长三角区域大气细颗粒物中微生物群落动态及功能变化研究

This proposal intends to characterize the airborne microorganisms of PM2.5 in typical cities (Shanghai, Nanjing, Hangzhou, and Hefei) in the Yangtze river delta. To determine the concentration, community distribution, potential pathogens and allergens, antibiotic resistance genes, and functional diversity of inhalable microbial communities by metagenomics, Illumina Miseq Sequencing, and Real-time fluorescent quantitative PCR. To analysis the dynamics of microbial community composition and function in sand dust, photochemical pollution, biomass burning, and haze events. To clarify the key factors in shaping the variation of airborne microbial communities. To understand the potential genes and microbial species participated in the formation and transformation of secondary aerosols and their potential mechanisms. This work is able to reveal the dynamics of microbial community and functions of PM2.5 in the Yangtze river delta and it will provide important scientific basis for the prevention and control of airborne microorganism pollution.

本项目以长三角区域典型城市（上海、南京、杭州和合肥）为研究区域，运用宏基因组学、二代高通量测序及实时荧光定量PCR等分子生物学技术对大气细颗粒物中微生物群落浓度、分类、病原微生物种类及功能多样性等开展研究。结合空气质量和气象条件等因素探讨沙尘、光化学污染、生物质燃烧和灰霾过程中微生物群落和功能的动态变化规律，明确主导微生物群落变化的关键影响因素；结合KEGG数据库比对获取细颗粒物中微生物群落的代谢途径，揭示大气微生物参与二次颗粒物形成转化的代谢途径及作用机制。该项研究为长三角一体化区域联防联治和防控大气微生物污染提供科学支撑。

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。本项目使用环境污染物在线监测体系、Illumina Miseq高通量测序、实时定量PCR等技术手段，同时结合HYSPLIT后向轨迹、序列同源性分析、PICRUSt基因预测等分析方法，研究长三角区域典型城市上海市大气细颗粒物中细菌群落浓度水平、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）明确了上海市区和郊区大气颗粒物PM2.5中细菌群落特征及潜在环境影响因素。发现上海市大气细颗粒物中细菌的平均数浓度为2.12×103 cells m-3，优势属为鞘氨醇单胞菌、弯钩菌、不动杆菌、慢生根瘤菌、甲基杆菌、盐单胞菌、和门杆菌等。这些细菌群落与生态系统中氮、碳、硫元素循环和人类健康风险密切有关。城市大气PM2.5的细菌群落多样性高于郊区大气。基于结构方程模型解释了城市和郊区细菌多样性、浓度和差异属的27%、41%和20%-78%的差异来源。（2）绘制了COVID-19爆发期间上海市PM2.5中ARGs指纹图谱，包括7类抗生素(β-内酰胺种、氨基糖苷类、MLSB、磺胺类、FCA、四环素类和万古霉素)中的258种ARGs。其中blaTEM数量最多，其次是ermT-01、tetQ和aac(6′)-Ib。相比于其他类型环境样品（土壤、水等），大气细菌群落具有更强的多重耐药性。基于基因网络分析发现，1类整合子相关基因对空气传播ARGs的水平转移和富集起重要作用。COVID-19期间，ARGs的发生和传播对人类健康存在潜在的健康威胁，应引起强烈的重视。该项目加深了对长江三角区域特大城市上海市中大气细菌和抗生素抗性基因的了解，强调了环境变量对微生物组分的潜在影响作用，有助于从公共卫生的角度重新定义当前的空气质量标准，特别是在紧急公共卫生事件发生期间。