不同气候条件下生物气溶胶分布特征及影响因素研究

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生物气溶胶是指空气中生物来源的颗粒,是大气气溶胶的重要组成部分,与空气质量密切相关。一方面,生物气溶胶的暴露可导致严重的健康风险,包括呼吸系统的感染、致敏和毒性反应;同时,其在大气环境中也扮演着重要角色,影响着云的形成和气候变化。因此,了解生物气溶胶在不同气候条件下的浓度与菌种分布特征及其影响因素,对于理解其环境效应具有非常重要的意义。而目前,国内外在该方面的研究不多,不仅缺乏城市间的横向对比,对不同气候条件下生物气溶胶浓度及其变化规律也鲜有涉及。本文结合外场观测及与实验室分析,研究了不同气候条件下城市与郊区不同粒径生物气溶胶的分布特征,并通过高通量测序法分析了细菌种群分布;在此基础上,讨论了生物气溶胶城郊分布差异、时间变化规律及其相关影响因素;本论文探讨了环境污染对生物气溶胶的作用,以特殊环境因素——烟灰为例,对生物气溶胶的可培养性、活性和氧化应激的影响;此外,本论文还探讨了不同采样方法对生物气溶胶分析结果的影响。  研究发现,不同气候条件下细菌、真菌气溶胶浓度显著不同。细菌气溶胶浓度水平由高至低依次为:温带大陆性气候区的兰州、温带季风气候区的北京、热带季风气候区的海口、亚热带季风气候区的上海、广州和成都;而真菌气溶胶浓度水平由高至低依次为:广州、成都、海口、上海、兰州和北京。在广州、海口、上海、成都四城市可培养和总细菌气溶胶的浓度较高的前十种细菌菌属中,均发现了可能含有致病菌和机会致病菌的菌属,如泛菌属、假单胞菌属、微小杆菌属、紫色杆菌属等。从可培养数据角度来看,海口的菌群丰度最高;从总细菌气溶胶数据来看,成都的菌群丰度和多样性均为最高。  本文从日变化、城郊差异、室内外差异的角度探究了生物气溶胶的时空变化和影响因素。从生物气溶胶的日变化方面来看:细菌气溶胶日变化呈现双峰式和单峰式两种模式;真菌气溶胶日变化则呈现峰式、谷式和平稳式三种模式。生物气溶胶日变化的影响因素包括温湿度、风、太阳辐射等,其中,人类活动,尤其是早晚高峰时段引发的近地面扰动对生物气溶胶的浓度变化具有重要影响。城郊分布差异方面:从浓度来看,细菌气溶胶城郊分布除海口外均存在显著性差异,真菌气溶胶的城郊浓度分布则在各地均存在显著性差异;从粒径分布来看,真菌气溶胶城郊粒径分布差异不大,但细菌气溶胶存在较大差异。室内外差异方面:从浓度来看,细菌气溶胶浓度明显高于室外,且变化幅度大,可能与所选择的房间参数有关;而真菌气溶胶除在室内较室外更为稳定之外,没有明显差异;从粒径分布角度,室内细菌气溶胶粒径分布多集中在第五层,但真菌气溶胶室内外粒径分布差异不大;从种群结构角度,室内外的细菌分布具有一定类似性,但室内的种群丰度和多样性都明显高于室外。  本文选取了一种特殊的环境污染物——香烟烟灰,探究了其对细菌的作用效果。总的来说,不同品牌的香烟烟灰对不同类型的细菌作用不同。所有品牌香烟的烟灰(苏烟、红塔山、大前门)均对Escherichia coli(大肠埃希杆菌,以下简写为E.coli)表现出了灭活作用,其中大前门烟灰的灭活效率最高;香烟烟灰对某些敏感细菌种类可能具有毒性,不仅可以破坏细菌的可培养性,还会破坏其活性。相对地,烟灰对Bacillus substillus(枯草芽孢杆菌,以下简写为B.substillus)的作用较为复杂,在低浓度下能有效促进其生长;因而,释放在空气中的烟灰可能成为细菌繁殖和有效传播的温床。从胞内ROS水平出发,初步探讨了烟灰的灭活机理。只有高浓度(40g/L)烟灰处理过的B.substillus细胞内ROS水平较高,这种现象对两种香烟品牌(红塔山、大前门)均适用。  此外,本研究对比分析了不同采样方法对生物气溶胶分布数据的影响。在室外环境下,无论是广州还是海口,从OTU数目来看,采样方法得到的OTU数从高到低依次是:自由沉降≈Anderson>空调滤膜≈发动机滤膜>TSP;在室内环境中,自由沉降和Anderson采样方法虽然结果差别不大,但Anderson采样方法还是要好于自由沉降方法。与传统的观念不同,在本研究的条件下,Anderson采样法获得了更多的OTU,而获得的种群丰度和多样性也更高;而空调滤膜采样法价格低廉,操作简便,易于推广,且获得的OTU数目比TSP更多。本研究结果将对在不同环境下采样方法的选择提供依据。  本文研究了不同气候条件下生物气溶胶粒径分布特征及时空变化特征,获得了细菌种群结构,并探讨了环境因素对其活性等影响,研究成果将有助于理解生物气溶胶在大气环境的分布及演变规律,为对其在不同环境下的暴露风险及健康效应的评估提供重要参考。
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