蘭州市室外PM2.5污染與大氣霉菌氣溶膠濃度關系探究

陳 鍔，劉恩麗，馬 進，張 娟，牛鶴瑞，李小燕，李文杰

(1.甘肅省環境監測中心站，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省生態環境科學設計研究院，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處不在，甚至部分霉菌作為云凝結核，一定程度上影響著大氣環境質量[2～4]，其在大氣環境中不斷隨著懸浮顆粒物擴散、遷徙、增殖，并且伴隨著呼吸作用深入人體或動植物體內，進而引起人類急、慢性疾病和動、植物疾病等[5～10]，大氣霉菌氣溶膠對人類健康的危害程度與其來源、種類、濃度等有很大關系[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系對維護人類健康和環境污染治理具有十分重要的理論和現實意義。蘭州市作為絲綢之路重要的節點城市，也是河西走廊地區沙塵暴遷徙的必經通道，同時也是國家戰略規劃的重要工業基地，對其化學污染物、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的大氣霉菌氣溶膠，對其在不同季節、不同環境功能區范圍內污染狀況及分布特征較少有報道[13,22]。因此，在蘭州市室外區域選取不同城市環境功能區對其PM2.5污染與室外大氣中霉菌氣溶膠濃度分布特征進行研究，有助于闡釋蘭州市大氣污染狀況變化規律，并對PM2.5污染中的霉菌等生物性組分對人體健康影響評估提供依據。

2 方法

2.1 采樣地點及時間

采樣地點選取自然保護區、交通密集區、醫療區和科教區4個不同環境功能區點位，即：0#興隆山自然保護區烈士陵園(作為背景點位，以下簡稱“興隆山”)、1#火車站前廣場(以下簡稱“火車站”)、2#甘肅省人民醫院前廣場(以下簡稱“省醫院”)和3#蘭州大學前廣場(以下簡稱“蘭大”)，在上述環境功能區各選取1個檢測樣點。2014年春季、2018年夏季、秋季、冬季，在每個季節選取氣象狀況相近或相類似的天數，連續取樣3 d，分別在每天上午時段(9:00～11:00)和下午時段(14:00～16:00)，在興隆山、火車站、省醫院、蘭大4個環境功能區檢測樣點采集大氣霉菌氣溶膠樣品，樣品采集數為144個，對上午、下午時段檢測結果歸納后，分析不同環境功能區大氣霉菌氣溶膠濃度的日變化分布特征。需要說明的是，春季大氣霉菌氣溶膠采集時間與夏、秋、冬季采樣時段不在同一年度，僅作為不同季節采集的大氣霉菌氣溶膠樣本進行對比分析。蘭州市室外區域不同環境功能區大氣霉菌氣溶膠取樣點位見圖1。

圖1 蘭州市大氣霉菌氣溶膠監測點位分布

2.2 采樣及樣品培養

采集大氣霉菌氣溶膠的儀器為安德森(Andersen)六級篩孔撞擊式空氣微生物采樣器(以下簡稱“微生物采樣器”)，根據可捕獲范圍分成六級，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培養皿表面。主要技術參數見表1。

表1 微生物采樣器主要技術參數

為了采集樣品具有代表性，選擇無雨雪且相對靜風天氣狀況下進行樣品采集工作，樣品采集高度距離地面約1.5 m處，采集流量為28.3 L/min，用含高鹽察氏培養基培養基(購自青島日水生物技術有限公司)的玻璃培養皿(直徑9 cm)進行采樣，采樣時間25 min[23]，采集后的霉菌氣溶膠樣品置于30 ℃±0.5 ℃恒溫恒濕培養箱內，倒置培養120 h后，對各采樣層級培養皿上的霉菌菌落進行計數、分離及純化。計數用培養皿均經無菌試驗合格后使用。霉菌氣溶膠培養樣品見圖2。

圖2 采集培養后的霉菌氣溶膠樣品

2.3 大氣細菌氣溶膠粒徑計算與統計

2.3.1 采樣層級大氣細菌氣溶膠粒徑百分計算

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

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為各層級培養皿菌落總數，CFU；t為采樣時間，min；V為空氣流量，L/min。

各層級霉菌氣溶膠粒子百分比：

P=N/T×100%

(2)

