北京地区灰霾空气微生物特征及其与灰霾污染物相关性研究

Frequent haze weather events across China are becoming grave threats to human health and national development. Because the haze formation mechanism has not been fully elucidated, especially biological factors, the existing measures are insufficient to effectively deal with haze pollution. As an important component of ecosystem, airborne microbes can cause respiratory diseases and contribute to global climate change and the hydrological cycle, so they are considered as one of the indicators of air quality testing. Our present study focuses on the atmospheric haze pollution. Taking Beijing as the research object for the first time, we carry out systematic study on the concentration and composition of airborne microbes and microbial viability and their correlation with haze pollutants. We expect to establish an comprehensive approach for airborne microbes collection, determine the composition characteristics of microbial community and its correlation with major pollutants, and screen for microbial strains typical of haze pollution. Our research will help to understand the feedback effect of airborne microbes on the haze, lay the theoretical foundation for the mechanisms of haze formation and survival and spreading of airborne microbes, provide approaches and databases for the air quality assessment and haze prevention, and offer new materials for study on the pathogenic mechanism. Our research is of significant importance to the implementation of environment-friendly Beijing, culture-enriched Beijing and technology-empowered Beijing strategy and construction of a harmonious and livable world-class capital.

全国范围内正频繁遭受的灰霾事件严重威胁着人类健康和国家发展。限于灰霾形成机制尤其是生物因素尚不明确，现行措施不足以有效应对灰霾污染。空气微生物作为生态系统的重要组成部分，不仅可引起呼吸系统疾病等，还可影响全球气候变化及水文循环，是空气质量检测的指标之一。本项目聚焦备受瞩目的大气灰霾污染现状，以北京地区为对象首次系统地开展灰霾空气微生物浓度、存活特性、种群组成特征及其与灰霾污染物相关性研究。预期建立一套完善的空气微生物采样方法，明确灰霾空气微生物种群组成特征及其与灰霾主要污染物的相关性，并分离获得灰霾空气特征微生物菌种资源。研究结果将有助于认识空气微生物对灰霾的反馈作用，为灰霾形成及空气微生物存活传播机制的研究奠定理论基础，为空气质量评价及灰霾防治提供方法和数据参考，并为灰霾天疾病发生机制的研究提供新的材料，对人文北京、科技北京、绿色北京战略的实施以及国际一流和谐宜居之都的建设具有重大意义。

近年来全国范围内频发的灰霾污染事件严重威胁着人类的正常生活和社会经济发展。目前虽已初步探明灰霾污染颗粒物的化学组分特征，但对于生物气溶胶的关注相对较少，空气微生物对灰霾的形成及反馈作用尚不清楚。本研究在优化并建立了空气微生物采样、计数及DNA提取方法的基础上，对北京地区的灰霾污染进行了连续三年的跟踪采样，使用Baclight®荧光计数、Illumina HiSeq高通量测序、分离培养及高通量-qPCR技术，对灰霾污染中空气微生物浓度、群落组成、可培养微生物种类、抗生素抗性基因（ARGs）分布情况及其与环境因子的相关性进行了系统研究。获得如下结果：1. 阐明了生物气溶胶浓度随灰霾污染进程的动态变化规律。空气细菌浓度与灰霾污染的消长呈现出一致性的周期波动，在污染形成期细菌浓度显著上升，且与PM2.5、PM10、SO2、NO2浓度及相对湿度呈显著正相关关系，大部分细菌分布在可进入人体呼吸道的较小粒径范围。2. 揭示了灰霾污染空气微生物群落组成特征。霾污染显著改变空气细菌群落结构，降低群落多样性，且随着污染等级的提高而加剧。环境因子PM10、CO及相对湿度是影响群落结构的关键因素。霾污染使Proteobacteria相对丰度显著上升，Actinobacteria的相对丰度下降。3. 首次发现不同季节灰霾污染对空气微生物的影响存在显著差异。相较于秋季及初冬季节的霾污染，深冬季节空气细菌浓度、群落多样性及群落组成对污染的响应较小；且不同季节霾污染中显著富集的微生物种类也存在差异。4. 用TSA和R2A培养基从典型灰霾污染样品中分离获得分属于4个门21个属的空气细菌51株，部分菌株具有一定的氮代谢潜能和重金属耐受性。5. 霾污染天气，空气中总ARGs的丰度变化不大，但氨基糖苷类和β-内酰胺类ARGs的丰度增加，同时检测到了可移动遗传元件，表明空气中ARGs存在水平基因转移的可能性。研究结果为大气环境微生物的研究、空气质量的评价及灰霾污染的有效防治提供了方法和数据参考；分离获得的空气微生物菌株，为进一步了解微生物在大气中的传播策略及机制研究奠定了理论基础。