生物气溶胶研究进展

生态环境2006,15(4):[e-mail]基金项目：教育部科学技术研究重点项目（106104）；国家自然科学基金重大项目（40490262）作者简介：祁建华（1973－），女，讲师，博士，研究方向为大气环境科学。Tel:[phone]；E-mail:[e-mail]收稿日期：2006-02-21生物气溶胶研究进展：环境与气候效应祁建华，高会旺中国海洋大学//海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266003摘要：生物气溶胶是大气气溶胶的一个重要组成部分，在大气中的扩散、传播会引发人类的急慢性疾病以及动植物疾病。生物气溶胶还可以间接影响全球气候变化，并对大气化学和物理过程有着潜在的重要影响。相关研究已成为国际研究的热点，也逐渐得到更广泛的关注。生物气溶胶中的几类生物体（如真菌、细菌和藻类）都被鉴别出是有效的云凝结核（CCN），并在以活性CCN的形式存在。当生物气溶胶与有机物（OC）碰撞接触时可以改变大气中OC的化学组成并改变其CCN特性，从而影响云量并间接影响全球气候变化。空气中的微生物也是影响空气质量的重要因素之一，相关研究主要集中于室内空气细菌、病毒、真菌等生物体的监测及来源调查。而对生物气溶胶的准确测定依赖于采样的有效性，为了减少采样中的误差和活性损失，近年来开发了一些具有应用前景的在线采集、分析技术，如自动拉曼光谱、时间飞行质谱等。分布在大气中的生物气溶胶同样可以遵从传输路线进行长距离传输，而且不同类型的生物气溶胶在大气中具有不同的浓度和时空分布模式。文章对国内外学者近年来在大气生物气溶胶环境效应、样品采集、监测分析以及分布和传输方面的研究进展作了较系统的综述。关键词：生物气溶胶；气候效应；传输中图分类号：X16文献标识码：A文章编号：1672-2175（2006）04-0854-08大气气溶胶是指大气与悬浮于其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系[1]。悬浮于大气的无数固体和液体微粒中，有一些是由陆地和水生环境的生物活动产生的，这些含有微生物或生物大分子等生命活性物质的微粒称之为生物气溶胶。生物气溶胶种类很多，包括空气中的细菌、真菌、病毒、尘螨、花粉、孢子，动植物碎裂分解体等具有生命活性的微小粒子[2-3]。这些有生命活性的物质通常都附着在大气中的非生物颗粒上，如细菌等微生物；也有一些可以单独悬浮于大气中，如粒径很大的花粉颗粒。生物气溶胶粒子的粒径范围很宽，粒径可以从10-3m变化到102m[4]。粒子形貌有简单的球体、圆柱体等，也有复杂的不规则形状。Matthias-Maser等[5]的研究显示，生物气溶胶在大气中的数浓度相当高，通常维持在大气数浓度的30%左右，而且变化很大（9天内从16%变化到了50%）[6]。而生物气溶胶的质量浓度除了与粒子数量有关外，还取决于它们的粒径，如大气中的花粉粒子虽然数量很少，但是粒径很大，所以具有较高的质量浓度。与非生物气溶胶相比，生物气溶胶的质量浓度一般较小，但有些地区生物气溶胶在总体气溶胶质量浓度中占有相当高的比例（例如，在热带可以占到55%~95%）[7-8]。生物气溶胶中没有固定的微生物种类。它主要通过土壤尘埃、地面水、植物、动物和人员活动等方式被带入空气，以液态和固态粒子的形式存在，在适宜条件下可以直接在大气中繁殖也可以在沉降基质上繁殖。由于微生物能产生各种休眠体，故可在空气中存活相当长的时期而不致死亡，并可以借助空气介质扩散和传输，引发人类的急、慢性疾病以及动植物疾病[9-11]。除了人体健康效应外，生物气溶胶还可以作为冰核（IceNu-clei，IN）和云凝结核（CloudCondensationNuclei，CCN）[12-13],导致云滴和冰晶的形成，从而间接影响全球气候变化，并且对大气化学和大气物理过程有着潜在的重要影响。因此，研究生物气溶胶的基本性质、分布、来源、致病机理和气候效应是非常必要的。1943年美国开始实施“气溶胶感染”计划，60年代全面展开了生物气溶胶的各项研究，70年代其研究从军事领域扩展和深化到了环境保护、卫生防疫、畜牧业和工农业生产等各领域。