携带正负电荷生物气溶胶的浓度、G+与G-菌种及其电荷量与基因表达机理的研究

Bioaerosol charge polarity, concentration level as well as their membrane types play important roles in their detection and adverse health effects, e.g., lung diseases and sick building syndrome (SBS). Although bioaerosol sampling by electrostatic means is extensively studied, bioaerosol concentration levels with different charge polarity, the percentages of Gram-positive (G+) and Gram-negative (G-) bacteria as well as the underlying mechanisms are not reported or less understood.Using electrostatic sampling, molecular biology (PCR and DGGE) as well as Gram stain and selective culturing methods, this project is designed to investigate the bioaerosol concentration levels with different charge polarity,the relationship between charge level and DltA-E gene expression, and the percentages of Gram-positive and Gram-negative bacteria in both positively and negatively charged particles.In additon, an understanding is to be developed regarding the relationship between airborne bacterial membrane types and charge polarity through electrostatic means. The results from this project are expected not only to provide insights about bioaerosols sampling, control and exposure assessments through electrostatic precipitation, but also to develop a novel method for studying bioaerosol characteristics. In addition, the results might also provide molecular clues about the underlying mechanisms by which the bioaerosol charge levels might be regulated by gene expression.

生物气溶胶携带的电荷电性、电荷量及细胞壁结构是影响其检测与健康效应如呼吸系统疾病、病态楼宇综合症等的重要属性。大量研究报道了利用静电场监测生物气溶胶，但采集到的携带正、负电荷生物气溶胶的浓度、革兰氏阳性(G+)与阴性(G-)比例、种群结构以及相关机理尚不清楚。本项目主要利用静电场采集室内外不同环境中携带正负电荷生物气溶胶，研究其在不同环境中的浓度比例，通过基因扩增（PCR）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）和基因测序等手段研究其种群结构及电荷量与DltA-E基因表达相关性，结合革兰氏染色、选择性培养等方法对比研究在不同环境中携带正、负电荷细菌气溶胶中G+和G-的比例，间接阐述生物气溶胶细胞壁结构与其所带电荷电性的关系。本研究从分子水平上揭示生物气溶胶携带电荷量可能由基因表达控制的相关机理，为生物气溶胶的静电场采样、控制和暴露风险评估有效性提供技术依据，也为生物气溶胶的属性研究提供一种新方法。

本项目研究生物气溶胶在不同气候、污染条件下动力学特征包括电荷、浓度、革兰氏阳性与阴性比例分配、大气中细菌的种类等，具体包括（a）研究成果显示细菌气溶胶所带电荷（在自然环境里）可能和相关基因表达存在一定的关系。室外具有活性的生物气溶胶的加权平均粒径为1.64μm，小于室内生物气溶胶的加权平均粒径1.79μm。室外可培养的生物气溶胶的带电量的分布更加趋近于正态分布 （峰值在21-29基本单位电荷）， 但是对于室内的可培养的生物气溶胶而言，其带电量的分布更趋向于倾斜分布（峰值在46–92基本单位电荷）；（b）指出灰霾天生物气溶胶浓度显著上升，而当灰霾持续几天，生物气溶胶浓度降低，但内毒素浓度升高至少两倍。基因测序结果显示，对于前13种主要细菌气溶胶种类与蜂度灰霾天与晴朗天没有差别。总的来说有活性的生物气溶胶浓度平均水平为104-105个/立方米，有的地区主要集中在1微米或更小如北京（可能以细菌为主），而有的地区如甘肃生物荧光峰值有的在3-4微米（可能以真菌为主），所以对不同地区的空气中的有活性的细菌、真菌的分布有明显的差别，从而也可以作为一个地区生态环境的指纹；（c）研究发现，不同气候条件下细菌、真菌气溶胶浓度显著不同，且可培养生物气溶胶的种群组成各不相同。细菌气溶胶日变化呈现双峰式和单峰式两种模式。（d）课题组研究了废水处理厂的排放水平，研究结果表明污泥浓缩池附近的空气中具有最高的细菌浓度高达1697 CFU/m3， 而真菌的浓度高达930 CFU/m3。通过基因测序，课题组发现废水处理厂空气中含有300多种细菌，包括一些人类的机会致病菌。此外，课题组在空气中还发现耐药基因如sul2和整合子class 1 integrase。研究成果被美国促进协会以“Chinese team now develops a better understanding of microbes in the air”为题最为研究亮点评述报道。课题组一共发表17篇SCI论文，申请了8项专利，做亚洲气溶胶主题报告一次，获得亚洲、欧洲以及美国气溶胶协会分别颁发的青年气溶胶科学家杰出贡献奖，中国气溶胶技术创新奖， 于2016年获国家技术发明二等奖（2/6）、44届日内瓦国际发明展特别金奖、北京大学优秀博士生导师奖等。博士研究生获上海同济高廷耀环保科技发展基金会“青年博士生杰出人才奖学金”。