山东省济南市与泰山生物气溶胶多样性研究
发布时间：2020-07-12 18:02
【摘要】：生物气溶胶是大气气溶胶的重要成分之一,与人体健康、空气质量、全球气候变化、以及大气物理化学过程等密切相关。本研究通过在山东省济南市和泰山地区开展气溶胶加强观测,运用环境污染物在线监测、IlluminaMiseq高通量测序、实时定量PCR等技术手段和HYSPLIT后向轨迹、序列同源性分析、PICRUSt基因预测等分析方法对山东省典型地区生物气溶胶的浓度水平、分类组成、来源、功能、以及长距离传输的影响等进行深入研究,得到如下结果:(1)济南市冬季空气污染较严重,2014年1月至3月观测期间中有74.5%是灰霾天,其中PM_(2.5)日均浓度最高值达432.5 μgm-3,远远超出国家二级标准限制(75 μg m-3)。亚微米颗粒物PM0.18-1中细菌浓度均值为21509 cells m-3,范围为17624～25573 cells m-3,不同粒径之间无显著差异。细菌浓度值与环境污染物S02、N02和03质量浓度值呈显著负相关,与PM_(2.5)质量浓度和相对湿度等无显著相关性。颗粒物中细菌群落组成在门和纲水平上变化不大,主要是由厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)等构成。不同粒径的颗粒物中优势菌分布在门、纲、目、科和属级别上较为相似,存在显著差异的均是痕量菌(P=0.05,F=2.3),如PM0.18-0.32中丰度较高的全噬菌科(Holophagaceae)和PM0.32-0.56中丰度较高的醋菌属(Acetobacter)等。除此之外,在颗粒物中发现了丰富的致病菌和功能菌,对人体健康和地球生态循环造成一定潜在的影响。对前30个优势细菌属进行序列同源性分析,推测灰霾期间济南市亚微米颗粒物中的细菌主要来源于土壤、叶表面和排泄物等环境。(2)泰山云水pH均值约为5.77,远高于往年同一地区云水pH值,也高于其他地区云水pH值,这说明近年来泰山地区降水酸化情况有一定改善。在云水中鉴别出丰富多样的细菌,主要是革兰氏阴性菌,如不动杆菌属(Acinetobacter)、沙雷氏菌属(Serratia)、马赛菌属(Massilia)、鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)、食酸菌属(Aciidovorax)和假单胞菌属(Piseuudomonas)等。特别地,还发现一些具有潜在生态功能的细菌属,可参与云形成(Sphingomonas、Pseudomonas、Bacillus和Rhodococcus等)和大气物理化学过程,如有机物代谢(Rhodococcuss和Bacillu 等)、氮循环(Rhizobbiales 和Nitrospira 等)、硫循环(Rhodobacteraceae、Desulfobacterales Syntrophobacterales 等)或具有潜在致病性(Acinetobacter、Pseudomonas和Delftia等)。根据采样时间的差异,将样品分为日间组和夜间组。经差异对比发现:同一场云事件中,多样性指数并没有明显规律;不同的云事件中,日间组样品细菌多样性高于夜间组样品,甚至高于亚洲沙尘期间大气颗粒物中结果,这说明日间采集的泰山云水中的细菌种类比沙尘期间空气中的细菌种类更为丰富。将采样期间的环境因素和气象因素进行分析,发现除了气团来源之外,环境污染物O3和SO2也会诱导云水中细菌群落的变化。本研究结果可为环境科学家和生物学家提供重要的参考价值。但是研究仍有局限性,由于云水样品珍贵,体积较少,DNA含量略低,所有样品均没有检测到细菌浓度水平。因此在未来的研究中,将通过延长采样时间,优化DNA提取效率,同时结合培养实验和宏基因测序对云水微生物开展更深入的研究。(3)泰山PM_(2.5)中细菌浓度平均值为490 cells m-3,浓度范围:137～1728 cells m-3,数值远低于其他高海拔地区、近地表城市、以及沿海地区的研究结果。观测期间泰山地区主要受来自西北方长距离传输的气团影响(42%),在此气团的主导下,PM_(2.5)质量浓度较低,相应的细菌浓度水平也较低,但多样性较高,部分细菌相对丰度存在显著的增加。西方内陆气团,出现频率是33%,受此气团影响的颗粒物中细菌浓度最高(602 cells m-3),但多样性有所降低。东南方海面气团出现频率为25%,受此气团影响,颗粒物质量浓度最高(61.12 μg m-3),但是相应的细菌浓度最低,多样性水平也最低。泰山PM_(2.5)中颗粒物细菌主要是革兰氏阴性菌为主,如伯克氏菌(Burkholderia,33.5%)、代尔夫特菌(Delftia,3.1%)、慢生根瘤菌(Bradyrhizoum,2.3%)和甲基杆菌(Methylobacterium)等。