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

2.3.2 數據統計與分析

采用Microsoft Excel2010對采集數據進行統計處理。

3 結果與討論

3.1 不同環境功能區大氣霉菌氣溶膠濃度季節性日際變化

由圖3和圖4可以看出，一年四季中自然保護區(興隆山)、交通密集區(火車站)、醫療區(省醫院)和科教區(蘭大)4個環境功能區上、下午時段大氣霉菌氣溶膠濃度存在差異。上述4個環境功能區采樣點位大氣霉菌氣溶膠濃度基本表現為上午時段濃度較下午時段高的態勢，這可能與一天當中不同時段太陽輻射有關，一定程度上降低了大氣中的霉菌氣溶膠數量，從上午時段至下午時段，呈現出大氣霉菌氣溶膠濃度隨著太陽輻射增強而逐漸降低的趨勢，其它研究人員[24～26]也得出過類似結果。

后綴法：“詞根+后綴”。 如：-meter“計量儀器”，可后綴派生出 barometer氣壓計,telemeter測距儀,spectrometer分光儀,oscilloscope示波器等多個新詞。

從圖3春季不同環境功能區大氣霉菌氣溶膠濃度日際變化分布來看，上午時段大氣霉菌氣溶膠濃度從高到低排序是：蘭大>省醫院>興隆山>火車站；下午時段大氣霉菌氣溶膠濃度從高到低排序為：興隆山>省醫院>蘭大>火車站。夏季各功能區大氣霉菌氣溶膠濃度上午時段從高到低排序是：省醫院>火車站>蘭大>興隆山；下午時段大氣霉菌氣溶膠濃度從高到低排序為：蘭大>火車站>省醫院>興隆山。

圖3 春季和夏季不同環境功能區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大氣霉菌氣溶膠濃度日際變化，上午時段從高到低排序是：火車站>蘭大>省醫院 >興隆山；下午時段大氣霉菌氣溶膠濃度從高到低排序為：興隆山>省醫院>蘭大>火車站。冬季不同功能區大氣霉菌氣溶膠濃度日變化來看，上午時段從高到低排序是：省醫院>興隆山>火車站>蘭大；下午時段大氣霉菌氣溶膠濃度大小排序為：蘭大>省醫院>興隆山>火車站。

圖4 秋季和冬季不同環境功能區大氣霉菌氣溶膠濃度日變化特征

此外，從不同季節不同環境功能區大氣霉菌氣溶膠濃度日變化來看，各個環境功能區整體呈現出霉菌氣溶膠濃度春、秋季較夏、冬季高的趨勢，說明太陽輻射強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段：興隆山、火車站、省醫院和蘭大4個環境功能區的大氣霉菌氣溶膠平均濃度均呈現春、秋季高于夏、冬季的趨勢，推測春季和秋季的氣候狀況適宜大氣中霉菌氣溶膠的繁殖，夏季太陽輻射強，冬季氣溫低，兩個季節特定的環境要素一定程度上限制了霉菌氣溶膠的繁殖。春季省醫院和蘭大大氣霉菌氣溶膠濃度大體相當，約為240 CFU/m3，較興隆山濃度高1.06倍，而火車站點位卻比興隆山點位低1.17倍。夏季和秋季火車站、省醫院和蘭大點位的霉菌氣溶膠濃度較興隆山點位大體分別均高2.5倍和1.2倍；冬季火車站和蘭大點位濃度大體相當，均低于興隆山點位1.18倍，而省醫院濃度卻高于興隆山點位1.2倍。一年四季上午時段火車站、蘭大點位霉菌氣溶膠濃度均出現高于或低于興隆山點位的狀況，但省醫院點位大氣霉菌氣溶膠濃度卻始終高于興隆山點位，說明醫療區周邊的大氣霉菌氣溶膠污染狀況相對較嚴重，索繼江等[27]也得出過類似研究結果，因此開展醫院周邊及病房環境大氣微生物氣溶膠污染研究顯得十分必要。

