青島冬季霾天不同粒徑生物氣溶膠中細(xì)菌群落特征研究

馬曼曼,甄 毓*,米鐵柱,祁建華,邵聰聰,馮文榮

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青島冬季霾天不同粒徑生物氣溶膠中細(xì)菌群落特征研究

馬曼曼1,2,3,甄 毓1,2,3*,米鐵柱1,2,3,祁建華1,2,3,邵聰聰1,2,馮文榮1,2,3

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266100；2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266100；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071)

采用Illumina高通量測(cè)序方法對(duì)青島冬季一次霾過(guò)程中大氣生物氣溶膠中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究.測(cè)序獲得的807104條序列以97%的相似水平可劃分為874個(gè)OTUs,其中有344個(gè)OTUs注釋到屬水平.結(jié)果表明,霾發(fā)生時(shí),大氣生物氣溶膠中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性變化顯著.由非霾到重度霾天過(guò)程中,細(xì)菌群落豐富度和多樣性逐漸降低,且細(xì)菌群落豐富度在不同粒徑顆粒物上的差異逐漸減小,多樣性在不同粒徑顆粒物上的差異逐漸增大.非霾天優(yōu)勢(shì)菌屬為假單胞菌屬()、韋榮氏球菌屬()和鞘氨醇單孢菌屬();霾發(fā)生后,優(yōu)勢(shì)菌屬轉(zhuǎn)變?yōu)榍拾贝紗捂呔鷮?).此次霾發(fā)生過(guò)程中,濃度升高的鞘氨醇單孢菌屬()和新檢出的皮生球菌屬()、梭菌屬()、纖毛菌屬()、黃桿菌屬()為條件致病菌,可能存在健康風(fēng)險(xiǎn).

霾；16S rRNA；細(xì)菌；群落結(jié)構(gòu)；健康風(fēng)險(xiǎn)

生物氣溶膠來(lái)源于陸地或水生環(huán)境中各類(lèi)生物活動(dòng)所產(chǎn)生的各種大氣顆粒物[1],是大氣氣溶膠的重要組成部分,對(duì)空氣質(zhì)量、人體健康、全球氣候變化都有著重要影響[2].空氣中的微生物可以菌團(tuán)的形式黏附于不同粒徑的顆粒物,形成微生物氣溶膠[3].細(xì)菌是微生物氣溶膠的重要組成部分,在PM2.5和PM10的生物組分中,細(xì)菌的相對(duì)百分比可達(dá)80%以上[4].霾發(fā)生時(shí),大氣細(xì)顆粒物濃度的升高為微生物提供了大量的附著介質(zhì)[5],大氣中細(xì)菌的濃度與顆粒物濃度呈正相關(guān)[6].王偉等[7]對(duì)西安市秋季灰霾天氣微生物氣溶膠的特性研究表明,灰霾天期間,可培養(yǎng)細(xì)菌與真菌氣溶膠的濃度水平均遠(yuǎn)高于非霾天微生物氣溶膠的濃度值,且出現(xiàn)了非霾天未鑒定出的致病菌擬青霉屬與頭孢霉屬種類(lèi).Cao等[4]對(duì)北京一次嚴(yán)重霧霾期間PM2.5和PM10中可吸入微生物的研究中共鑒別出1300多種微生物,發(fā)現(xiàn)了一些具有過(guò)敏性和致病性的呼吸道微生物序列,它們的相對(duì)豐度隨顆粒污染物濃度的增加而增加.Chandan等[8]從北京2013年1月份的14個(gè)霧霾樣本中檢測(cè)出大量抗生素耐藥性基因,其中包括碳青霉烯類(lèi)抗生素的耐藥性基因.霾污染還可以引起空氣微生物群落結(jié)構(gòu)的改變.武麗婧[9]對(duì)青島及黃海生物氣溶膠中微生物群落多樣性研究表明,霧、霾天氣下生物氣溶膠中微生物優(yōu)勢(shì)菌發(fā)生變化,群落結(jié)構(gòu)比晴朗天氣下更復(fù)雜,多樣性更高.可見(jiàn),特殊天氣下生物氣溶膠的濃度、群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)菌會(huì)發(fā)生很大變化.但關(guān)于特殊天氣下生物氣溶膠群落結(jié)構(gòu)和組成粒徑變化的報(bào)道相對(duì)較少.因此,研究霾發(fā)生時(shí)不同粒徑生物氣溶膠中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的組成與變化對(duì)于全面了解生物氣溶膠的環(huán)境效應(yīng)和人體健康效應(yīng)均有重大意義.

