大气微生物的暴露会对人类健康和生态系统造成不利影响，例如一些病原微生物可引发人类和植物的疾病。空气中微生物通过与地球表面相互作用，影响着气候和人类社会，在地球系统中起着重要作用。空气中微生物的分布也会受到气候、人类活动等多种因素的影响。现有研究表明不同功能区域，例如城市与乡村、海洋与陆地的大气微生物群落结构具有显著差异。但不同城市大气中微生物的分布特征以及影响因素尚不明确，缺乏大尺度的研究来回答这些问题。中国地域辽阔，气候类型多种多样，对中国不同城市大气微生物分布的研究，不仅可以建立全国尺度城市大气微生物分布的数据库，也有助于理解社会经济和生态环境因素对城市大气中微生物分布的影响。
常言道，一方水土养一方人，那不同地区的微生物又如何？北京大学环境科学与工程学院要茂盛教授团队采用汽车空调过滤膜采样法，收集了来自中国31个主要城市的465个汽车空调过滤膜，对其中的颗粒物进行分析。结果表明中国31个主要城市的大气微生物群落结构差异很大（图1，2和3）。一些细菌属的相对丰度极高，如长沙的短杆菌属的相对丰度约为其他城市的20倍。纬度与细菌多样性指数以及部分细菌、真菌和病毒属的相对丰度呈显著相关关系（p<0.05）。长沙和上海的大气颗粒物中曲霉菌属的相对丰度是其他城市的3.3倍以上。仅在16个城市的样本中检测到RNA病毒，不同城市RNA病毒群落结构分布不同，其中7个城市大气中Virgaviridae（一种植物病毒科）丰度最高。
图1 中国31个主要城市大气中细菌分布情况（注：本地图由自然资源部审图号GS(2019)1673标准地图改编而成，底图未作任何修改，标准大小为126*92mm）
图2 中国31个主要城市大气中真菌分布情况（注：本地图由自然资源部审图号GS(2019)1673标准地图改编而成，底图未作任何修改，标准大小为126*92mm）
图3 中国16个主要城市大气中病毒分布情况（注：本地图由自然资源部审图号GS(2019)1673标准地图改编而成，底图未作任何修改，标准大小为126*92mm）
为了探究城市大气微生物分布的影响因素，如图4所示将中国全国尺度城市水平的公开数据分为三大类：社会因素（例如人口密度、绿地面积比率、第一二三产业占比等）、环境因素（例如地理因素、气象因素等）和空气污染物水平，并进行了冗余分析（Redundancy analysis, RDA）、方差分解分析（Variance partition analysis, VPA）和聚合增强树分析（Aggregated boosted tree analysis, ABT）。结果表明，环境因素尤其是相对湿度对真菌结构的影响最大，其次是空气污染物和社会因素。社会因素尤其是第二产业占比对细菌群落结构的影响最大，其次是环境因素和大气污染物。温度与前20个高相对丰度的细菌和真菌属的拟合效果较好（随机森林回归模型：R2= 0.774）。在社会经济和生态环境因素的共同作用下，不同城市形成了独特的大气微生物指纹图谱。
图4：大气微生物分布的影响因素
空气微生物群落是空气与其他地球表面介质如水、土壤和灰尘相互作用的结果。这种相互作用进一步受到当地社会和经济因素的影响。不同的微生物对这些环境、经济、人类活动因素表现出不同的反应。在社会经济和生态环境因素的影响下，不同城市形成了具有地方特色的空气微生物群落结构，它们可能与人类相互作用，从而对人类健康产生不同的影响。因此，微生物群落结构可以作为城市吸入暴露的健康风险指标。未来还需要对空气微生物与当地社会生态环境的相互作用进行更深入的研究，从而实现基于空气微生物的社会生态环境变化预警，为监测社会生态环境健康风险变化提供依据。城市空气微生物的种群结构也能间接反映该城市的生态环境与宜居性， 是未来空气质量考量的重要指标。
研究成果以“Unique Atmospheric Microbiota Patterns for 31 Major Chinese Cities” （https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2023.120143）为题在线发表在Atmospheric Environment刊物上。论文的第一作者为北大环境学院博士生张璐，北大要茂盛教授为通讯作者。该项目主要得到国家自然科学基金委资助项目（基金号92043302）与国家自然科学基金委创新群体项目（基金号22221004）的资助。
张璐个人简介：北京大学环境科学与工程学院在读博士研究生张璐，主要研究方向为大气颗粒物的组分与健康效应。在本研究中，揭示了中国31个主要城市大气微生物群落结构分布特征并探究了其影响因素，有助于对全国尺度城市大气中微生物分布及其与社会生态环境交互作用的进一步理解。
张璐 （北京大学环境学院五年级博士研究生）
