蘭州市室外PM2.5污染與大氣霉菌氣溶膠濃度關(guān)系探究

陳 鍔，劉恩麗，馬 進(jìn)，張 娟，牛鶴瑞，李小燕，李文杰

(1.甘肅省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730020)

1 引言

霉菌氣溶膠是生物氣溶膠的重要組分，而生物氣溶膠又是大氣氣溶膠的重要組成部分[1]，在近地表大氣層中無(wú)處不在，甚至部分霉菌作為云凝結(jié)核，一定程度上影響著大氣環(huán)境質(zhì)量[2～4]，其在大氣環(huán)境中不斷隨著懸浮顆粒物擴(kuò)散、遷徙、增殖，并且伴隨著呼吸作用深入人體或動(dòng)植物體內(nèi)，進(jìn)而引起人類(lèi)急、慢性疾病和動(dòng)、植物疾病等[5～10]，大氣霉菌氣溶膠對(duì)人類(lèi)健康的危害程度與其來(lái)源、種類(lèi)、濃度等有很大關(guān)系[12～16]。大氣霉菌氣溶膠主要附著在懸浮顆粒物上，影響著人體呼吸道健康[17]，因而研究大氣霉菌氣溶膠濃度與顆粒物關(guān)系對(duì)維護(hù)人類(lèi)健康和環(huán)境污染治理具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。蘭州市作為絲綢之路重要的節(jié)點(diǎn)城市，也是河西走廊地區(qū)沙塵暴遷徙的必經(jīng)通道，同時(shí)也是國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃的重要工業(yè)基地，對(duì)其化學(xué)污染物、大氣污染物顆粒物研究較多[18～21]，但作為傳播呼吸道疾病介質(zhì)的大氣霉菌氣溶膠，對(duì)其在不同季節(jié)、不同環(huán)境功能區(qū)范圍內(nèi)污染狀況及分布特征較少有報(bào)道[13,22]。因此，在蘭州市室外區(qū)域選取不同城市環(huán)境功能區(qū)對(duì)其PM2.5污染與室外大氣中霉菌氣溶膠濃度分布特征進(jìn)行研究，有助于闡釋蘭州市大氣污染狀況變化規(guī)律，并對(duì)PM2.5污染中的霉菌等生物性組分對(duì)人體健康影響評(píng)估提供依據(jù)。

2 方法

2.1 采樣地點(diǎn)及時(shí)間

采樣地點(diǎn)選取自然保護(hù)區(qū)、交通密集區(qū)、醫(yī)療區(qū)和科教區(qū)4個(gè)不同環(huán)境功能區(qū)點(diǎn)位，即：0#興隆山自然保護(hù)區(qū)烈士陵園(作為背景點(diǎn)位，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“興隆山”)、1#火車(chē)站前廣場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“火車(chē)站”)、2#甘肅省人民醫(yī)院前廣場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“省醫(yī)院”)和3#蘭州大學(xué)前廣場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“蘭大”)，在上述環(huán)境功能區(qū)各選取1個(gè)檢測(cè)樣點(diǎn)。2014年春季、2018年夏季、秋季、冬季，在每個(gè)季節(jié)選取氣象狀況相近或相類(lèi)似的天數(shù)，連續(xù)取樣3 d，分別在每天上午時(shí)段(9:00～11:00)和下午時(shí)段(14:00～16:00)，在興隆山、火車(chē)站、省醫(yī)院、蘭大4個(gè)環(huán)境功能區(qū)檢測(cè)樣點(diǎn)采集大氣霉菌氣溶膠樣品，樣品采集數(shù)為144個(gè)，對(duì)上午、下午時(shí)段檢測(cè)結(jié)果歸納后，分析不同環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度的日變化分布特征。需要說(shuō)明的是，春季大氣霉菌氣溶膠采集時(shí)間與夏、秋、冬季采樣時(shí)段不在同一年度，僅作為不同季節(jié)采集的大氣霉菌氣溶膠樣本進(jìn)行對(duì)比分析。蘭州市室外區(qū)域不同環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠取樣點(diǎn)位見(jiàn)圖1。

圖1 蘭州市大氣霉菌氣溶膠監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布

2.2 采樣及樣品培養(yǎng)