16S rRNA占細(xì)菌RNA總量的80%以上,序列長(zhǎng)度適中,是最常見(jiàn)的生物標(biāo)志物,在微生物的分類(lèi)、系統(tǒng)進(jìn)化和多樣性研究中較為常見(jiàn)[10].基于16S rRNA基因的高通量測(cè)序分析可以在基因水平獲得生物氣溶膠中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)及多樣性特征,已被廣泛應(yīng)用于大氣中細(xì)菌的研究[11-14].

近年來(lái),青島地區(qū)霾污染頻發(fā)[15],為了解霾發(fā)生時(shí)微生物群落結(jié)構(gòu)的變化及其對(duì)空氣質(zhì)量和人體健康的影響,本研究通過(guò)采集青島冬季霾天與非霾天大氣生物氣溶膠樣品,提取細(xì)菌總DNA進(jìn)行16S rRNA擴(kuò)增子高通量測(cè)序分析,探討霾發(fā)生時(shí)不同粒徑細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征與變化,初步評(píng)估了霾發(fā)生時(shí)細(xì)菌對(duì)人體健康的潛在風(fēng)險(xiǎn).

1 材料與方法

1.1 樣品采集

表1 采樣期間嶗山地區(qū)實(shí)時(shí)氣象資料

采樣點(diǎn)位于中國(guó)海洋大學(xué)嶗山校區(qū)教學(xué)樓六區(qū)樓頂(圖1,36°09￠N,120°29￠E),距離地面高度9.0m,距海約7.0km,位置開(kāi)闊,無(wú)人為污染源.采樣時(shí)間為2015年1月7~16日,采樣期間嶗山地區(qū)實(shí)時(shí)氣象資料見(jiàn)表1,其中1月7日空氣質(zhì)量為良,1月15日為輕度霾天,1月16日為重度霾天(分別用FM、QM和ZM代表1月7日、1月15日和1月16日樣品).采用FA-1六級(jí)篩孔撞擊式空氣微生物采樣器(遼陽(yáng)康潔儀器研究所)采樣30min.采樣器6個(gè)粒徑范圍分別為0.65~1.1μm、1.1~2.1μm、2.1~3.3μm、3.3~4.7μm、4.7~7.0μm和大于7.0μm(在本文討論中將這六級(jí)粒徑范圍分別用1~6級(jí)表示).采樣膜為0.22μm的聚碳酸酯膜(北京升河誠(chéng)信膜科技發(fā)展有限公司).采樣器高度1.5m,流量28.3L/min.為防止污染,采樣前將所需的實(shí)驗(yàn)用具在121℃條件下高溫高壓滅菌20min,烘干后置于超凈臺(tái).采樣后,在超凈臺(tái)內(nèi)使用一次性手套和潔凈的不銹鋼鑷子將采樣膜用滅菌烘干的鋁箔包好,-20℃保存.

1.2 樣品處理

1.2.1 細(xì)菌總DNA提取與檢測(cè) 將采樣膜用滅菌過(guò)的剪刀剪碎后置于1.5mL的離心管中,按照DNA提取試劑盒(QIAamp DNAMini Kit)的步驟進(jìn)行細(xì)菌總DNA提取.提取的DNA溶解在100μL的Buffer AE(試劑盒提供)中.利用細(xì)菌16S rDNA引物338F和518R對(duì)提取的DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,之后進(jìn)行2%的瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè)[9],能擴(kuò)增出目的條帶的DNA即為檢測(cè)合格,可用于后續(xù)的高通量測(cè)序分析.將檢測(cè)合格的細(xì)菌總DNA樣本送至上海銳翌生物科技有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序.