不同气流轨迹中PM_(2.5)中细菌浓度无显著变化,但细菌群落特征显示明显的差异。来自西北方的长距离传输对沙尘源细菌(Breviaacillus和Stoaphylococcus)、Bryobacter、Anoxybacillus和Noviherbaspirillum等的输入起重要作用;而来自南方海面气团会带来较多的Pandoraea和Phyllobacterium;局地气团带来的则是较多的潜在病原菌。经统计分析显示,环境温度、湿度和颗粒物中的化学组分,如Cl-、SO42-、K+、Ca~(2+)和Mg~(2+)是影响细菌群落组成变化的主要环境因子。结果表明局域传输和长距离传输对PM_(2.5)中细菌群落扩散均有一定影响。(4)泰山PM_(2.5)和PM1中真菌平均拷贝数分别为9.4×104copiesm-3(1.0×104～4.8×105 copies m-3)和 1.3×105 copies m3(3.7×103～1.0×106 copies m-3)。根据不确定性检验,PM_(2.5)和PM1中真菌浓度不存在显著差异。PM_(2.5)和PM1中真菌OC的平均浓度分别为6.1 ng C m-3和8.3 ng C m-3,占颗粒物质量浓度的0.067%和0.096%,说明空气中真菌孢子对大气碳气溶胶有一定的贡献。与近地表研究结果对比发现显著差异,这可能是由于真菌不同的来源导致。长距离传输的西风和西北风有利于泰山地区真菌的生长繁殖。对于真菌群落结构来说,丰度最高的目包括 Pleosporales、Xylariales、Eurotiales、Capnodiales 和 Polyporales。以上都是大气颗粒物(TSP、PM10、PM_(2.5)和PM1等)中常见的真菌种类,只是丰度略有不同。在种的分类学水平上,鉴定出了 12种人类病原体和过敏原,其中三种最常见的是 Aspergillus flavus、Blumeria graminis 和 Saccharomyces cerevisiae。真菌群落分布显示显著的季节差异和粒径差异。Glomerella和Zasmidium等的丰度随颗粒物粒径的增大而降低,在秋季增加较明显。而在冬季,Penicillium、Bullera和Geosmithia等的丰度会随着粒径的降低而有所增加。夏季细菌群落并没有发现明显的差异。研究发现细菌群落的变化会受到环境因素的影响,如湿度、温度、风速、PM_(2.5)、及颗粒物的化学成分(Ca~(2+)等)。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X513
【图文】：
１９世纪末，Ｍｉｑｕｅｌ等１１５１证实空气中真菌孢子的浓度水平季节性变化明显，逡逑且依赖于风向。Ｈｕｆｆｍａｎ等１１６１运用ＵＶ－ＡＰＳ观测到不同类型生物气溶胶（细菌、逡逑真菌和病毒等）的数浓度及粒径分布，如图１－１所示。荧光生物粒子的数浓度趋逡逑逦＂逡逑ＭＯＯ逦＾００逦？００逦ｚ逡逑％邋１邋ＣＭｏｔｔｔ邋２Ｏ０Ｓ逡逑图１－１荧光生物粒子的数浓度粒径分布的时间序列（Ｎｒ，ｅ代表ＦＢＡＰｓ的数浓度；逡逑ＮＴ，Ｃ代表粒径大于１的颗粒物的数浓度）逡逑１１逡逑
Ａｃｔｉｖｉｔｙ邋＆邋Ｆｅｅｄｂａｃｋ逡逑图１－２生态系统中生物气溶胶的循环和效应１２２１逡逑物气溶胶己成为国内外环境学科的重要课题和研究热点之一。如图１－３所示，经逡逑Ｗｅｂ邋ｏｆ邋Ｓｃｉｅｎｃｅ数据库检索，生物气溶胶（Ｂｉｏａｅｒｏｓｏｌ）的文章数量，呈现一个稳逡逑步增长趋势。但是与其他气溶胶（硫酸盐、海盐粒子、或沙尘粒子等）相比，对逡逑生物气溶胶的关注仍十分有限，仅有的研究较多地侧重于其毒理性和致病性，即逡逑生物气溶胶的健康效应，从空气污染和环境评价角度对生物气溶胶的研究十分逡逑匮乏。尤其是因为生物气溶胶群落组成复杂，动态性较强（来源广泛且难以识别），逡逑易受环境（温度、湿度和海拔等）和大气因素（Ｓ０４２＿、Ｎ０３＿、Ｓ０２、０３和ＮＯ等）逡逑影响，使得生物气溶胶研[偩俨轿琛Ｋ淙豢蒲Ъ壹嚎沽舜罅康墓ぷ鳎〉昧隋义弦幌盗兄匾难芯砍晒
本文编号：2752318
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X513
【图文】：
１９世纪末，Ｍｉｑｕｅｌ等１１５１证实空气中真菌孢子的浓度水平季节性变化明显，逡逑且依赖于风向。Ｈｕｆｆｍａｎ等１１６１运用ＵＶ－ＡＰＳ观测到不同类型生物气溶胶（细菌、逡逑真菌和病毒等）的数浓度及粒径分布，如图１－１所示。荧光生物粒子的数浓度趋逡逑逦＂逡逑ＭＯＯ逦＾００逦？００逦ｚ逡逑％邋１邋ＣＭｏｔｔｔ邋２Ｏ０Ｓ逡逑图１－１荧光生物粒子的数浓度粒径分布的时间序列（Ｎｒ，ｅ代表ＦＢＡＰｓ的数浓度；逡逑ＮＴ，Ｃ代表粒径大于１的颗粒物的数浓度）逡逑１１逡逑
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