兰州市不同功能区空气中微生物浓度分布特征及其多样性

摘要

空气微生物是城市生态系统的重要组分，更是评估环境质量的重要指标之一，它既可以造福人类，亦会危害人类的生活和健康。近年来，随着城市空气环境恶化以及雾霾事件的不断发生，对城市空气微生物的研究越来越受到重视。研究兰州市空气微生物浓度分布特征及多样性以期为准确了解兰州市空气微生物群落与生态功能奠定基础，为空气微生物对居民健康、空气环境质量影响评价提供科学依据。
　　本研究以兰州市不同功能区，即风景区(Scenic Area, SA)、交通干线(Main TrafficLine，MTL)、公共服务区(Public Service Area，PSA)、文教区(Culture and Education Area,CEA)空气微生物样品为研究材料，采用恢复培养手段和Biolog方法研究空气中微生物浓度、粒径时空分布特征和空气微生物群落碳代谢功能多样性，阐明空气微生物浓度及群落功能多样性与环境因子的相关性，利用分子生物学技术对兰州市春季可吸入肺空气细菌粒子进行群落组成和致病性分析，得到以下主要结果:
　　(1)兰州市空气中微生物总浓度、细菌、真菌浓度具有明显的空间、季节和日变化规律，空气微生物浓度变化与环境因子之间具有较好的相关性。兰州市空气微生物总浓度范围为196～3752 CFU/m3，空气细菌浓度范围为83～3344 CFU/m3，空气真菌浓度范围为102～1315 CFU/m3，从均值看，兰州市空气细菌浓度为916 CFU/m3，空气真菌浓度为322 CFU/m3，空气中细菌所占比例较大，为66.5％;四个功能区空气微生物总浓度和细菌浓度大小排列一致:MTL＞PSA＞ CEA＞ SA，空气真菌浓度大小排列依次为:SA＞PSA＞CEA＞MTL。对兰州市各功能区空气微生物污染状况进行评估，结果显示，MTL、PSA空气细菌为较清洁等级，其他功能区空气微生物总浓度及空气真菌均为清洁等级;空气微生物浓度在春、夏季较高，秋、冬季较低，其中，空气细菌浓度均在秋季达到最低值。由于雾霾天气原因，进入冬季后细菌浓度有所升高，不同功能区空气真菌浓度季节变化差异不大;SA空气微生物浓度均表现为13:00时较高，9:00和17:00较低，MTL、PSA空气总微生物浓度和细菌浓度变化特征为:9:00＞17:00＞13:00，而真菌浓度变化特征为:13:00＞9:00＞17:00，CEA空气微生物浓度变化特征为:9:00＞17:00＞13:00;兰州市空气微生物总浓度、细菌浓度与温度呈显著正相关，与风速、湿度呈负相关，空气真菌浓度与温度、湿度、风速相关性较弱。
　　(2)兰州市空气微生物粒径呈现明显的时空分布特征。细菌粒子主要分布在一到三级（＞3.3μm），呈偏态分布，而空气真菌粒径呈正态分布，粒径范围在2.1μm～7.0μm的粒子居多;在四个功能区空气中，可吸入肺细菌粒子占23.1％～28.9％，可吸入肺真菌粒子占33.7％～40.7％;一年四季中，可吸入肺细菌粒子浓度在秋冬季较高，可吸入肺真菌粒子浓度在春秋季较高;在一天不同时段，可吸入肺细菌粒子浓度在9:00和13:00时较高，而真菌粒子浓度在9:00和17:00时较高;兰州市空气细菌中值直径约为3.68μm，空气真菌中值直径约为3.15μm，空气细菌中值直径大于空气真菌的中值直径;空气细菌在不同季节中值直径变化范围为3.06μm～4.11μm，在春夏两季中值直径较大，空气真菌中值直径季节变化范围为2.74μm～3.59μm，在夏季中值直径较大;空气细菌中值直径在9:00时段较大，而空气真菌中值直径在17:00时段较大。
　　(3)各季节四个功能区空气微生物的碳源利用强度存在显著差异，在春季和秋季，SA和PSA空气微生物碳源代谢强度高于其他两个功能区，夏季SA空气微生物碳代谢强度最高，冬季CEA、PSA、SA空气微生物碳代谢强度较高;各季节不同功能区空气微生物Shannon指数和Simpson指数差异性不大，表明四个功能区空气中微生物群落丰富度和优势度相似，而McIntosh指数差异较大，表明不同功能区空气微生物群落均一度受不同环境地域、气象条件的影响较大;各季节空气微生物群落碳代谢功能呈现区域性差异，且导致这种差异的主要碳源分异类型不同，氨基酸类是导致春秋两季兰州市空气微生物群落碳代谢功能区域性差异的主要分异类型，导致夏季不同功能区空气微生物碳代谢功能差异的主要分异类型是糖类，冬季主要分异类型是醇类。四个功能区不同季节空气微生物碳代谢强度亦存在差异，SA空气微生物碳代谢能力在春、夏季较高，MTL和PSA空气微生物群落碳代谢能力在秋冬季较高，CEA空气微生物碳代谢能力在冬季较高，夏季与秋季差异不大;各功能区不同季节空气微生物Shannon指数和Simpson指数差异性不大，说明同一功能区空气中微生物群落丰富度和优势度随着季节变化不会发生太大的改变，而McIntosh指数季节差异较大，说明同一功能区空气微生物群落均一度受季节环境变化的胁迫以及气象因子的影响较大;四个功能区空气微生物群落碳代谢功能呈现季节性差异，糖类是导致SA和PSA空气微生物群落碳代谢功能季节性差异的主要分异类型，导致MTL和PSA空气微生物碳代谢功能季节差异的主要分异类型是氨基酸类。
　　(4)兰州市不同功能区可吸入肺空气细菌群落组成存在差异，共检测出48属，分布在六大门类，分别为Actinobacteria、Cyanobacteria、Deinococcus Thermus、Firmicutes、Proteobacteria、Saccharibacteria;CEA和SA细菌群落相似性较高，MTL、PSA进化过程较独立，具有较大的差异性;可吸入肺带菌粒子粒径小于3.3μm，在空气中停留时间越长，传播距离更远，其导致疾病传播以及人体感染的风险也就越大，兰州市可吸入肺空气细菌中检测到9种致病菌或条件致病菌，致病菌的分布也存在空间差异，且人群密集的功能区检出率更高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 城市空气微生物优势菌属的群落组成

