南方典型旅游城市空氣微生物粒徑分布特征

姚文沖，樓秀芹，方治國*，歐陽志云（.浙江工商大學環境科學與工程學院，浙江 杭州 00；.杭州市疾病預防控制中心微生物檢驗科，浙江 杭州 00；.中國科學院生態環境研究中心，城市與區域生態國家重點實驗室，北京 00085）

南方典型旅游城市空氣微生物粒徑分布特征

姚文沖1，樓秀芹2，方治國1*，歐陽志云3（1.浙江工商大學環境科學與工程學院，浙江 杭州 310012；2.杭州市疾病預防控制中心微生物檢驗科，浙江 杭州 310021；3.中國科學院生態環境研究中心，城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085）

在南方典型旅游城市杭州選取了4個樣點進行了空氣微生物取樣工作.系統研究了杭州市室外空氣微生物粒徑分布特征.結果表明，不同樣點空氣細菌粒子百分比從Ⅰ級到Ⅵ級逐漸減少，總體呈偏態分布.交通干線，文教區，商業區和旅游風景區細菌粒子百分比最高值均出現在Ⅰ級，分別占29.1%， 31.8%， 33.5%和25.4%，最低值均出現在Ⅵ級，分別占11.7%， 11.2%， 6.5%和11.1%.不同樣點空氣真菌主要分布在Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級，總體呈對數正態分布，真菌百分比最高值均出現在Ⅳ級，分別占30.3%， 30.2%， 31.7%和28.3%，最低值出現在Ⅵ級，分別占5.2%， 5.1%， 3.3%和4.5%.青霉屬，鏈格孢屬，曲霉屬和枝孢屬優勢真菌粒徑均呈對數正態分布特征，但取樣器各級真菌百分比各不相同.此外，空氣細菌中值直徑顯著大于空氣真菌，商業區空氣細菌中值直徑顯著大于其他3個樣點，而文教區真菌中值直徑顯著大于其他3個樣點.研究結果進一步說明了城市室內外空氣微生物粒徑分布特征的不同，為室內外空氣微生物污染的預防和控制提供了科學依據.

空氣微生物；生物氣溶膠；粒徑分布；青霉屬；枝孢屬

生物氣溶膠是指空氣中具有生物來源的粒子，主要包括花粉、真菌、細菌、病毒、昆蟲片段、哺乳動物的皮毛、生物殘體或代謝產物等［1］.其中，空氣中的細菌主要吸附在塵埃粒子表面，真菌則以孢子的形式存在于空氣中［2］，空氣中這些特定的生物粒子具有特定的動力學粒徑，風媒傳粉的植物花粉為17～58μm，真菌孢子為1～30μm，細菌為0.25～8μm之間，病毒的直徑則小于0.3μm［3-4］.研究發現，微生物氣溶膠的粒徑會隨著各種環境條件和培養條件的變化而變化，不同城市室內外空氣微生物粒徑分布特征各不相同.空氣細菌粒子直徑可能與城市環境條件（如植被覆蓋率和沙塵天氣等）、車流及人流等因素密切相關［5-6］，空氣真菌直徑可能與孢子菌齡和生長基質營養成分密切相關，還與空氣濕度和溫度有關［7］.空氣中微生物粒徑的變化還可能是由于孢子的聚合率不同，孢子聚合率受到微生物粒子的來源和粒子的釋放機理的影響［8-9］.

空氣中微生物對人類健康的危害除了與微生物的種類和濃度有關外，還與微生物粒子的大小密切相關，并且不同粒徑的空氣微生物對人們健康影響的作用機理不同［8］.據報道，較大的孢子（＞10μm）沉積在上支氣管（鼻、咽喉），能夠引起干熱發燒癥狀；較小的孢子（＜10μm，特別＜5μm）可以滲透到下支氣管，可以導致過敏和哮喘；那些更小的孢子（＜0.1μm）則能夠滲透到呼吸道或更深的部分，不同程度地影響人們身體的健康［10］.此外，微生物粒子在空氣中的行為與它們的粒徑、密度和形態密切相關［11］，而空氣微生物的中值直徑是衡量其粒徑大小的重要標準，所以空氣中微生物的粒徑分布及中值直徑是衡量其對人們健康危害的重要指標.杭州市作為國家歷史文化名城和南方典型的風景旅游城市隨著經濟發展和城市化進程的加速，其空氣生物污染問題也日益突出.然而，有關杭州市空氣微生物的研究工作至今未見任何報道，作為全球聞名的中國南方典型旅游城市和“生活品質之城”，空氣微生物污染特征及動態變化規律的研究工作亟待開展.因此，了解杭州市空氣微生物粒徑分布特征及中值直徑變化規律可為城市生物性污染的預防和控制提供了科學依據，具有重要的理論和現實的意義.