1~6:1月7日6個(gè)粒徑空氣微生物,7~12:1月15日6個(gè)粒徑空氣微生物,13~18:1月16日6個(gè)粒徑空氣微生物,19~20:陰性對(duì)照

1.2.2 高通量測(cè)序 以樣品DNA作為PCR反應(yīng)模板,擴(kuò)增16S rRNA基因的V3-V4區(qū).PCR反應(yīng)正反向引物分別為5'-ACTCCTACGGGAG- GCAGCAG和5'-GGACTACHVGGGTWTCTA- AT[16-17].擴(kuò)增后得到425bp的擴(kuò)增片段,檢測(cè)合格后,添加測(cè)序接頭,選用MiSeq2′300測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序.

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 質(zhì)量控制 利用Pandaseq[18]軟件(version 2.9)根據(jù)雙端測(cè)序序列的重疊關(guān)系將成對(duì)的reads拼接成一條序列,得到高變區(qū)的原始序列(raw reads).對(duì)拼接后的序列進(jìn)行質(zhì)控分析(去除平均質(zhì)量低于20和含N堿基數(shù)超過(guò)3個(gè)的reads),獲得有效序列(clean reads).

1.3.2 OTUs和多樣性分析 將拼接的有效序列中的singletons過(guò)濾掉,利用Uparse[19]軟件(version 7.0.1001, http://drive5.com/uparse/)去除嵌合體,并在97%的相似度下對(duì)序列進(jìn)行聚類(lèi),得到用于物種分類(lèi)的OTUs.在保證測(cè)序深度足夠的前提下,對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行均一化處理,以避免樣品數(shù)據(jù)大小不同而造成分析時(shí)的偏差.之后,對(duì)抽平后的序列聚類(lèi)的OTUs進(jìn)行核心微生物(core microbiome)分析、韋恩(Venn)分析和PCA分析.

1.3.3 群落結(jié)構(gòu)組成和相似性分析 從OTUs中挑選出豐度最高的一條序列作為代表序列,與16S rDNA數(shù)據(jù)庫(kù)(Greengenes[20], http: //greengenes.lbl.gov)在90%的相似性下進(jìn)行比對(duì),從而對(duì)OTUs進(jìn)行物種注釋,并根據(jù)每個(gè)OTU中序列的條數(shù)得到OTU分度表,對(duì)物種豐度和熱圖進(jìn)行分析.利用QIIME軟件(version 1.9.0)計(jì)算Alpha多樣性指數(shù)和Beta多樣性指數(shù),進(jìn)行單個(gè)樣品復(fù)雜度和樣品間復(fù)雜度分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 OTUs及多樣性分析

不同空氣質(zhì)量下3組(共18個(gè))不同粒徑樣品,經(jīng)高通量測(cè)序后,將所得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、質(zhì)控和去除嵌合體,共得到807104條序列.根據(jù)Alpha多樣性指數(shù)稀釋曲線(圖3),隨機(jī)抽取27461條序列對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行均一化處理,以97%的相似性水平可聚類(lèi)為874個(gè)OTUs.OTUs數(shù)目最多的為非霾天的1.1~2.1μm粒徑樣品,有281個(gè)OTUs;最少的為非霾天的3.3~4.7μm粒徑樣品,含有76個(gè)OTUs(圖4).非霾天不同粒徑OTUs數(shù)目相差較大,表明非霾天不同粒徑下空氣微生物群落豐富度差異較大.霾天不同粒徑OTUs數(shù)目相差較小且在多個(gè)粒徑級(jí)別上均小于非霾天,表明霾發(fā)生時(shí),空氣微生物群落豐富度減小,且不同粒徑下空氣微生物群落豐富度差異減.

FM1~FM6:1月7日6個(gè)粒徑空氣微生物;QM1~QM6:1月15日6個(gè)粒徑空氣微生物;ZM1~ZM6:1月16日6個(gè)粒徑空氣微生物.

1:0.65~1.1μm,2:1.1~2.1μm,3:2.1~3.3μm,4:3.3~4.7μm, 5:4.7~7.0μm,6:大于7.0μm

非霾天和霾天所有樣品共聚類(lèi)為874個(gè)OTUs,其中非霾天和霾天共有88個(gè)OTUs(圖5),占OTUs總數(shù)的10.1%.非霾天獨(dú)有469個(gè)OTUs,輕度與重度霾天則各獨(dú)有73、54個(gè)OTUs,表明由非霾天到重度霾天的發(fā)展過(guò)程中有大量種類(lèi)細(xì)菌因環(huán)境改變而減少或消失.非霾天與輕度霾天共有124個(gè)OTUs,與重度霾天共有121個(gè)OTUs,而輕度和重度霾天共有209個(gè)OTUs,可見(jiàn)非霾天與霾天細(xì)菌種類(lèi)差別較大,而霾過(guò)程中細(xì)菌種類(lèi)的相似性較高.

