可能会发生水平转移，并导致耐药细菌感染率增加。此外，中国的微生物群落具有快速形成生物膜的显著能力。这有助于它们在具有挑战性的环境中在膜下交换能量和物质，从而提高它们的生存和繁殖能力。
对微生物与环境和社会因素之间的Spearman相关性进行分析，发现大多数细菌/真菌与温度、总产值、城市规划区域、人口、日照时长、经度和森林覆盖率等几个因素之间存在正相关，而与湿度、风速、纬度和海拔高度等因素之间存在负相关（图Fig 5）。这是因为温度是影响微生物生长和释放的主要因素。广州的平均温度较高，这为Acinetobacter、Aeromonas、Pseudomonas和Aspergillus的繁殖和传播创造了更好的环境。在高纬度和高海拔地区，温度较低，并且大多数微生物与纬度/海拔高度呈负相关关系，这与先前的研究结果一致。草、农作物和灌木也是生物气溶胶的重要来源。中国城市中森林覆盖率较高的地区，Paracoccus、Kocuria、Aspergillus和Schizophyllum的丰度增加。高水平的人类活动可能导致生物气溶胶排放增加；在中国（广州和北京）主要是高总产值区、人口密集区和城市规划区，人类活动频繁，生物气溶胶水平较高。Kocuria、Paracoccus、Peroneutypa和Didymella的丰度与湿度成反比。这可能归因于较高的湿度导致空气中颗粒沉降速度增加。此外，风速是影响大气中微生物浓度的主要因素。总的来说，环境和社会因素对真菌群落的影响比细菌群落更显著。一些混淆因素可能影响检测到的微生物的污染特性，包括车辆型号、采样前每辆车行驶的距离以及车主的习惯。这些因素将在未来的研究中予以考虑。
来自废气、轮胎和制动器磨损的重金属很容易附着在 AAC 过滤器上，而接触重金属会导致各种严重的人类疾病，这可能会成为一个很大的问题。通过 Network 共现网络我们分析了重金属与致病细菌的相互作用。如图Fig 6所示，在属水平上，22 种致病细菌与锌、铜、锡、钛、硒、锰、钒、锑存在显著的相关性。这些细菌主要属于Proteobacteria、Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes和Tenericutes，它们与重金属呈反比关系。例如，Salmonella与重金属呈显著负相关。Clostridium_sensu_stricto_1与硒、锡、锑等 5 种重金属呈正向比例。Bordetella与硒和锡有关联。Listeria 与重金属钛有相关关系。上述结果表明，大气中重金属与病原菌共存可能导致生物和化学的双重污染。
在这项研究中，我们使用AAC过滤器探究了中国和欧洲典型城市空气环境中微生物的丰度和致病性。中国与欧洲城市可培养生物气溶胶的污染水平存在差异（ANOVA，P < 0.01）。中国的可培养生物气溶胶污染比欧洲严重。细菌群落的多样性和丰度高于真菌群落，Mycobacterium和Cladosporium为主要病原菌。中国城市的细菌群落显示出更高的移动遗传元素丰度（13.62%）和生物膜形成能力（6.61%）。环境和社会经济因素塑造了微生物群落结构，AAC中广泛存在的重金属影响了微生物的生长。总体而言，这些发现将会引起人们对区域性生物气溶胶污染的关注，并为其预防和控制提供了实用的见解，有助于制定针对性的环境管理和治理政策。但本研究也存在一些局限性。由于混杂因素的潜在偏差，例如汽车品牌、车主的驾驶习惯（例如内外循环空气）、以及车内部环境参数，都可能影响结果。这些因素将纳入未来的研究中，以提供对生物气溶胶污染特征进行更全面的分析。
