山東省濟(jì)南市與泰山生物氣溶膠多樣性研究.pdf

1、生物氣溶膠是大氣氣溶膠的重要成分之一，與人體健康、空氣質(zhì)量、全球氣候變化、以及大氣物理化學(xué)過(guò)程等密切相關(guān)。本研究通過(guò)在山東省濟(jì)南市和泰山地區(qū)開(kāi)展氣溶膠加強(qiáng)觀測(cè)，運(yùn)用環(huán)境污染物在線監(jiān)測(cè)、Illumina Miseq高通量測(cè)序、實(shí)時(shí)定量PCR等技術(shù)手段和HYSPLIT后向軌跡、序列同源性分析、PICRUSt基因預(yù)測(cè)等分析方法對(duì)山東省典型地區(qū)生物氣溶膠的濃度水平、分類(lèi)組成、來(lái)源、功能、以及長(zhǎng)距離傳輸?shù)挠绊懙冗M(jìn)行深入研究，得到如下結(jié)果:

2、　　(1)濟(jì)南市冬季空氣污染較嚴(yán)重，2014年1月至3月觀測(cè)期間中有74.5％是灰霾天，其中PM2.5日均濃度最高值達(dá)432.5μg m-3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限制（75μg m-3）。亞微米顆粒物PM0.18-1中細(xì)菌濃度均值為21509cells m-3，范圍為17624～25573cells m-3，不同粒徑之間無(wú)顯著差異。細(xì)菌濃度值與環(huán)境污染物SO2、NO2和O3質(zhì)量濃度值呈顯著負(fù)相關(guān)，與PM2.5質(zhì)量濃度和相對(duì)濕度等無(wú)顯著相

3、關(guān)性。顆粒物中細(xì)菌群落組成在門(mén)和綱水平上變化不大，主要是由厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)和放線菌門(mén)(Actinobacteria)等構(gòu)成。不同粒徑的顆粒物中優(yōu)勢(shì)菌分布在門(mén)、綱、目、科和屬級(jí)別上較為相似，存在顯著差異的均是痕量菌(P=0.05，F(xiàn)=2.3)，如PM0.18-0.32中豐度較高的全噬菌科(Holophagaceae)和PM0.32-0.56中

4、豐度較高的醋菌屬(Acetobacter)等。除此之外，在顆粒物中發(fā)現(xiàn)了豐富的致病菌和功能菌，對(duì)人體健康和地球生態(tài)循環(huán)造成一定潛在的影響。對(duì)前30個(gè)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬進(jìn)行序列同源性分析，推測(cè)灰霾期間濟(jì)南市亞微米顆粒物中的細(xì)菌主要來(lái)源于土壤、葉表面和排泄物等環(huán)境。
　　(2)泰山云水pH均值約為5.77，遠(yuǎn)高于往年同一地區(qū)云水pH值，也高于其他地區(qū)云水pH值，這說(shuō)明近年來(lái)泰山地區(qū)降水酸化情況有一定改善。在云水中鑒別出豐富多樣的細(xì)菌，主要是革

5、蘭氏陰性菌，如不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、沙雷氏菌屬（Serratia）、馬賽菌屬（Massilia）、鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas）、食酸菌屬(Acidovorax)和假單胞菌屬(Pseudomonas)等。特別地，還發(fā)現(xiàn)一些具有潛在生態(tài)功能的細(xì)菌屬，可參與云形成（Sphingomonas、Pseudomonas、Bacillus和Rhodococcus等）和大氣物理化學(xué)過(guò)程，如有機(jī)物代謝(Rhodococcu

6、s和Bacillus等)、氮循環(huán)(Rhizobiales和Nitrospira等)、硫循環(huán)（Rhodobacteraceae、Desulfobacterales和Syntrophobacterales等）或具有潛在致病性(Acinetobacter、Pseudomonas和Delfiia等)。根據(jù)采樣時(shí)間的差異，將樣品分為日間組和夜間組。經(jīng)差異對(duì)比發(fā)現(xiàn):同一場(chǎng)云事件中，多樣性指數(shù)并沒(méi)有明顯規(guī)律;不同的云事件中，日間組樣品細(xì)菌多樣性高于夜

7、間組樣品，甚至高于亞洲沙塵期間大氣顆粒物中結(jié)果，這說(shuō)明日間采集的泰山云水中的細(xì)菌種類(lèi)比沙塵期間空氣中的細(xì)菌種類(lèi)更為豐富。將采樣期間的環(huán)境因素和氣象因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除了氣團(tuán)來(lái)源之外，環(huán)境污染物O3和SO2也會(huì)誘導(dǎo)云水中細(xì)菌群落的變化。本研究結(jié)果可為環(huán)境科學(xué)家和生物學(xué)家提供重要的參考價(jià)值。但是研究仍有局限性，由于云水樣品珍貴，體積較少，DNA含量略低，所有樣品均沒(méi)有檢測(cè)到細(xì)菌濃度水平。因此在未來(lái)的研究中，將通過(guò)延長(zhǎng)采樣時(shí)間，優(yōu)化DNA提取