表2 非霾天與霾天各粒徑樣品Alpha多樣性指數(shù)

所有樣品的測(cè)序覆蓋度均在99.9%以上,測(cè)序深度基本覆蓋全部物種.由非霾天到重度霾天,樣品的Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)(表2),即隨著霾的加重,大氣細(xì)菌群落豐富度和多樣性逐漸降低.非霾天Chao1指數(shù)各粒徑差異較大(圖6a),而霾天各粒徑差異較小,表明霾的發(fā)生減小了大氣細(xì)菌群落豐富度的粒徑差異.Shannon指數(shù)(圖6b)和Simpson指數(shù)(圖6c)在非霾天各粒徑樣品中均呈現(xiàn)較高的水平,粒徑差異較小;而霾發(fā)生時(shí), Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)的粒徑差異變大,表明霾的發(fā)生改變了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的粒徑差異.本結(jié)果與武麗婧[9]和邵聰聰?shù)萚21]運(yùn)用變性梯度凝膠電泳(denatured gradient gel electrophoresis, DGGE)方法研究得出的青島霾天大氣細(xì)菌群落多樣性高于非霾天不一致,可能的原因是DGGE僅能對(duì)群落中的優(yōu)勢(shì)微生物進(jìn)行分析,而高通量測(cè)序方法則覆蓋度更廣,能較為全面的分析細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[22-23].

根據(jù)對(duì)氣溶膠粗細(xì)粒子粒徑范圍的劃分[24]以及采樣器的粒徑切割范圍,將小于2.1μm的粒徑定義為細(xì)粒徑(1-2號(hào)粒徑),用f表示,大于2.1μm的粒徑定義為粗粒徑(3-6號(hào)粒徑),用c表示.由此可以發(fā)現(xiàn)(圖6d),由非霾天到重度霾天,粗細(xì)粒徑上的細(xì)菌群落豐富度和多樣性都降低.非霾天,粗細(xì)粒徑細(xì)菌群落多樣性均較高且差異不大.輕度霾天,細(xì)粒徑細(xì)菌群落多樣性高于粗粒徑,重度霾天細(xì)粒徑細(xì)菌群落多樣性低于粗粒徑,且輕度與重度霾天樣品多樣性指數(shù)在粗粒徑上變化不大,表明霾發(fā)生時(shí),空氣微生物群落結(jié)構(gòu)在粗粒徑上具有一定穩(wěn)定性.Dong等[25]發(fā)現(xiàn),霾發(fā)生時(shí)粗粒徑上空氣微生物樣品濃度變化不大,與本研究結(jié)果相似.

綜上,由非霾天到重度霾天,大氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,群落豐富度和多樣性逐漸降低.同時(shí),霾的發(fā)生改變了空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的粒徑差異.霾過(guò)程中,微生物群落豐富度的粒徑差異減小,復(fù)雜度和均勻度的粒徑差異增大,且粗粒徑細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有一定穩(wěn)定性.

2.2 大氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成分析

對(duì)OTUs進(jìn)行物種注釋分析,96.1%的OTUs被注釋到門(mén)分類(lèi)水平,39.4%的OTUs被注釋到屬分類(lèi)水平,另有4個(gè)OTUs未獲得注釋信息.在非霾天和霾天的所有粒徑樣品中均存在叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)和鞘氨醇單孢菌屬()兩個(gè)生物類(lèi)群.叢毛單胞菌在環(huán)境中普遍存在[26],而鞘氨醇單孢菌屬也是環(huán)境常見(jiàn)菌屬[27].