1 材料與方法

1.1 研究樣點概況

在南方典型旅游城市浙江省杭州市選取4個不同的功能區，即文教區、交通樞紐、商業區和旅游風景區，試驗樣點分別設置在浙江工商大學教工路校區（GSUJ）、天目山路與教工路口（TJCR）、延安路商業街（YRBS）和西湖曲院風荷（BLQG），于2011年06月～2012年05月進行空氣微生物粒徑分布特征的研究，各樣點的基本概況如表1.

表1 取樣點基本概況Table 1 Basic information of different sampling sites

1.2 空氣微生物取樣器

采用國產Andersen生物粒子取樣器（FA-1，遼陽應用技術研究所）進行空氣微生物取樣測定.它是模擬人呼吸道的解剖結構和空氣動力學生理特征，采用慣性撞擊原理設計制造的.該取樣器分為6級，每級400個孔，從Ⅰ～Ⅵ級孔的直徑逐漸縮小，空氣流量為28.3L/min，每一級的空氣流速逐次增大，從而把空氣中的帶菌粒子按大小不同分別捕獲在各級培養皿上.取樣器按粒徑從大到小分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級和Ⅵ級，其孔徑分別為1.18、0.91、0.71、0.53、0.34、0.25mm，粒子的捕集范圍分別為＞8.2、5.0～10.4、3.0～6.0、2.0～3.5、1.0～2.0、＜1.0μm，其有效截留粒子徑分別為8.2、6.0、3.0、2.0、1.0、0.65μm.

1.3 取樣和培養方法

選擇相同的天氣條件進行空氣微生物的取樣工作，實驗過程中每月取樣1次，每次連續取樣3d，每天取樣3次（9：00、13：00、17：00），每次3個重復.空氣微生物的取樣高度為人呼吸帶，距離地面約1.5m處.取樣空氣流量為28.3L/min，采樣器各層的孔眼至采樣面的距離（即撞擊距離）為2mm，室外空氣微生物的取樣時間為3min.取樣采用直徑為90mm的一次性塑料培養皿，預先在無菌條件下加入20～25mL已滅菌的微生物培養基，操作時盡量控制培養皿內培養基厚度的一致性，以減少試驗的系統誤差.空氣細菌取樣采用牛肉膏蛋白胨培養基（牛肉膏5g，蛋白胨10g，氯化鈉5g，瓊脂15g，蒸餾水1000mL），采集的細菌樣品在37℃培養箱內培養48h；空氣真菌取樣采用沙氏培養基（葡萄糖40g，蛋白胨10g，瓊脂20g，蒸餾水1 000mL），加入氯霉素（0.05～0.125mg/mL）抑制細菌的生長，采集的真菌樣品在25℃培養箱內培養72h，然后分別在各級取樣培養皿上對微生物菌落進行記數、分離和純化.

1.4 空氣微生物各級帶菌粒子計算方法

1.4.1 各級帶菌粒子百分比計算 由于通過Andersen采樣器各篩孔的微生物粒子，超過一定數量后，會出現微生物粒子通過同一篩孔撞擊在同一點上的重疊現象，故各級采集的菌落數需經下式校正：

式中：Pr為各級校正后的菌落數；N為采樣器各級采樣孔數；r為實際的菌落數.

最后根據校正后各級空氣帶菌微生物粒子的數量，計算取樣器各級帶菌粒子百分比，具體計算方法如下：

式中：P為各級帶菌粒子百分比；Tr為校正后6級菌落總數；Pr為各級校正后的菌落數.

