【特别策划】雾霾中的微生物
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2016年已至，回顾去年，从年初柴静自费拍摄雾霾深度调查《苍穹之下》引起了不小的轰动以来，到入冬我国北方大部分城市频繁发布雾霾预警，再到最近《环球科学》公布的2015年十大科技热词中排在首位的是雾霾，2015年与我们息息相关、挥之不去的是雾霾。今天，卢瑟菌就和大家一起根据几篇最近发表的权威研究来聊聊雾霾的成因及潜在危害、雾霾中的微生物（重点描述）、雾霾的治理策略等，希望能让大家更进一步的了解我们身边的雾霾。
1.浅谈什么是雾霾？
“雾霾”是雾(fog)和霾(haze)的合称，但两者区别很大，雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统；霾是由二氧化硫、氮氧化物以及可吸入颗粒物等组成的气溶胶系统。雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5（Particulate Matter2.5，空气动力学当量直径≤2.5微米的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的“元凶”。
图1雾和霾的天气符号
2. 雾霾的成因及潜在危害有哪些？
雾霾是特定气候条件和人类活动相互作用的结果，人类活动会排放大量细颗粒物，一旦超过大气循环能力和承载度，再加之静稳天气等影响，极易产生雾霾。2015年9月17日，德国马普研究所Lelieveld等发表在Nature上文章将室外空气污染来源划分为：工业排放(IND)、交通排放(TRA)、住宅能源排放(RCO)、生物质燃烧(BB)、发电产生(PG)、农业排放(AGR)和自然产生(NAT)（图2）[1]。而2014年10月9日中科院地球环境研究所曹军骥发表于Nature上的，关于我国13年1月份针不同城市（北京、上海、广州和西安）雾霾来源的研究则将其来源归类为：交通来源(Traffic)、煤炭燃烧(Coal burning)、生物质燃烧(Biomass burning)、烹饪来源（Cook）、土壤尘(Dust related)和二次气溶胶前体物（包括二次有机气溶胶和二次无机气溶胶）（图3）[2]。由此可看出，我国雾霾在很大程度上是由二次气溶胶导致的（文末有概念的注释），二次气溶胶在大气中是由气态前体物形成的。二次气溶胶的组分中细粒子浓度贡献平均大约30-77%，二次气溶胶前体的来源包括化石燃料燃烧和生物质燃烧等（图3）。
图2全球范围室外空气污染源对过早死亡的贡献示意图
注：IND-工业排放；TRA-交通排放；RCO-住宅能源排放（如供暖、做法）；BB-生物质燃烧；PG-发电产生；AGR-农业排放；NAT-自然产生。白色区域表示年平均PM2.5浓度低于响应阈值。
图3 2013年一月中国四个不同城市的雾霾程度、来源及化学组成分析
室外空气污染的潜在危害是会引起非正常的过早死亡，主要是因为空气污染引发的相关呼吸系统等疾病造成。Lelieveld等通过全球大气化学模型和人口与健康数据来估算不同类型空气污染（主要是细颗粒物）对过早死亡人口的相对贡献，发现室外空气污染每年会引起全球300万人的过早死亡，而这主要发生在亚洲。空气污染物，如臭氧、PM2.5细颗粒物和一些严重的疾病有关，且会长期影响健康。在中国和印度，住宅能源排放（RCO，如供暖和做饭）对过早死亡的影响最大；在美国大部分地区，交通和发电引起的空气污染排放的作用较大；而在美国东部、欧洲、俄罗斯和东亚，农业排放是细颗粒物相对最大的来源（图2）。
根据模型估算，若空气污染排放量不变，到2050年由室外空气污染引发的过早死亡可能会翻倍，预计全球每年会有660万人因此过早死亡，而主要增加的人群来自东南亚和西太平洋地区（尤其是我国，见图中红色区域）（图4）。
图4. 2010至2050年间，每一万平方公里因空气污染会增加的过早死亡人数。
注：该模型是基于污染情况不发生改变为前提，我们若采取有效措施减少雾霾发生过早死亡人数会大大减少，但若空气污染继续加剧，过早死亡人数还会增加；白色区域为预期不会因空气污染而增加过早死亡人数。