分別在門(mén)和屬分類(lèi)水平挑選豐度前10位的物種作微生物類(lèi)群相對(duì)豐度圖(圖7).在門(mén)分類(lèi)水平上(圖7a),霾天與非霾天均含有變形菌門(mén)(Proteobacteria)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)和綠彎菌門(mén)(Chloroflexi),相對(duì)豐度見(jiàn)表3.其中變形菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和放線菌門(mén)為青島冬季空氣細(xì)菌中的優(yōu)勢(shì)菌群[13].門(mén)分類(lèi)水平上霾天與非霾天的獨(dú)有物種見(jiàn)表4,非霾天獨(dú)有11個(gè)菌門(mén),而霾發(fā)生時(shí),獨(dú)有種類(lèi)變?yōu)閂errucomicrobia、Spirochaetes、Tenericutes和Fibrobacteres門(mén),大量種類(lèi)細(xì)菌可能因環(huán)境變化而減少或消失.其中,輕度霾天獨(dú)有疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)和螺旋體門(mén)(Spirochaetes),重度霾天獨(dú)有纖維桿菌門(mén)(Fibrobacteres),均出現(xiàn)在粗粒子中.霾發(fā)生時(shí),各粒徑樣品中變形菌門(mén)(Proteobacteria)的相對(duì)豐度在66.4%~96.1%之間,明顯高于非霾天的情況.

表3 門(mén)分類(lèi)水平共有物種在非霾天與霾天的相對(duì)豐度(%)

表4 門(mén)分類(lèi)水平非霾天與霾天的獨(dú)有物種

表5 屬分類(lèi)水平非霾天與霾天的獨(dú)有物種

在屬分類(lèi)水平上,非霾天獨(dú)有物種53個(gè)(表5),相對(duì)豐度為7.7%,霾天獨(dú)有物種46個(gè),相對(duì)豐度為5.0%,霾的發(fā)生改變了大氣細(xì)菌群落的組成.霾天與非霾天均發(fā)現(xiàn)棒狀桿菌屬()、擬桿菌屬()、鞘氨醇單胞菌屬()和假單胞菌屬()(圖6b),其中棒狀桿菌屬()是北京一次霧霾發(fā)生時(shí)的優(yōu)勢(shì)微生物[4].擬桿菌屬()在北京霧霾、米蘭、紐約生物氣溶膠的研究中均有出現(xiàn),是大氣中的優(yōu)勢(shì)菌屬[4].假單胞菌屬()是青島市區(qū)街道冬季空氣細(xì)菌中的優(yōu)勢(shì)菌屬[13],也是本次研究中非霾天的優(yōu)勢(shì)菌屬.武麗婧[9]運(yùn)用DGGE方法發(fā)現(xiàn)假單胞菌屬是青島霧、霾天氣發(fā)生后的優(yōu)勢(shì)菌屬,與本研究霾發(fā)生后假單胞菌屬豐度降低不一致,可能是因?yàn)楦咄繙y(cè)序方法較之DGGE方法檢測(cè)到的菌種更為豐富.霾發(fā)生時(shí),各粒徑樣品中鞘氨醇單胞菌()相對(duì)豐度明顯升高,最高為重度霾天的0.65~1.1μm粒徑樣品,為92.1%,成為霾天的優(yōu)勢(shì)菌屬,這與邵聰聰[21]采用克隆文庫(kù)方法的研究結(jié)果相一致.有研究發(fā)現(xiàn),鞘氨醇單胞菌可以利用多種復(fù)雜有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝[28],鞘氨醇單胞菌具有特殊的代謝調(diào)控機(jī)制以適應(yīng)環(huán)境條件的變化[27,29].霾天二次有機(jī)氣溶膠濃度的明顯升高[30-32],可能為它的生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)源,導(dǎo)致鞘氨醇單孢菌屬在霾天占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位.

(a)門(mén)分類(lèi)水平微生物類(lèi)群相對(duì)豐度圖(b)屬分類(lèi)水平微生物類(lèi)群相對(duì)豐度圖

在屬分類(lèi)水平與北京冬季大氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征[33]對(duì)比發(fā)現(xiàn),非霾天北京大氣中的優(yōu)勢(shì)菌屬為節(jié)桿菌()、肉食桿菌()和芽孢桿菌(),而青島則為假單胞菌、鞘氨醇單孢菌、韋榮球菌()和芽孢桿菌;霾發(fā)生時(shí),北京大氣中的優(yōu)勢(shì)菌屬為節(jié)桿菌和梭菌(),且梭菌的優(yōu)勢(shì)度隨空氣質(zhì)量的惡化逐漸增加,而青島大氣中的鞘氨醇單孢菌優(yōu)勢(shì)度明顯.