采集大氣霉菌氣溶膠的儀器為安德森(Andersen)六級(jí)篩孔撞擊式空氣微生物采樣器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“微生物采樣器”)，根據(jù)可捕獲范圍分成六級(jí)，其采用慣性撞擊原理，將懸浮于大氣中的霉菌氣溶膠粒子按照捕獲范圍差異分別收集于不同層級(jí)培養(yǎng)皿表面。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 微生物采樣器主要技術(shù)參數(shù)

為了采集樣品具有代表性，選擇無(wú)雨雪且相對(duì)靜風(fēng)天氣狀況下進(jìn)行樣品采集工作，樣品采集高度距離地面約1.5 m處，采集流量為28.3 L/min，用含高鹽察氏培養(yǎng)基培養(yǎng)基(購(gòu)自青島日水生物技術(shù)有限公司)的玻璃培養(yǎng)皿(直徑9 cm)進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間25 min[23]，采集后的霉菌氣溶膠樣品置于30 ℃±0.5 ℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱內(nèi)，倒置培養(yǎng)120 h后，對(duì)各采樣層級(jí)培養(yǎng)皿上的霉菌菌落進(jìn)行計(jì)數(shù)、分離及純化。計(jì)數(shù)用培養(yǎng)皿均經(jīng)無(wú)菌試驗(yàn)合格后使用。霉菌氣溶膠培養(yǎng)樣品見(jiàn)圖2。

圖2 采集培養(yǎng)后的霉菌氣溶膠樣品

2.3 大氣細(xì)菌氣溶膠粒徑計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

2.3.1 采樣層級(jí)大氣細(xì)菌氣溶膠粒徑百分計(jì)算

捕獲樣品的培養(yǎng)皿倒置在30 ℃±0.5 ℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱中120 h，計(jì)算各層級(jí)培養(yǎng)皿上的菌落數(shù)，一個(gè)菌落既是一個(gè)菌落形成單位(CFU，Colony-Forming Units)。以每立方米大氣中所含菌落數(shù)量表示大氣霉菌氣溶膠菌落濃度，計(jì)算公式如下：

n=(N×1000)/(t×V)

(1)

式(1)中：n為大氣霉菌氣溶膠菌落濃度，CFU/m3；N為各層級(jí)培養(yǎng)皿菌落總數(shù)，CFU；t為采樣時(shí)間，min；V為空氣流量，L/min。

各層級(jí)霉菌氣溶膠粒子百分比：

P=N/T×100%

(2)

式(2)中，P為各層級(jí)不同粒徑大氣霉菌氣溶膠百分比(%)；N為該層級(jí)大氣霉菌氣溶膠菌落數(shù)量，CFU；T為各層級(jí)大氣霉菌氣溶膠總菌落數(shù)量，CFU。

2.3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel2010對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度季節(jié)性日際變化

由圖3和圖4可以看出，一年四季中自然保護(hù)區(qū)(興隆山)、交通密集區(qū)(火車(chē)站)、醫(yī)療區(qū)(省醫(yī)院)和科教區(qū)(蘭大)4個(gè)環(huán)境功能區(qū)上、下午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度存在差異。上述4個(gè)環(huán)境功能區(qū)采樣點(diǎn)位大氣霉菌氣溶膠濃度基本表現(xiàn)為上午時(shí)段濃度較下午時(shí)段高的態(tài)勢(shì)，這可能與一天當(dāng)中不同時(shí)段太陽(yáng)輻射有關(guān)，一定程度上降低了大氣中的霉菌氣溶膠數(shù)量，從上午時(shí)段至下午時(shí)段，呈現(xiàn)出大氣霉菌氣溶膠濃度隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)而逐漸降低的趨勢(shì)，其它研究人員[24～26]也得出過(guò)類(lèi)似結(jié)果。

后綴法：“詞根+后綴”。 如：-meter“計(jì)量?jī)x器”，可后綴派生出 barometer氣壓計(jì),telemeter測(cè)距儀,spectrometer分光儀,oscilloscope示波器等多個(gè)新詞。

從圖3春季不同環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度日際變化分布來(lái)看，上午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度從高到低排序是：蘭大>省醫(yī)院>興隆山>火車(chē)站；下午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度從高到低排序?yàn)椋号d隆山>省醫(yī)院>蘭大>火車(chē)站。夏季各功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度上午時(shí)段從高到低排序是：省醫(yī)院>火車(chē)站>蘭大>興隆山；下午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度從高到低排序?yàn)椋禾m大>火車(chē)站>省醫(yī)院>興隆山。