3. 雾霾中的微生物有哪些？
雾霾中的悬浮颗粒可为微生物提供附着和生长的栖息地，雾霾中含有的微生物可直接被人体通过呼吸进入呼吸道，从而潜在威胁着人类的健康，目前针对雾霾中微生物的研究较少，针对我国雾霾中微生物的研究目前仅发现两篇文献[3,4]报道。
首先是清华大学朱听研究员课题组对13年北京雾霾中微生物的研究，结果发表在2014年1月份的环境类顶级期刊Environmentalscience & technology上[3]。如下：
研究题目：北京一次严重雾霾期间PM2.5和PM10中的可吸入微生物
研究背景：雾霾中细颗粒物(Particulatematter, PM)含量高、对人健康危害大，尤其是PM2.5和PM10中的微生物是引起各种过敏和呼吸系统疾病扩散的主因，故研究者针对这两种颗粒物中的微生物展开研究。
研究过程：选取北京雾霾频发且较严重的月份（2013年1月）→以天为单位，收集一段时间内的两种粒径的雾霾→提取其中微生物总基因组DNA→高通量宏基因组测序→分析数据，得出结论
主要结果：
（1）在PM2.5和PM10中菌检测到了细菌(Bacteria)、真核微生物(Eukaryota)、古菌(Archaea)和病毒(Viruses)等微生物，其中绝大多数是细菌其次是真核微生物，其具体含量见下图5B；
（2）其中优势细菌/古菌门有：放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和广古菌门(Euryarchaeota)；
（3）雾霾中的微生物（尤其是细菌）可能主要来源于陆地土壤环境（图5D）；
（4）其中绝大多数为非致病性的微生物，但也含有少量致过敏及病原微生物，主要为肺炎双球菌、烟曲霉菌和人类腺病毒C；
（5）随雾霾中PM物质浓度的增加，其中致过敏及病原相关的微生物的量及其相对比例也随之增加。
图5 2013年1月北京雾霾中PM2.5和PM10的浓度变化(A)、其中的微生物组成(B)、多样性(C)及其来源的主成分分析(D)
另一项研究针对雾霾中微生物的也是该课题组开展的，同一批样品，不过这次不是针对其中的总微生物了，而是针对其中的细菌多样性进行研究。研究结果发表在2015年8月国内核心期刊《环境科学》上[4]。如下：
研究过程：选取北京雾霾频发且较严重的月份（2013年1月）→以天为单位，收集一周时间的两种粒径雾霾→提取其中微生物总基因组DNA→针对细菌16SrRNA V3区通过Miseq平台进行专门针对细菌的高通量测序→分析数据，得出结论
主要结果：
（1）雾霾PM2.5和PM10中的最优势的细菌门是放线菌门，其次分别为厚壁菌门、变形菌门、蓝藻门及拟杆菌门等（图6左）；最优势细菌属为节杆菌属，其次为弗兰克氏菌属、地嗜皮菌属、梭菌属等（图6右）；
（2）基于细菌V3区的高通量测序结果和基于宏基因组的结果在属水平上大体基本一致，但个别属存在差别（见图6右）；
（3）在门和属水平，PM2.5和PM10中的细菌群落组成基本类似（图6）；
（4）与国外研究对比发现，大气中普遍存在一些相同的细菌类群，门水平上近地面大气的细菌群落结构特征相似且区别于高空对流层中的细菌群落结构(图7左)；
（5）属水平上，不同地区及不同高度的空气中细菌群落结构相差较大（图7右）。
图6 北京雾霾的PM2.5和PM10中细菌在门水平（左）和属水平（右）的群落组成
图7 世界不同地区空气中的细菌在门水平（左）和属水平（右）的分布比较
4.雾霾的治理策略是什么？
2014年Nature上对我国四城市雾霾的研究指出，控制雾霾污染的策略旨在减少二次气溶胶前体物的排放，如从化石燃料或者生物质燃烧角度入手，减少主要污染源（直接排放到大气中的粒子）的释放[2]。
2015年10月22日芬兰赫尔辛基大学Kulmala在Nature上发表评论指出，中国现在空气污染物的浓度比欧美城市高几十甚至上百倍，而污染物的化学物质组成也是前所未有的——现代工业、汽车和其他排放来源意味着中国二十一世纪的雾霾从化学成分上和上世纪伦敦被形容为黄绿色“豌豆汤”状的雾霾相比，是不一样的。清理中国雾霾的第一步是理解其大气化学，改善中国城市和家庭中的空气质量需要对于空气污染物之间发生的反应有更深刻的理解。单凭打击单一污染物，如细颗粒物、SO2和NOX是远远不够的，有时试图控制一种污染物反而会增加其他污染物的浓度。Kulmala呼吁中国尽快建立城市空气污染监测站网络，同时追踪与健康相关的空气污染物和这些污染物之间的反馈及相互作用，以此来提供指导方针，只有先了解大气化学后，中国才能有效地根治空气污染 [5]。