1.4.2 帶菌粒子中值直徑計算 根據校正后試驗數據算出采樣器各級的空氣帶菌粒子數占總數的百分比，然后按照Ⅵ級～Ⅰ級的順序進行累加，算出各級的累計百分比，再根據給定的采樣器各級ECD和各級累計百分比，求得線性回歸方程，累計百分比為50%時相對應的ECD值即為中值直徑.

1.5 空氣真菌鑒定方法

根據真菌菌落的培養特性和顯微鏡下真菌孢子的形態特征把空氣真菌鑒定到屬.對在原培養基上培養7d未產生孢子的菌落，接種培養2周后，仍未見孢子生成，則被認為是無孢菌群.

1.6 統計分析和圖表制作方法

數據分析和圖表繪制用SPSS Version 19.0和Microsoft Excel 2010進行.

2 研究結果

2.1 杭州市空氣微生物粒徑分布特征

圖1 不同取樣點空氣細菌粒徑分布特征Fig.1 Size distributions of airborne bacteria at different sampling sites in Hangzhou

2.1.1 空氣細菌粒徑分布 4個取樣點空氣細菌粒徑分布趨勢基本相同，細菌粒子百分比從Ⅰ級～Ⅵ級逐漸減少，總體呈偏態分布（圖1）. TJCR、GSUJ、YRBS和BLQG細菌粒子百分比最高值均出現在Ⅰ級，分別占29.1%、31.8%、33.5%和25.4%，最低值均出現在Ⅵ級，分別占11.7%、11.2%、6.5%和11.1%，且各樣點取樣器Ⅰ級中的細菌粒子百分比顯著高于其它級（P＜0.01）.4個取樣點Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅵ級細菌粒子百分比均沒有顯著差異（P＞0.05）.統計分析表明，YRBS Ⅰ級中顯著高于BLQG， Ⅵ級中的細菌粒子百分比顯著低于BLQG（P＜0.05）.

2.1.2 空氣真菌粒徑分布 4個取樣點空氣真菌粒徑分布趨勢基本相同，總體呈對數正態分布（圖2）. TJCR、GSUJ、YRBS和BLQG空氣真菌主要分布在Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅵ級中，總和分別占70.0%、68.2%、73.1%和70.8%.真菌百分比最高值均出現在Ⅳ級，分別占30.3%、30.2%、31.7%和28.3%，最低值出現在Ⅵ級，分別占5.2%、5.1%、3.3%和4.5%.統計分析表明，YRBS Ⅳ級中真菌百分比明顯高于BLQG，而YRBS Ⅵ級中真菌百分比明顯較低（P＜0.05）.

圖2 不同取樣點空氣真菌粒徑分布特征Fig.2 Size distributions of airborne fungi at different sampling sites in Hangzhou

圖3 杭州市優勢空氣真菌粒徑分布特征Fig.3 Size distribution of dominant airborne fungi in Hangzhou

2.1.3 優勢空氣真菌粒徑分布 圖3是杭州市優勢空氣真菌粒徑分布特征.從圖3可以看出，青霉屬、鏈格孢屬、曲霉屬和枝孢屬真菌粒徑總體上呈對數正態分布特征，鏈格孢屬真菌百分比從Ⅰ級～Ⅳ級逐漸增加，而從Ⅳ級～Ⅵ級百分比急劇下降，Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅵ級總和占61.89%，最高值出現在Ⅳ級，占24.46%，最低值出現在Ⅵ級，占5.45%.青霉屬、曲霉屬和枝孢屬真菌百分比從Ⅰ級～Ⅱ級降低， 從Ⅱ級～Ⅳ級百分比逐漸增加，而從Ⅳ級～Ⅵ級百分比急劇下降，Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅵ級總和分別占71.04%、66.65%和70.10%，最高值均出現在Ⅳ級，分別占29.91%、26.87%和31.36%，最低值均出現在Ⅵ級，分別占3.94%、4.75%和3.53%.

2.2 杭州市空氣微生物中值直徑分布特征

2.2.1 空氣細菌中值直徑變化規律 不同取樣點空氣細菌粒子中值直徑不相同（圖4）.其中YRBS空氣細菌中值直徑約為3.8μm，明顯大于BLQG的3.4 μm（P＜0.05），而TJCR和GSUJ空氣細菌中值直徑均約為3.6μm.

