中国北方严重雾霾-降雪污染期间病原微生物及抗生素抗性基因的富集与迁移机制研究

　　本研究针对中国北方冬季雾霾-降雪事件中病原微生物及抗生素抗性基因(ARGs)的迁移机制展开研究。通过监测PM2.5和降雪样本发现，严重污染期间PM2.5浓度达309 μg/m3，微生物群落结构发生显著变化。降雪后病原菌占比升至75%，ARGs耐药机制从外排主导转为靶位修饰主导。研究揭示了湿沉降过程对高风险生物气溶胶组分跨生态系统迁移的影响，为污染天气下的公共卫生风险评估提供重要依据。

　　

当灰蒙蒙的雾霾笼罩中国北方城市，人们通常关注的是那些可见的颗粒物和化学污染物，却很少意识到空气中还潜藏着更隐蔽的健康威胁——病原微生物和抗生素抗性基因。这些微小的生物组分附着在颗粒物上，随着呼吸进入人体，或通过降雨降雪沉降到地表，悄然影响着生态系统和公众健康。特别是在冬季，频繁的雾霾事件与降雪过程相继出现，形成了独特的污染消散模式，但这些气象过程如何影响病原微生物和抗生素抗性基因的迁移和转化，科学界知之甚少。

发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》的研究论文首次系统揭示了中国北方一次严重雾霾-降雪污染事件中病原微生物和抗生素抗性基因的演变规律。研究人员在济南市开展了实地观测，采集了雾霾期间PM_2.5样本和降雪后的雪水样本，通过离子色谱分析水溶性离子组成，运用宏基因组测序技术解析微生物群落结构，并结合气团反向轨迹分析揭示了污染物的传输路径。

研究结果显示，严重污染期间PM_2.5浓度高达309 μg/m3，水溶性离子和微生物浓度同步上升。微生物群落分析表明，降雪前优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)(83.2%)，主要菌属包括鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)(16.3%)、缓生根瘤菌属(Bradyrhizobium)(13.6%)和叶杆菌属(Phyllobacterium)(10.6%)。而降雪后，优势菌门转变为拟杆菌门(Bacteroidetes)(38.9%)，主要菌属为普雷沃菌属(Prevotella)(28.3%)、异弓形菌属(Aliiarcobacter)(11.7%)和葡萄球菌属(Staphylococcus)(10.7%)。

3.3. 病原微生物的富集与迁移

研究发现病原微生物在颗粒物中的相对丰度随着污染加剧而显著上升，从清洁天的17.4%增加到污染天的29.7%。降雪后，雪样和降雪后PM_2.5样本中病原微生物占比急剧增加至75%以上。通过国家卫健委病原微生物目录和全球病原体目录鉴定出的病原菌包括阿菲波菌属(Afipia)、不动杆菌属(Acinetobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、埃希氏菌属(Escherichia)等。在物种水平上，雾霾期间PM_2.5样本中富集了布鲁姆阿菲波菌(Afipia broomeae)、酪氨酸冢村菌(Tsukamurella tyrosinosolvens)和大肠杆菌(Escherichia coli)；而降雪后样本中则富集了嗜冷异弓形菌(Aliiarcobacter cryaerophilus)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)等病原菌。

3.4. 抗生素抗性基因的富集与迁移

研究检测到五大类抗生素抗性基因，其中抗生素外排(37.1-55.5%)是最主要的耐药机制，其次是抗生素靶位修饰(24.7-46.7%)和抗生素失活(4.4-11.9%)。在降雪前的颗粒物样本中，抗生素外排是ARGs的主要耐药机制(55%)，其中macB基因表达最丰富。降雪后，雪水中抗生素靶位修饰成为主导耐药机制(46.7%)。共现网络分析显示，变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)是ARGs的主要潜在宿主。在属水平上，阿菲波菌属(Afipia)与抗生素外排显著相关，而降雪后富集的普雷沃菌属(Prevotella)、志贺氏菌属(Shigella)和葡萄球菌属(Staphylococcus)则与抗生素靶位修饰机制密切相关。

3.5. 病原微生物和ARGs从PM2.5向雪水迁移的机制

Mantel相关分析表明，空气污染物和气象条件影响了优势微生物、病原菌和ARGs的组成和分布。雾霾污染期间，优势细菌、病原菌和ARGs与Na?和NH??呈显著正相关。降雪后，病原菌和ARGs与PM??、风速、温度和湿度等气象条件表现出显著相关性。气团反向轨迹分析显示，不同污染阶段的气团来源和传输路径存在明显差异：污染前期气团主要来自北方地区高空长距离传输；严重污染期间以近地面气团为主，弱风高湿环境使本地排放污染物积累；降雪期间气团主要来自东北方向长距离传输，伴随强风、降温和降雪过程；清洁条件下气团源自高空区域并经过广阔海洋区域。

该研究系统揭示了雾霾-降雪污染事件中病原微生物和抗生素抗性基因的迁移规律和机制。研究发现降雪过程虽然清除了大气中的颗粒物，但通过湿沉降作用将病原微生物和ARGs从大气颗粒物转移至雪水中，导致其相对丰度显著增加。更值得注意的是，降雪过程改变了ARGs的耐药机制组成，从以外排为主转变为以靶位修饰为主，这种变化可能增强病原菌在降雪后环境中的适应能力，增加人类感染风险。研究还发现PM??由于粒径较大，比PM_2.5更容易在雪水中沉降和积累，表明粗颗粒物在降雪过程中对微生物富集和迁移的重要作用。

这项研究的意义在于首次系统阐明了雾霾-降雪过程中生物污染物的迁移转化规律，揭示了湿沉降过程对病原微生物和抗生素抗性基因跨生态系统传输的影响机制。研究结果提醒我们，降雪在净化空气的同时，也可能将高空和沿途吸附的病原微生物和ARGs带入地表环境，进而通过径流等方式进入水体或重新进入大气，形成循环污染。这些发现对评估污染天气下的公共卫生风险、制定相应的防控策略提供了重要科学依据，也为理解生物污染物在大气-地表系统中的循环过程提供了新视角。