5.结语
通过上面的介绍，相信大家对雾霾的来源及成因、潜在影响及控制策略，尤其是雾霾中的微生物有了进一步的了解。那么，静思一 49 30675 49 15287 0 0 3965 0 0:00:07 0:00:03 0:00:04 3965，当我们面临这“十面霾伏”，除了“自强不吸”之外，是否还能做点什么呢？我们不希望将来拍照像下图一样才能有蓝天，更不希望将来自己的孩子像图中那样玩耍。我们出行可以尽量乘坐公共交通设施、近距离出行步行或自行车、爱护树木、植树造林，也可以呼吁身边的人、教育自己的孩子环保的重要性，奇迹因改变而发生，相信我国在不远的未来定会一片碧水蓝天。
图片来源：EPA/AlexHofford, Camera Press London
主要参考文献：
[1] Lelieveld J, Evans J S, Fnais M, etal. The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality ona global scale[J]. Nature, 2015,525(7569): 367-371.
[2] Huang R J, Zhang Y, Bozzetti C, etal. High secondary aerosol contribution to particulate pollution during hazeevents in China[J]. Nature, 2014,514(7521): 218-222.
[3] Cao C, Jiang W, Wang B, et al.Inhalable microorganisms in Beijing’s PM2. 5 and PM10 pollutants during asevere smog event[J]. Environmental science & technology,2014, 48(3): 1499-1507.
[4] 王步英, 郎继东, 张丽娜, 等. 基于 16SrRNA 基因测序法分析北京霾污染过程中 PM_(2.5) 和 PM_(10) 细菌群落特征[J]. 环境科学, 2015, 8: 001.
[5] Kulmala M. Atmospheric chemistry:China's choking cocktail[J]. Nature, 2015, 526(7574): 497.
概念科普：
气溶胶(aerosol)：液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾、轻雾(霭)、微尘等，都是天然的或人为的原因造成的大气气溶胶。气溶胶按其来源可分为一次气溶胶和二次气溶胶两种
一次气溶胶(primary aerosol))：把土壤尘、燃煤、生物质燃烧、汽车尾气与垃圾焚烧、工业污染这些来源明确，以微粒形式直接从发生源进入大气，还未发生复杂转化的空气颗粒污染物，称为一次气溶胶。
二次气溶胶(secondary aerosol)：指在大气中由一次污染物经复杂的物理化学反应(主要是紫外光、臭氧、OH自由基等引起的光化学反应)形成新的大气颗粒物。即二次气溶胶其实是独立于排放源的新产生的大气颗粒物，难以明确其初始来源，因此，通常把二次气溶胶单独作为一个污染源进行研究。
宏基因组(Metagenome)：也称微生物环境基因组或元基因组，由Handelsman等 1998年提出，其定义为“thegenomes of the total microbiota found in nature”，即生境中全部微小生物遗传物质的总和。包含了目前可培养的及未可培养的微生物的基因，主要包括环境样品中的细菌、古菌及真核微生物的基因组总和。
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