表2 不同季節各環境功能區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段：興隆山、省醫院大氣霉菌氣溶膠平均濃度春、秋季高于夏、冬季；而火車站、蘭大點位濃度則是夏、秋季高于春、冬季，在夏季和秋季下午時段火車站、蘭大點位外環境中人員流動量較春季和冬季大，加速了大氣中霉菌氣溶膠擴散和傳播，Quan Zhen[28]等也曾得出類似的研究結果。春季火車站、省醫院和蘭大點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；夏季火車站、省醫院和蘭大點位濃度分別較興隆山點位高2.6倍、2.24倍和3.82倍，秋季火車站、省醫院和蘭大點位濃度大體相當，約140 CFU/m3，均較興隆山濃度低1.22倍；冬季火車站點位濃度較興隆山點位低1.33倍，而省醫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，推測可能由于春季和秋季自然風景區興隆山點位自然狀態的真菌(含霉菌)孢子易隨風飄散、傳播，夏季下午時段其他3個功能區人員逗留時間長、流動量較大，因此其霉菌氣溶膠濃度較興隆山點位高，而在冬季下午時段火車站外環境人員活動時長和范圍有限，省醫院屬醫療區霉菌氣溶膠污染相對較重，例外的是蘭大點位較高，原因待進一步研究。

綜上所述，興隆山點位上午時段和下午時段大氣霉菌氣溶膠平均濃度由高到低季節性排序均為春季>秋季>冬季>夏季；火車站點位上午時段霉菌氣溶膠平均濃度季節性排序為秋季>春季>冬季>夏季，下午時段秋季>夏季>春季>冬季；省醫院點位上午時段大氣霉菌氣溶膠濃度由高到低季節性排序為春季>秋季>冬季>夏季，下午時段秋季>春季>冬季>夏季；蘭大點位上午時段大氣霉菌氣溶膠濃度由高到低季節性排序為春季>秋季>冬季>夏季，下午時段秋季>夏季>冬季>春季。

表3 不同季節不同環境功能區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濃度相關系數

4 結論

(1)一年四季中興隆山、火車站、省醫院和蘭大四個環境功能區大氣霉菌氣溶膠濃度日變化狀況存在差異，其中春季上午時段大氣霉菌氣溶膠濃度大小排序為：蘭大>省醫院>興隆山>火車站；下午時段：興隆山>省醫院>蘭大>火車站。夏季霉菌氣溶膠濃度上午時段大小排序是：省醫院>火車站>蘭大>興隆山；下午時段排序為：蘭大>火車站>省醫院>興隆山。秋季上午時段從高到低排序是：火車站>蘭大>省醫院 >興隆山；下午時段：興隆山>省醫院>蘭大>火車站。冬季上午時段大氣霉菌氣溶膠濃度大小排序是：省醫院>興隆山>火車站>蘭大；下午時段：蘭大>省醫院>興隆山>火車站。

(2)不同環境功能區大氣霉菌氣溶膠平均濃度在上午時段(9:00～11:00)：興隆山、火車站、省醫院和蘭大四個環境功能區呈現春、秋季高于夏、冬季的趨勢；春季火車站點位較興隆山低1.17倍，省醫院和蘭大霉菌氣溶膠濃度大體相當，約為240 CFU/m3，較興隆山濃度高1.06倍；夏季和秋季火車站、省醫院和蘭大點位的霉菌氣溶膠濃度較興隆山點位大體分別均高2.5倍和1.2倍；冬季火車站和蘭大點位濃度大體相當，均低于興隆山點位1.18倍，而省醫院濃度卻高于興隆山點位1.2倍。在下午時段(14:00～16:00)：興隆山、省醫院大氣霉菌氣溶膠平均濃度春、秋季高于夏、冬季；而火車站、蘭大點位濃度則是夏、秋季高于春、冬季。春季火車站、省醫院和蘭大點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；夏季火車站、省醫院和蘭大點位濃度分別較興隆山點位高2.6倍、2.24倍和3.82倍，秋季火車站、省醫院和蘭大點位濃度大體相當，約140 CFU/m3，均較興隆山濃度低1.22倍。冬季火車站點位濃度較興隆山點位低1.33倍，而省醫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)蘭州市室外區域中PM2.5污染與大氣霉菌氣溶膠濃度關聯性并不顯著，這可能與樣品采集頻次、PM2.5測試位置及其他因素有關。