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基于高通量测序的南方典型旅游城市空气细菌群落特征研究

姚文冲  
【摘要】:空气质量与人类健康密切相关,空气中的微生物尤其是致病菌能够引起人们过敏、哮喘以及呼吸道传染病的发生。近年来,我国大范围内雾霾的发生频率越来越高,空气生物性污染的研究得到了高度的重视和广泛的关注,全面掌握空气中微生物群落特征及时空变化规律对城市系统的维护及人群健康的保持具有密切联系,同时空气微生物变化特征与城市空气污染及环境改善息息相关。本研究以南方典型旅游城市杭州为例,(1)利用FA-Ⅰ型生物粒子取样器进行空气微生物取样,研究了杭州市4个不同功能区:交通干线(TJCR)、商业街(YRBS)、高教园区(ZJGSUJC)和公园绿地(BLQG)空气细菌和真菌浓度及粒径分布特征;研究了西湖风景区4个不同景点:柳浪闻莺(OSW)、断桥残雪(MSBB)、三潭印月(TPMM)和宝石流霞(PSHFRC)空气细菌和真菌浓度及粒径分布特征;研究了不同高度空气细菌和真菌浓度及粒径分布特征;研究了空气细菌和真菌浓度与污染因子之间的关系;(2)利用Corioliusμ液体取样器对空气微生物进行取样,研究了杭州市不同功能区及西湖景区不同景点空气细菌群落时空变化特征;研究了天气特征对空气细菌群落结构的影响;研究了不同高度对空气细菌群落特征的影响;研究了杭州市极端高温前后空气细菌群落结构的变化特征。主要研究结果如下:(1)杭州市空气细菌和真菌浓度时空变化差异显著,空气细菌和真菌浓度均值分别为313 CFU/fm~3和848 CFU/m~3,其占比分别为27.8%和72.2%。空气细菌浓度YRBS最高为507CFU/m~3,BLQG最低为197 CFU/m~3。空气真菌浓度 ZJGSUJC 最高为 1176 CFU/m~3,TJCR 最低为557 CFU/m~3。杭州市空气细菌粒径呈偏态分布,从第Ⅰ~Ⅵ级菌落百分比逐渐减小;空气真菌粒径呈对数正态分布,主要集中分布在第 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 级。杭州市空气细菌群落特征随时空变化差异显著,4个样点不同季节空气细菌门水平优势菌群均为Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes、Cyanobacteria、Actinobacteria,但菌群相对百分含量差异显著。不同样点空气细菌群落特征在属水平呈显著性差异,秋季BLQG、TJCR、YRBS 和 ZJGSUJC 优势菌群分别为Cystobacter(9.64%)、GpI(7.32%)、Deinococcus(7.41%)、GpI(10.67%);冬季 4 个样点优势菌群分别为Deinococcus在BLQG(6.2%)和TJCR(8.97%)中含量最多,而YRBS和ZJGSUJC中GpI含量最多,分别为8.35%和6.19%;春季BLQG的优势菌群为Streptophyta(19.24%),TJCR的优势菌群为 Streptophyta(31.07%),YRBS 的优势菌群为Buchnera(29.63%),ZJGSUJC的优势菌群为Streptophyta(17.61%)。通过α多样性指数的分析,秋季YRBS空气细菌丰度相对较高均匀度较低,冬季BLQG空气细菌丰度相对较低均匀度较高。(2)西湖风景区4个景点空气微生物浓度差异显著。空气细菌浓度MSBB最高为961 CFU/m~3,OSW浓度最低为193 CFU/m~3,空气真菌浓度MSBB浓度最高为668 CFU/m~3,PSHFRC浓度最低为193 CFU/m~3,不同样点夏季空气细菌和真菌浓度显著高于冬季。各样点空气细菌和真菌粒径分布特征差异显著,不同样点空气细菌粒子在第Ⅰ级中百分比较高,空气真菌粒子在Ⅲ和Ⅳ级中浓度百分比较高。