2.3 大氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似性分析

從主成分分析中可以看出(圖8),非霾天與霾天空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異較大,輕度霾天和重度霾天差異較小,說(shuō)明霾發(fā)生時(shí)空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化顯著.非霾天空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)粒徑差異較大,而霾天粒徑差異較小,且隨著空氣質(zhì)量的惡化,粒徑差異逐漸變小.本研究與武麗婧[9]分析的2013年青島霾天、霧天和晴天粗細(xì)粒徑大氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果一致,即霾發(fā)生時(shí),大氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的粒徑差異低于非霾天.霾發(fā)生時(shí),鞘氨醇單孢菌豐度的升高,以及細(xì)菌豐富度和多樣性的降低,導(dǎo)致細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)較之非霾天更為簡(jiǎn)單,可能是大氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)粒徑差異變小的主要原因.

從屬分類(lèi)水平挑選豐度最高的前30個(gè)物種作物種豐度熱圖(圖9).非霾天時(shí),優(yōu)勢(shì)菌屬為假單胞菌屬()、韋榮氏球菌屬()和鞘氨醇單孢菌屬(),霾發(fā)生時(shí),鞘氨醇單孢菌屬()含量明顯高于其它菌屬,是霾天的優(yōu)勢(shì)菌屬.聚類(lèi)結(jié)果顯示,18個(gè)樣品聚為兩大類(lèi),其中輕度霾天的0.65~1.1μm和2.1~3.3μm粒徑與非霾天的樣品聚為一類(lèi),其余霾天樣品聚為一類(lèi).說(shuō)明在屬分類(lèi)水平上,由非霾天到輕度霾天,0.65~ 1.1μm和2.1~3.3μm粒徑群落結(jié)構(gòu)具有一定穩(wěn)定性,輕度霾天與重度霾天細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似性較高.

利用Unifrac距離加權(quán)后對(duì)細(xì)菌群落整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行聚類(lèi)(圖10),18個(gè)樣品共聚為兩大類(lèi),其中非霾天樣品聚為一類(lèi),霾天樣品聚為一類(lèi),說(shuō)明霾發(fā)生后,細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,且霾天細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似性較高.

2.4 健康風(fēng)險(xiǎn)分析

霾發(fā)生過(guò)程中,各種條件致病菌的增加或出現(xiàn)可能會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)健康風(fēng)險(xiǎn).霾發(fā)生時(shí),鞘氨醇單孢菌()的相對(duì)豐度明顯升高.空氣中的鞘氨醇單孢菌(如)能引起哺乳動(dòng)物感染,引發(fā)各種炎癥、敗血癥等感染性疾病[27,29].霾天新檢出了皮生球菌屬、梭菌屬、纖毛菌屬、黃桿菌屬,它們均對(duì)人類(lèi)健康存在潛在威脅.皮生球菌屬()最早從皮膚和水中分離[34],后在海洋沉積物中也有發(fā)現(xiàn)[35-37],其中可引起導(dǎo)管相關(guān)性血流感染[38].梭菌屬()(如)的增長(zhǎng)可增加病毒復(fù)制和疾病風(fēng)險(xiǎn)[39].梭菌屬中的腐敗梭菌、魏氏梭菌、諾氏梭菌及溶組織梭菌等可引起豬惡性水腫病[40],產(chǎn)氣莢膜梭菌為條件致病菌,可引起眼部感染、氣性壞疽等疾病[41-42].纖毛菌屬()可能是男性尿道感染的病原體[43],還可能是新生兒感染的新興病原體[44],可引起化膿性關(guān)節(jié)炎[45].黃桿菌屬()中的細(xì)菌多數(shù)為條件致病菌[46],可引起術(shù)后感染、敗血癥、新生兒腦膜炎、獲得性呼吸道感染等疾病[47-49].