8、效率，同時(shí)結(jié)合培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和宏基因測(cè)序?qū)υ扑⑸镩_(kāi)展更深入的研究。
　　(3)泰山PM2.5中細(xì)菌濃度平均值為490cells m-3，濃度范圍:137～1728cells m-3，數(shù)值遠(yuǎn)低于其他高海拔地區(qū)、近地表城市、以及沿海地區(qū)的研究結(jié)果。觀測(cè)期間泰山地區(qū)主要受來(lái)自西北方長(zhǎng)距離傳輸?shù)臍鈭F(tuán)影響(42％)，在此氣團(tuán)的主導(dǎo)下，PM2.5質(zhì)量濃度較低，相應(yīng)的細(xì)菌濃度水平也較低，但多樣性較高，部分細(xì)菌相對(duì)豐度存在顯著的增加。西方內(nèi)陸氣團(tuán)，

9、出現(xiàn)頻率是33％，受此氣團(tuán)影響的顆粒物中細(xì)菌濃度最高(602cells m-3)，但多樣性有所降低。東南方海面氣團(tuán)出現(xiàn)頻率為25％，受此氣團(tuán)影響，顆粒物質(zhì)量濃度最高（61.12μg m-3），但是相應(yīng)的細(xì)菌濃度最低，多樣性水平也最低。泰山PM2.5中顆粒物細(xì)菌主要是革蘭氏陰性菌為主，如伯克氏菌(Burkholderia,33.5％)、代爾夫特菌(Delftia，3.1％)、慢生根瘤菌（Bradyrhizobium，2.3％）和甲基桿菌（

10、Methylobacterium）等。不同氣流軌跡中PM2.5中細(xì)菌濃度無(wú)顯著變化，但細(xì)菌群落特征顯示明顯的差異。來(lái)自西北方的長(zhǎng)距離傳輸對(duì)沙塵源細(xì)菌(Brevibacillus和Staphylococcus)、Bryobacter、Anoxybacillus和Noviherbaspirillum等的輸入起重要作用;而來(lái)自東南方海面氣團(tuán)會(huì)帶來(lái)較多的Pandoraea和Phyllobacterium;局地氣團(tuán)帶來(lái)的則是較多的潛在病原菌。經(jīng)統(tǒng)

11、計(jì)分析顯示，環(huán)境溫度、濕度和顆粒物中的化學(xué)組分，如CI-、SO42-、K+、Ca2+和Mg2+是影響細(xì)菌群落組成變化的主要環(huán)境因子。結(jié)果表明局域傳輸和長(zhǎng)距離傳輸對(duì)PM2.5中細(xì)菌群落擴(kuò)散均有一定影響。
　　(4)泰山PM25和PM1中真菌平均拷貝數(shù)分別為9.4×104copies m-3(1.0×104～4.8×105copies m-3)和1.3×105copies m-3(3.7×103～1.0×106copies m-3)。

12、根據(jù)不確定性檢驗(yàn)，PM2.5和PM1中真菌濃度不存在顯著差異。PM2.5和PM1中真菌OC的平均濃度分別為6.1ng Cm-3和8.3ng C m-3，占顆粒物質(zhì)量濃度的0.067％和0.096％，說(shuō)明空氣中真菌孢子對(duì)大氣碳?xì)馊苣z有一定的貢獻(xiàn)。與近地表研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)顯著差異，這可能是由于真菌不同的來(lái)源導(dǎo)致。長(zhǎng)距離傳輸?shù)奈黠L(fēng)和西北風(fēng)有利于泰山地區(qū)真菌的生長(zhǎng)繁殖。對(duì)于真菌群落結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，豐度最高的目包括Pleosporales、Xylari

13、ales、Eurotiales、Capnodiales和Polyporales。以上都是大氣顆粒物(TSP、PM10、PM2.5和PM1等)中常見(jiàn)的真菌種類(lèi)，只是豐度略有不同。在種的分類(lèi)學(xué)水平上，鑒定出了12種人類(lèi)病原體和過(guò)敏原，其中三種最常見(jiàn)的是Aspergillus flavus、Blumeria graminis和Saccharomyces cerevisiae。真菌群落分布顯示顯著的季節(jié)差異和粒徑差異。Glomerella和Za