西湖景区4个景点空气细菌群落结构差异显著,共鉴定出33门954属空气细菌,门水平上各景点空气细菌相对含量最多的是Proteobacteria,Actinobacteria,Firmicutes,Bacteroidetes 和Cyanobacteria;属水平上各景点的优势菌群各不相同,MSBB、TPMM、OSW和PSHFRC相对含量较高的菌属分别是Massilia(6.22%)、Janibacter(6.45%)、Sphingomonas(6.05%)和Methylobacterium(11.5%)。MSBB、TPMM、OSW 和 PSHFRC 的 OTU 数量分别为5075、4261、3771和4688;通过α多样性指数的分析,PSHFRC的空气细菌丰富度较低均匀度较高,而MSBB空气细菌丰富度较高均匀度较低。(3)不同高度空气微生物浓度差异显著,空气细菌和真菌浓度随着取样高度的增加而逐渐减小;不同高度空气细菌粒径呈偏态分布,从取样器Ⅰ~Ⅵ级菌落百分比逐渐减小,空气真菌粒径呈对数正态分布,菌落主要集中在第Ⅲ、Ⅳ级。不同高度共鉴定17门296属空气细菌,门水平上不同高度优势菌群均为Proteobacteria;属水平上不同菌群随高度变化规律不同,菌群GpI相对含量随着高度增加而增多,而Clostridium随高度增加相对含量减少。低层L、中层M和高层H的OTU数量分别为3358、2894和2143;通过α多样性指数的分析,高层空气细菌丰度相对较低均匀度较高,而低层L空气细菌丰度相对较高但均匀度较低。(4)不同天气特征共鉴定出22门588属空气细菌,并且差异显著。门水平上,晴天相对含量最多的菌群是Firmicutes(46.56%),而其它天气优势菌群为Proteobacteria,其中阴天、雨天和雾霾天分别占35.44%、41.45%、38.44%;属水平上,晴天、阴天、雨天和雾霾天的优势菌群分别是Lactobacillus 18.13%)、Mucilaginibacter(5.2%)、Streptococcus(8.11%)和GpI(6.59%)。晴天、阴天、雨天和雾霾天空气细菌OTU数量分别为1575、1745、1483和2185;通过α多样性指数的分析,雾霾天气空气细菌丰度度相对较高均匀度较低。(5)空气细菌和真菌浓度与污染因子之间关系显著。空气细菌和真菌浓度与空气质量指数、03浓度和PM10浓度呈显著负相关,空气细菌浓度与NO2浓度和PM2.5浓度呈显著正相关;空气真菌浓度与NO2浓度、CO浓度和PM2.5浓度呈显著正相关。杭州市4个功能区在极端高温天气前后空气细菌16SrDNA基因拷贝数差异显著。高温之前YRBS、BLQG、ZJGSUJC和TJCR的基因拷贝数分别约为9.50 10~3个/m~3、3.98 10~3个/m~3、1.17 10~4个/m~3和6.46 10~4个/m~3;高温之后16S rDNA基因拷贝数分别约为4.38 10~2个/m~3、0.31 10~2 个/m~3、1.54 10~3 个/m~3、和 1.30 10 3 个/m~3,降低幅度分别约为95%、99%、87%和80%。极端高温前后,杭州市4个不同功能区菌群结构差异显著,高温之前的优势菌群为Caulobacterales(17.9%)、放线菌(17.7%)、伯克氏菌目(10.9%)、根瘤菌目(8.9%)、Sphingomonadales(7.7%)和 Rhodocyclales(6.99%);高温之后的优势菌群是Rhodocyclales(29.9%)、伯克氏菌目(19.9%)、放线菌(13.9%)、Bacillales(7.6%)。经历极端高温天气之后,菌群伯克氏菌目、Rhodocyclales和Bacillales的相对含量显著提高;放线菌、Caulobacterales、根瘤菌目、Sphingomonadales 和 Xanthomonadales 的相对含量显著降低。


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