圖3 春季和夏季不同環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度日變化特征

圖4顯示秋季不同功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度日際變化，上午時(shí)段從高到低排序是：火車(chē)站>蘭大>省醫(yī)院 >興隆山；下午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度從高到低排序?yàn)椋号d隆山>省醫(yī)院>蘭大>火車(chē)站。冬季不同功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度日變化來(lái)看，上午時(shí)段從高到低排序是：省醫(yī)院>興隆山>火車(chē)站>蘭大；下午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度大小排序?yàn)椋禾m大>省醫(yī)院>興隆山>火車(chē)站。

圖4 秋季和冬季不同環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度日變化特征

此外，從不同季節(jié)不同環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度日變化來(lái)看，各個(gè)環(huán)境功能區(qū)整體呈現(xiàn)出霉菌氣溶膠濃度春、秋季較夏、冬季高的趨勢(shì)，說(shuō)明太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和氣溫可能是影響蘭州市室外大氣霉菌氣溶膠濃度分布的重要因素。

如表2所示，在一年四季研究期上午時(shí)段：興隆山、火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大4個(gè)環(huán)境功能區(qū)的大氣霉菌氣溶膠平均濃度均呈現(xiàn)春、秋季高于夏、冬季的趨勢(shì)，推測(cè)春季和秋季的氣候狀況適宜大氣中霉菌氣溶膠的繁殖，夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)，冬季氣溫低，兩個(gè)季節(jié)特定的環(huán)境要素一定程度上限制了霉菌氣溶膠的繁殖。春季省醫(yī)院和蘭大大氣霉菌氣溶膠濃度大體相當(dāng)，約為240 CFU/m3，較興隆山濃度高1.06倍，而火車(chē)站點(diǎn)位卻比興隆山點(diǎn)位低1.17倍。夏季和秋季火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大點(diǎn)位的霉菌氣溶膠濃度較興隆山點(diǎn)位大體分別均高2.5倍和1.2倍；冬季火車(chē)站和蘭大點(diǎn)位濃度大體相當(dāng)，均低于興隆山點(diǎn)位1.18倍，而省醫(yī)院濃度卻高于興隆山點(diǎn)位1.2倍。一年四季上午時(shí)段火車(chē)站、蘭大點(diǎn)位霉菌氣溶膠濃度均出現(xiàn)高于或低于興隆山點(diǎn)位的狀況，但省醫(yī)院點(diǎn)位大氣霉菌氣溶膠濃度卻始終高于興隆山點(diǎn)位，說(shuō)明醫(yī)療區(qū)周邊的大氣霉菌氣溶膠污染狀況相對(duì)較嚴(yán)重，索繼江等[27]也得出過(guò)類(lèi)似研究結(jié)果，因此開(kāi)展醫(yī)院周邊及病房環(huán)境大氣微生物氣溶膠污染研究顯得十分必要。

表2 不同季節(jié)各環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度日變化分布特征

在一年研究期間的下午時(shí)段：興隆山、省醫(yī)院大氣霉菌氣溶膠平均濃度春、秋季高于夏、冬季；而火車(chē)站、蘭大點(diǎn)位濃度則是夏、秋季高于春、冬季，在夏季和秋季下午時(shí)段火車(chē)站、蘭大點(diǎn)位外環(huán)境中人員流動(dòng)量較春季和冬季大，加速了大氣中霉菌氣溶膠擴(kuò)散和傳播，Quan Zhen[28]等也曾得出類(lèi)似的研究結(jié)果。春季火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大點(diǎn)位大氣霉菌氣溶膠濃度均為較興隆山低，分別低3.29倍、2.32倍和2.67倍；夏季火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大點(diǎn)位濃度分別較興隆山點(diǎn)位高2.6倍、2.24倍和3.82倍，秋季火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大點(diǎn)位濃度大體相當(dāng)，約140 CFU/m3，均較興隆山濃度低1.22倍；冬季火車(chē)站點(diǎn)位濃度較興隆山點(diǎn)位低1.33倍，而省醫(yī)院和蘭大的霉菌氣溶膠濃度則分別較興隆山濃度高1.2倍、1.46倍。造成上述差異的原因，推測(cè)可能由于春季和秋季自然風(fēng)景區(qū)興隆山點(diǎn)位自然狀態(tài)的真菌(含霉菌)孢子易隨風(fēng)飄散、傳播，夏季下午時(shí)段其他3個(gè)功能區(qū)人員逗留時(shí)間長(zhǎng)、流動(dòng)量較大，因此其霉菌氣溶膠濃度較興隆山點(diǎn)位高，而在冬季下午時(shí)段火車(chē)站外環(huán)境人員活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)和范圍有限，省醫(yī)院屬醫(yī)療區(qū)霉菌氣溶膠污染相對(duì)較重，例外的是蘭大點(diǎn)位較高，原因待進(jìn)一步研究。