不同粒徑的粒子在呼吸道的沉積不同,粒徑小于10μm的大部分粒子會(huì)沉積在鼻腔內(nèi),可引發(fā)鼻竇炎等上呼吸道疾病,2.5μm以下的細(xì)顆粒物大部分沉積在支氣管,而1μm以下的細(xì)顆粒物則主要沉積在肺部[50].冬季是各種呼吸系統(tǒng)疾病的高發(fā)期[51].Cao等對(duì)北京冬季一次嚴(yán)重霾污染期間PM2.5和PM10中可吸入微生物的研究中發(fā)現(xiàn),PM2.5和PM10中均存在肺炎鏈球菌()、煙曲霉()和人腺病毒屬C型(human adenovirus C)三種致病微生物[4].霾發(fā)生時(shí),不同地區(qū)發(fā)現(xiàn)的致病微生物不同.濟(jì)南冬季重度霾天亞微米生物氣溶膠中鑒定出的細(xì)菌中有43.7%對(duì)人體、動(dòng)物和植物健康有間接作用,包括、和[52].在西安秋季霾天期間,空氣中鑒定出了非霾天未檢測(cè)到的致病菌種奈瑟氏菌屬()、擬青霉屬()與頭孢霉屬()[53].不同粒徑上的微生物群落差異直接影響生物氣溶膠的健康效應(yīng),而以往的研究較少關(guān)注這一點(diǎn).本次研究中,致病菌梭菌存在于2.1~3.3μm粒徑中,皮生球菌存在于3.3~4.7μm粒徑中,纖毛菌存在于大于4.7μm的粒徑中,黃桿菌和鞘氨醇單孢菌存在于所有粒徑中,根據(jù)不同致病菌在不同粒徑中的分布情況,更利于評(píng)估其對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn).

3 結(jié)論

3.1 對(duì)青島冬季一次霾天與非霾天大氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的16S rRNA基因高通量分析結(jié)果表明,霾發(fā)生時(shí),空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性變化顯著.

3.2 非霾天與霾天空氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異較大,輕度霾天和重度霾天差異較小.由非霾到重度霾天過(guò)程中,大氣細(xì)菌群落豐富度和多樣性均降低,不同粒徑之間豐富度差異減小,復(fù)雜度和均勻度差異增大.

3.3 霾發(fā)生過(guò)程中,各種條件致病菌的增加或出現(xiàn)會(huì)給人體健康造成潛在風(fēng)險(xiǎn),但霾天微生物對(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)還需要進(jìn)一步深入研究.由于受各種條件的限制,我們只進(jìn)行了一個(gè)采樣點(diǎn)同一時(shí)段的一次采樣,但本研究是利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)青島霾天大氣細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征及其健康風(fēng)險(xiǎn)的初步探索,可以為今后的研究提供一定依據(jù).

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致謝：感謝中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院李鴻濤同學(xué)在樣品采集以及張玉師姐在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中給予的幫助.

Bacterial community characteristics in different particle sizes of bioaerosols in winter haze days in Qingdao.

MA Man-man1,2,3, ZHEN Yu1,2,3*, MI Tie-zhu1,2,3, QI Jian-hua1,2,3, SHAO Cong-cong1,2, FENG Wen-rong1,2,3

(1.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China；3.Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China)., 2017,37(8)：2855~2865

Airborne bacterial community characteristics in winter haze days in Qingdao were studied using Illumina high-throughput sequencing. 807104 sequences obtained could be divided into 874 OTUs on 97% similarity level, and 344 OTUs were assigned to the genus level. The results showed that the bacterial community structure and diversity in bioaerosols varied significantly when the haze occurred. From non-haze day to severe haze day, both community richness and diversity of airborne bacteria decreased, and the difference of airborne bacterial community richness among particle sizes decreased gradually, while the difference of airborne bacterial community diversity among particle sizes increased gradually. The dominant bacteria in non-haze day were,and, while the dominant bacteria changed intoin haze days. During this haze event,, whose concentration increased, as well as new-detected,,andwere pathogens, may have health risks.

haze；16S rRNA；bacteria；community structure；health risks

X172

A

1000-6923(2017)08-2855-11

馬曼曼(1992-),女,山東東明人,中國(guó)海洋大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)榇髿馕⑸锓肿由鷳B(tài)學(xué).

2017-01-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41375143);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-13-0531)

* 責(zé)任作者, 副教授, zhenyu@ouc.edu.cn