圖4 不同取樣點空氣細菌和真菌中值直徑Fig.4 Median diameter of airborne bacteria at different sampling sites in Hangzhou

2.2.2 空氣真菌中值直徑變化規律 不同取樣點空氣真菌粒子中值直徑不相同（圖4）.其中GSUJ空氣真菌中值直徑約為3.0μm，而TJCR、YRBS和BLQG空氣真菌中值直徑均約為2.9μm.

3 討論

在南方典型旅游城市杭州選取4個樣點系統研究了杭州市室外空氣微生物粒徑分布特征.結果表明，杭州市不同樣點空氣細菌粒數百分比從Ⅰ級～Ⅵ級逐漸減少，總體上呈偏態分布.這與北京市垃圾填埋場空氣細菌粒徑的研究結果基本相似［12］，但與敦煌莫高窟空氣細菌粒徑的研究結果不同，其封閉洞穴、半封閉洞穴、開放洞穴和入口空氣細菌粒徑分布均呈對數正態分布，細菌粒數百分比最高值出現均出現在Ⅳ級［13］.圖5顯示了杭州和北京室內外空氣細菌粒徑分布特征，從圖中可以看出，杭州和北京室外空氣細菌粒徑均呈偏態分布，但兩者的分布特征顯著不同，這可能是由于兩城市不同的環境特點而引起的.杭州市室外空氣細菌粒子在Ⅰ級中百分比較大，約占29.9%，Ⅱ級～Ⅴ級中分布比較均勻，Ⅵ級細菌粒子百分比較低，約占10.1%；北京市室外空氣細菌粒子百分比從Ⅰ級（25.3%）～Ⅵ級（6.7%）逐漸減少，但在Ⅱ級有明顯下降趨勢［5,14］.然而，北京室內空氣細菌的粒徑分布特征與室外顯著不同，細菌粒子主要分布在取樣器Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級中，呈對數正態分布，其Ⅰ級（12.8%）細菌粒子百分比顯著低于室外，Ⅴ級（30.1%）細菌粒子百分比顯著高于室外［6］.研究結果進一步說明了室內外空氣細菌粒徑分布特征的不同，這是由于城市人們室外活動的擾動作用，導致地上粘附細菌的較大塵埃粒子漂浮在近地面的空氣中，所以室外空氣中粒徑較大的細菌粒子百分比較高，而室內地面相對比較清潔，粒徑較大的塵埃粒子含量較少，粒徑較小的塵埃粒子含量較多，所以室內空氣中粒徑較小的細菌粒子百分比較高.

圖5 杭州和北京室內外空氣細菌粒徑分布特征Fig.5 Size distributions of airborne bacteria outdoors and indoors in Hangzhou and Beijing

杭州市不同樣點取樣器各級細菌粒子百分比各不相同，YRBS Ⅰ級中細菌粒子百分比顯著高于BLQG，Ⅵ級中顯著低于BLQG（P＜0.05）. YRBS是杭州市商業區，近地面人員活動及車流量較多，容易引起地面的飄塵和揚塵，故而Ⅰ級中粘附細菌的較大粒子百分比含量高，而BLQG是杭州市的西湖十景之一曲院風荷，人員活動和車流量較少，植被覆蓋率較高，空氣相對比較潔凈，故而Ⅵ級中粘附細菌的較小粒子百分比含量高.

杭州市不同樣點空氣真菌主要分布在Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級中，總體呈對數正態分布.這與90年代初期北京西單和豐臺空氣真菌的粒徑分布的研究結果基本相同［15］.圖6是杭州和北京室內外空氣真菌粒徑分布特征，從圖中可以看出，杭州和北京室外空氣真菌粒徑均呈對數正態分布，取樣器各級真菌粒子百分比基本相同，沒有顯著差異.然而，北京室內空氣真菌的粒徑雖然呈對數正態分布，但室內和室外的分布特征顯著不同.室內空氣真菌在取樣器Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅵ級的百分比顯著低于室外，而在Ⅳ級中顯著高于室外.這可能與室內外環境條件及不同的優勢真菌種類密切相關，因為環境條件不同，空氣中優勢真菌的種類可能不同，其孢子的形態和大小都具有本質的區別.