1．3 城市空气微生物粒径及浓度分布特征

1．3．1 空气微生物浓度分布特征

1．3．2 空气微生物粒径分布特征

1．4 有害空气微生物健康风险评价

1．5 城市空气微生物多样性研究方法

1．6 研究内容，目的及意义

1．6．1 研究内容

1．6．2 本研究的目的及意义

2 材料与方法

2．1 研究区概况

2．2 主要实验仪器和试剂

2．2．1 主要仪器

2．2．2 主要试剂

2．3 空气微生物采样器及样品的采集

2．3．1 采样器介绍

2．3．2 样品采集

2．4 计算方法

2．4．1 空气微生物浓度

2．4．2 各级带菌粒子百分比

2．4．2 空气微生物中值直径

2．4．3 AWCD值计算

2．4．4 主成分分析及碳源利用率计算方法

2．4．5 功能多样性指数计算

2．4．6 数据统计与分析

2．6 可吸入肺空气细菌群落组成分析

3 兰州市空气微生物浓度时空分布特征研究

3．1 空气微生物总体分布特征

3．1．1 空气微生物浓度特征

3．1．2 空气细菌和真菌浓度百分比

3．2 空气微生物浓度空间分布特征

3．3 空气微生物浓度季节分布特征

3．3．1 空气微生物总浓度季节变化

3．3．2 空气细菌浓度季节变化

3．3．3 空气真菌浓度季节变化

3．4 空气微生物浓度日分布特征

3．4．1 空气微生物总浓度日变化

3．4．2 空气细菌浓度日变化

3．4．3 空气真菌浓度日变化

3．5 空气微生物浓度与环境因子的相关性分析

3．6 兰州市空气微生物污染评价

3．7 讨论

4 兰州市空气微生物粒径及中值直径时空分布特征研究

4．1 空气微生物粒径空间分布特征

4．1．1 空气细菌粒径空间分布

4．1．2 空气真菌粒径空间分布

4．2 空气微生物粒径季节分布特征

4．2．1 空气细菌粒径季节变化

4．2．2 空气真菌粒径季节变化

4．3 空气微生物粒径日分布特征

4．3．1 空气细菌粒径日变化

4．3．2 空气真菌粒径日变化

4．4 空气微生物中值直径时空分布特征

4．4．1 中值直径空间变化

4．4．2 中值直径季节变化

4．4．3 中值直径日变化

4．5 讨论

5 兰州市空气微生物群落的碳代谢特征及功能多样性研究

5．1 空气微生物群落碳代谢及功能多样性的空间差异

5．1．1 空气微生物碳代谢强度及多样性指数的空间变化

5．1．2 不同功能区空气微生物对碳源利用的特征分析

5．1．3 空气微生物群落功能多样性的空间差异与环境因子的相关性

5．1．4 讨论

5．2 空气微生物群落碳代谢及功能多样性的季节差异

5．2．1 空气微生物碳代谢强度及多样性指数的季节变化

5．2．2 不同季节空气微生物对碳源利用的特征分析

5．2．3 空气微生物群落功能多样性的季节差异与环境因子的相关性

5．2．4 讨论

6 可吸入肺空气细菌群落特征研究

6．1 细菌聚类分析

6．2 不同功能区可吸入肺空气细菌群落组成分析

6．3 可吸入肺空气细菌致病性分析

6．4 讨论

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果