文章信息
第一作者：张良茂
研究进展
城市生活垃圾为病原菌繁殖提供了理想的栖息地，但在这些环境中气载病原菌群落的动态特征和组装模式在很大程度上仍然未知。本研究基于扩增子和宏基因组学测序，与时空采样相结合，研究了厨余垃圾处理厂（FWTPs）空气环境中的潜在病原菌赋存。结果表明：在FWTPs空气环境中，病原菌是总细菌群落的重要组成部分（64.5%±20.6%，n=75)，其种类和相对丰度是城市背景空气环境的2-4倍，且能向周边空气持续贡献病原菌（>50%）。室内气载病原菌群落结构主要受处理环节影响，但在不同季节（夏季vs.冬季）和粒径（PM2.5 vs. PM10）之间是保守的。值得注意的是，以约氏不动杆菌（Acinetobacter johnsonii）为主的优势病原菌（即与生物膜相关的物种）不仅具备高水平的气溶胶化潜力，且它们在中性模型里始终占据上层优势生态位，这强调了它们的持久性暴露风险。病原菌群落组装主要受随机过程主导（58.8% ~ 96.8%），而环境变量仅能解释少部分的群落变异（3.4% ~ 28.7%）。此外，随机过程的相对重要性沿室外-室内梯度明显增加（84.9% - 96.5% vs. 71.3% - 76%），这可能与室内人为活动削弱微生物网络稳定性和环境过滤作用有关。总体而言，这项工作增强了我们对城市生活垃圾处理中气载病原菌群落的动态行为和健康风险的认知，并强调了FWTPs在传播气载病原体中关键作用。
图1 图文摘要
如图2所示，不同室内环境下的病原菌群落组成存在显著性差异（图2-c和图4），但同一室内环境在不同颗粒物类型（图2-a）和季节（图2-b）上却几乎维持着相似的群落特征（包括组成和丰富度）。同时，与室内空气相比，FWTPs相应室外空气中的病原菌群落出现了明显的变化（图2-d），其病原菌的相对丰度占比变小，但种类在增加（图3-b）。通过对室外样品中的病原菌进行溯源发现（图3-c和3-e），室内空气向相应的周边空气环境平均贡献了超过50%病原菌（WX: 63.5%；LG: 51.2%），且与室外空气之间存在着广泛的共享菌群（大于50%）。特别提及的是，无论是处理厂的室内还是室外空气，其病原菌的种类及相对丰度要均高于远离处理厂的空气样品（图3-b）。进一步，考虑到16s序列在种水平上进行分类学解析的局限性，宏基因组学方法验证了优势病原菌在厨余垃圾-空气环境中的存在情况。约67种优势病原菌（占比89.3%）在宏基因组比对结果中得到了证实，这些优势菌的平均丰度占比达到了94.2%，并且对于其中高丰度的病原菌（如Acinetobacter johnsonii、Ralstonia pickettii、Nocardiopsis dassonvillei等），在不同室内监测点也得到了比较相似的组成和丰度（图3-d）。
图5 气载病原菌群落塑造机制
总体而言，本研究揭示了实际厨余垃圾处理厂中气载病原菌群落的动态和组装模式，这为制定控制和评估相关生物风险的策略提供了有益的起点。我们观察到气载病原菌在FWTPs-空气环境中非常普遍，并且可以由室内大量迁移到室外环境中。此外，尽管病原菌群落组装受随机过程控制，但以约氏不动杆菌为主的病原菌（即与生物膜相关的物种）可以作为生态位优势物种，在不同监测点中持续存在。值得注意的是，与室外空气相比，随机过程在塑造室内病原菌群落组装方面的作用更大，这增加了预测工程环境中气载病原菌动态的难度。因此，迫切需要进一步开展包括深度采样和高通量病原菌鉴定方法在内的研究，以全面了解FWTPs中的气载病原菌污染特征。
作者介绍
谢冰，教授，博导，主要研究有机废弃物、废水的污染控制和资源化、环境中新污染物迁移转化及控制等。现为上海有机固废生物转化工程技术研究中心主任。主持国家重点研发计划项目和国家自然科学基金等60余项。共计发表ES&T、WR等国内外学术论文230余篇，入选全球前2%顶尖科学家，全球学者库全球顶尖前10万科学家。曾获上海市科技进步一等奖及自然科学二等奖等奖励。
通讯邮箱：bxie@des.ecnu.edu.cn
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