圖6 杭州和北京室內外空氣真菌粒徑分布特征Fig.6 Size distributions of airborne fungi outdoors and indoors in Hangzhou and Beijing

杭州市空氣細菌中值直徑顯著大于空氣真菌，這與北京之前的研究結果相同.研究表明，空氣細菌主要吸附在塵埃粒子表面，空氣真菌則以單個孢子的形式存在于空氣中，這可能是細菌中值直徑大于真菌的主要原因［2］.YRBS空氣細菌中值直徑顯著高于BLQG，杭州市延安路商業街人員流動較多，車流量較大，地面擾動頻繁，植被覆蓋率相對較低，容易引起較大的塵埃粒子漂浮在近地面的空氣環境中，使得其細菌粒子較大；而西湖景點曲院風荷人員流動較少，附近基本沒有車輛活動，地面擾動較少，且植被覆蓋率較高，近地面空氣相對潔凈，使得其細菌粒子較小.

4 結論

4.1 杭州市室外空氣細菌和真菌的粒徑分布特征顯著不同.空氣細菌粒子百分比從Ⅰ級～Ⅵ級逐漸減少，總體呈偏態分布，不同樣點最高值出現在Ⅰ級，最低值出現在Ⅵ級，不同樣點各級細菌粒子百分比各不相同；空氣真菌主要分布在Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅵ級中，呈對數正態分布，不同樣點真菌百分比最高值出現在Ⅳ級，最低值出現在Ⅵ級，不同樣點各級真菌百分比各不相同.

4.2 杭州市空氣細菌中值直徑為3.60μm，空氣真菌為2.93μm，空氣細菌中值直徑明顯大于空氣真菌.此外，商業區空氣細菌中值直徑顯著大于其它樣點，而文教區真菌中值直徑顯著大于其它樣點.

4.3 城市室內外空氣微生物粒徑分布特征顯著不同，可為室內外空氣微生物污染的預防和控制提供科學依據.

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The size distribution of airborne microbes in typical tourist city in southeast China.

YAO Wen-chong1， LOU Xiu-qin2，FANG Zhi-guo1*， OUYANG Zhi-yun3（1.School of Environmental Science and Engineering， Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310012， China；2.Microbiology Laboratory， Hangzhou Center for Disease Control and Prevention， Hangzhou 310021， China；3.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology， Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：2938～2943

The size distributions and median diameters were investigated in detail with imitated six-stage Andersen sampler at four selected sampling sites in typical tourist city in southeast China. Results showed the particle percentage of airborne bacteria decreased from stage 1to stage 6with skewed distribution at different sampling sites. The highest percentage of bacterial particle was recorded at stage 1at TJCR （Tianmushan Jiaogong Cross Road）， GSUJ （Zhejiang Gongshang University Jiaogong Campus）， YRBS （Yan'an Road Business Street） and BLQG （Breeze-ruffled Lotus at Quyuan Garden） with the percentage of 29.1%， 31.8%， 33.5% and 25.4%， respectively， while the lowest was observed at stage 6with the percentage of 11.7%， 11.2%， 6.5% and 11.1%， respectively. The percentage of airborne fungi increased gradually from stage 1to stage 4， and then decreased from stage 4to stage 6with normal logarithmic distribution. The highest percentage of fungi was recorded at stage 4with the percentage of 30.3%， 30.2%， 31.7% and 28.3%， respectively，while the lowest was observed at stage 6with the percentage of 5.2%， 5.1%， 3.3% and 4.5%， respectively. Moreover，Penicillium， Alternaria， Aspergillus， and Cladosporium was recorded with normal logarithmic distribution. Finally， the median diameters of airborne bacteria were larger than those of airborne fungi at different sampling sites， and the highest median diameter of airborne bacteria was found at YRBS， while the highest median diameter of airborne fungi was observed at GSUJ. The present paper suggested the great difference of microbial size distribution in the air， which could provide scientific basis for the prevention and control of microbial pollution indoors and outdoors in urban ecosystem.

airborne microbe；bioaersol；size distribution；Penicillium；Cladosporium

X513，X712

A

1000-6923（2016）10-2938-06

姚文沖（1990-），男，河南舞陽人，碩士研究生，主要從事空氣生物性污染研究.

2016-05-31

中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室開放基金（SKLURE2015-2-1）；浙江工商大學研究生創新基金；國家自然科學基金青年科學基金（41005085）

? 責任作者， 副教授， zhgfang77@zjgsu.edu.cn