綜上所述，興隆山點(diǎn)位上午時(shí)段和下午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠平均濃度由高到低季節(jié)性排序均為春季>秋季>冬季>夏季；火車(chē)站點(diǎn)位上午時(shí)段霉菌氣溶膠平均濃度季節(jié)性排序?yàn)榍锛?春季>冬季>夏季，下午時(shí)段秋季>夏季>春季>冬季；省醫(yī)院點(diǎn)位上午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度由高到低季節(jié)性排序?yàn)榇杭?秋季>冬季>夏季，下午時(shí)段秋季>春季>冬季>夏季；蘭大點(diǎn)位上午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度由高到低季節(jié)性排序?yàn)榇杭?秋季>冬季>夏季，下午時(shí)段秋季>夏季>冬季>春季。

表3 不同季節(jié)不同環(huán)境功能區(qū)PM2.5濃度日變化分布特征

圖5 大氣霉菌氣溶膠濃度與PM2.5濃度相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

(1)一年四季中興隆山、火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大四個(gè)環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠濃度日變化狀況存在差異，其中春季上午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度大小排序?yàn)椋禾m大>省醫(yī)院>興隆山>火車(chē)站；下午時(shí)段：興隆山>省醫(yī)院>蘭大>火車(chē)站。夏季霉菌氣溶膠濃度上午時(shí)段大小排序是：省醫(yī)院>火車(chē)站>蘭大>興隆山；下午時(shí)段排序?yàn)椋禾m大>火車(chē)站>省醫(yī)院>興隆山。秋季上午時(shí)段從高到低排序是：火車(chē)站>蘭大>省醫(yī)院 >興隆山；下午時(shí)段：興隆山>省醫(yī)院>蘭大>火車(chē)站。冬季上午時(shí)段大氣霉菌氣溶膠濃度大小排序是：省醫(yī)院>興隆山>火車(chē)站>蘭大；下午時(shí)段：蘭大>省醫(yī)院>興隆山>火車(chē)站。

(2)不同環(huán)境功能區(qū)大氣霉菌氣溶膠平均濃度在上午時(shí)段(9:00～11:00)：興隆山、火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大四個(gè)環(huán)境功能區(qū)呈現(xiàn)春、秋季高于夏、冬季的趨勢(shì)；春季火車(chē)站點(diǎn)位較興隆山低1.17倍，省醫(yī)院和蘭大霉菌氣溶膠濃度大體相當(dāng)，約為240 CFU/m3，較興隆山濃度高1.06倍；夏季和秋季火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大點(diǎn)位的霉菌氣溶膠濃度較興隆山點(diǎn)位大體分別均高2.5倍和1.2倍；冬季火車(chē)站和蘭大點(diǎn)位濃度大體相當(dāng)，均低于興隆山點(diǎn)位1.18倍，而省醫(yī)院濃度卻高于興隆山點(diǎn)位1.2倍。在下午時(shí)段(14:00～16:00)：興隆山、省醫(yī)院大氣霉菌氣溶膠平均濃度春、秋季高于夏、冬季；而火車(chē)站、蘭大點(diǎn)位濃度則是夏、秋季高于春、冬季。春季火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大點(diǎn)位大氣霉菌氣溶膠濃度均為較興隆山低，分別低3.29倍、2.32倍和2.67倍；夏季火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大點(diǎn)位濃度分別較興隆山點(diǎn)位高2.6倍、2.24倍和3.82倍，秋季火車(chē)站、省醫(yī)院和蘭大點(diǎn)位濃度大體相當(dāng)，約140 CFU/m3，均較興隆山濃度低1.22倍。冬季火車(chē)站點(diǎn)位濃度較興隆山點(diǎn)位低1.33倍，而省醫(yī)院和蘭大的霉菌氣溶膠濃度則分別較興隆山濃度高1.2倍、1.46倍。

(3)蘭州市室外區(qū)域中PM2.5污染與大氣霉菌氣溶膠濃度關(guān)聯(lián)性并不顯著，這可能與樣品采集頻次、PM2.5測(cè)試位置及其他因素有關(guān)。