蘭州市不同天氣可培養微生物氣溶膠特征變化研究

王可君，孫 強，趙 煒

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

微生物氣溶膠是指含有生物性粒子的氣溶膠，通常細菌、真菌、放線菌、病毒以及致敏花粉、霉菌孢子、蕨類孢子和寄生蟲卵等[1]。人類的一切活動均在微生物氣溶膠的包圍中，其可通過人類的皮膚、呼吸系統進入人體內，有可能影響人類的身體健康，對免疫力低的人有可能導致更嚴重的身體健康問題[2,3]。因此，對微生物氣溶膠的研究已成為熱點。目前，按照空氣微生物氣溶膠研究的主要對象和原理，可以將其研究方法分為兩大類:培養基法和非培養基法[2]，兩者的區別是微生物是否可被培養基進行培養。大量研究表明微生物氣溶膠受到氣象因素的影響。路瑞等[4]研究發現西安市不同天氣條件下可培養微生物氣溶膠的濃度變化為晴天<雨天<陰云天<霾天。王偉等[5]研究發現特殊天氣下微生物氣溶膠的濃度和粒徑分布存在差異，在灰霾天氣下可培養微生物的氣溶膠濃度遠高于非灰霾天時的濃度。

蘭州市地處西北內陸，常年受風沙天氣影響，空氣質量較差。因此研究不同氣象條件下的可培養微生物氣溶膠濃度變化及分析氣象因素等對微生物的影響，具有重要的意義。

2 材料與方法

2.1 采樣地點與時間

采樣點設置在蘭州市蘭州交通大學環境與市政工程學院樓頂，采樣高度為樓頂上約1.5 m處。周圍主要是住宅區和教學區，無工業污染排放源。

采樣時間為2016年3月15～23日，固定于每天07:30～8:30、11:00～12:00、17:30～18:30三個時段分別進行采樣，取樣品平均值作為當日可培養微生物氣溶膠的濃度水平。

2.2 采樣方法

采用Andersen六級空氣微生物采樣器(PSW-6)采集微生物氣溶膠。該采樣器模擬人呼吸道的解剖結構和空氣動力學特征，采用慣性撞擊原理設計制造。采樣器分為6級，每級400個孔，從1～6級孔的直徑逐漸縮小，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的培養介質上。其主要性能參數見表1。

表1 PSW-6型空氣微生物采樣器各級特征

注：ECD為有效截留粒徑

采樣時空氣流量為28.3 L/min，采樣時間為10 min，同時監測環境空氣溫度、相對濕度、風速、PM10、PM2.5等環境因子。

2.3 培養方法

采用9 cm玻璃培養皿(已滅菌)，在無菌條件下加入約25 mL適應于相應微生物生長的培養基。采樣完成后，迅速將培養皿放入培養箱內倒置培養。其中，細菌培養采用普通營養瓊脂平板(37 ℃，48 h)[6]，真菌培養采用沙氏培養平板(27 ℃，72 h)，放線菌培養采用高氏一號培養平板(27 ℃，120 h)。每次采樣前后，使用75%的酒精對采樣器各級進行擦拭。

2.4 數據分析

2.4.1 微生物氣溶膠濃度

分別對各級采樣器培養皿進行菌落計數，為避免培養皿上微生物粒子的重疊現象，可采用Positive-hole[6]對菌落數進行校正處理：

(1)

式(1)中，Pr和ri分別表示校正后菌落數和實際菌落數，N為采樣器各級采樣孔數。

然后根據采樣時間t和采樣流量Q，由式(2)計算各級微生物氣溶膠的濃度。

(2)

式(2)中：ci為大氣微生物氣溶膠濃度，以菌落形成單位表示，CFU/m3；t為采樣時間，min；Q為采樣空氣流量，28.3 L/min；Ni為6級采樣器上獲得的有效菌落數之和，CFU。

2.4.2 統計方法

該研究圖標繪制主要采用Origin8.5。利用SPSS19.0對試驗數據進行統計學分析，當P<0.05時，表示在95%置信區間內具有統計學意義上的顯著差異。

3 結果與討論

3.1 降雨對微生物濃度的影響

圖1為降雨前后可培養微生物氣溶膠濃度變化的檢測日均值。由圖1可見，可培養微生物氣溶膠濃度的變化為雨前(682 CFU/m3)>雨中(463 CFU/m3)>雨后(297 CFU/m3)。在降雨開始到結束的過程中，可培養細菌、真菌、放線菌氣溶膠的濃度有著不同程度的降低，其中可培養細菌氣溶膠的濃度降低26.4%，可培養真菌氣溶膠的濃度降低57.6%，可培養放線菌氣溶膠的濃度降低94.5%。韓燕等[7]研究發現，降雨對空氣中的顆粒物具有明顯的沖刷作用。

圖1 降雨前后可培養微生物氣溶膠濃度的變化

3.2 沙塵對微生物濃度的影響

圖2為沙塵前后可培養微生物氣溶膠濃度變化的檢測日均值。由圖2可見，可培養微生物氣溶膠濃度的變化為沙塵后(2790 CFU/m3)>沙塵中(2566 CFU/m3)>沙塵前(1918 CFU/m3)。沙塵發生后，蘭州總可培養微生物氣溶膠濃度均值是沙塵前的1.5倍。其主要原因為沙塵本身就攜帶大量的微生物，同時空氣中顆粒物的增加也為微生物的生存提供了有利條件。Griffin等[8]研究也發現沙塵到來時，隨著PM10的顯著上升，可培養微生物氣溶膠濃度均呈現數量級的劇烈增長。

圖2 沙塵前后可培養微生物氣溶膠濃度的變化

3.3 微生物與氣象因素、大氣顆粒的相關性

為了探究采樣期間沙塵天氣狀況下氣象因素對可培養微生物氣溶膠濃度分布的影響，對沙塵天氣狀況下可培養微生物氣溶膠濃度與風速、溫度、濕度與空氣顆粒物濃度的關系進行了Spearman相關性分析(表2)。

表2 微生物氣溶膠濃度與氣象因子的相關性

注：*表示在0.05水平(雙側)上相關性是顯著的；**表示在0.01水平(雙側)上相關性是顯著的

由表2可知，在沙塵天氣時，可培養微生物氣溶膠濃度與PM10和PM2.5呈正相關性，其原因是沙塵導致PM10、PM2.5出現上升趨勢，同時沙塵攜帶大量微生物。溫度與可培養微生物氣溶膠濃度呈負相關。濕度和風速與可培養微生物氣溶膠濃度呈不明顯的正相關，或者負相關，其主要原因是隨著沙塵天氣的到來，氣象因子的波動較大。

4 結論

(1)降雨時，降雨可以有效沖刷大氣中的微生物氣溶膠粒子，降低微生物氣溶膠的濃度。

(2)沙塵天氣出現時生物氣溶膠中總微生物濃度顯著增加，濃度變化上細菌氣溶膠變化最大，漲幅上真菌氣溶膠漲幅最大。

(3)沙塵天氣時，可培養微生物氣溶膠濃度和ρ(PM2.5)、ρ(PM10)呈正相關，與溫度呈負相關，與濕度和風速的相關性不顯著。