近年来，由于公众对生物武器和生物恐怖主义的关注，生物气溶胶领域的研究增加很快，并且取得了相当大的进展。我国关于生物气溶胶的研究工作开展于80年代，主要集中于空气中微生物种类、数量的调查[11,14-18]，但是目前对生物气溶胶性质、环境效应、分布和传输等方面的研究相对缺乏。本文综述了近年来在生物气溶胶环境效应、采样技术、监测分析、分布和传输等方面的研究进展。祁建华等：生物气溶胶研究进展：环境与气候效应8551生物气溶胶的环境效应1.1气候效应大气气溶胶粒子可以吸收、散射太阳辐射和地面长波辐射，影响地-气辐射平衡，从而直接影响全球气候；对云的成核作用会影响云的光学特性、云量以及云的寿命，由此对全球气候产生间接影响[19-20]。研究揭示生物气溶胶可以作为冰核和云凝结核[12-13，21]，并可以改变其它CCN（如有机气溶胶）的特性而影响云量，进而间接影响全球气候变化。此外，生物气溶胶还在大气化学和物理过程中存在潜在的重要作用[22]：1）通过微生物降解影响化学过程；2）通过与大气有机物（OC）碰撞接触改变OC化学组成，从而诱发OC作为IN或CCN的性能改变；3）促进环境界面化学（包括光化学），如空气/雪界面。1.1.1成为冰核和云凝结核20世纪50年代首次在冰核中识别出了生物气溶胶，随后的研究也鉴别出一些细菌类生物气溶胶可以作为有效冰核[23-24]，甚至在6km的高度还发现了特定的活性冰核细菌[25]，它们在接近0℃时是活性的（如TIN（假单胞菌属细菌）=-2℃）。尽管与大气中的其他气溶胶相比，生物气溶胶的质量较小，但是它们的密度（~103-104个/m3）和冰核的数量级大致相同，说明生物气溶胶具有作为有效冰核的潜在重要性。生物气溶胶中的几类生物体（如真菌、细菌和藻类）以及它们的残体都被鉴别出是有效的CCN[12-13]，而且在云中以活性CCN的形式存在[26]。在水汽过饱和度为0.07%~0.11%时，革兰氏阳性和阴性细菌(Micrococcusagilis,Mycoplanabullata,Brevundimonasdiminuta)以活化CCN存在[12]，细菌细胞外表面的化学组成、结构和亲水性对CCN活性起着重要作用。云中生物气溶胶的数浓度随高度和位置的不同而略有不同。1997年春季在奥地利Mt.Sonnblick（海平面上3106m）云水中细菌的平均数浓度约为1500cell·mL-1[26]，1999年和2000年春季在奥地利Mt.Rax(海平面上1644m)云水中的平均数浓度大约是2.0104cell·mL-1[26]。云中细菌的空气等效浓度估计为5.9103cell·m-3[27]。该值明显低于单位体积的云滴数目（2.0108/m3），也比在0.28%过饱和度下的CCN浓度（（1.0~2.0）108/m3）要低[28]。因此Sattler等[26]认为空气中的细菌类不是CCN的重要来源，他们根据细菌碳含量转换因子计算出的细菌质量仅占有机碳的0.01%。然而，最近的研究[29]显示细胞粒子（含蛋白质的）是大气气溶胶中重要的一部分，约为1000Tg·a-1，而海盐气溶胶和矿物质气溶胶分别是3300Tg·a-1和2000Tg·a-1。需要注意的是，目前对形成有效生物气溶胶CCN的物理和化学过程尚不了解，除细菌外，其他类型的生物气溶胶（如花粉、病毒、真菌）在CCN形成中的作用还需要进一步研究。1.1.2对其它类型CCN特性的影响生物气溶胶的重要性不仅体现在它们自身可以作为CCN和IN，而且还在于它们具有潜在地改变其它CCN（如有机气溶胶）特性的重要作用。一旦具有不同粒径和密度的粒子的有机化学组成发生改变，它们的CCN特性也会受损。大气中的有机气溶胶是形成云凝结核和冰核的一类重要物质，也是全球CCN预算中重要的一部分。二羧酸（DCA）是有机气溶胶中的一类主要物质，大气边界层中的DCA可以被细菌和真菌转化，目前已经在7种不同的DCA化学转变中观察到了大气真菌的存在[30]。化学转化产物中，一些是无毒或低毒性的化合物，如乙酰胺、乙酸、丁酸和丙酸，还有一些是高毒性或致癌物质（如曲菌酸）。同时还检测出了挥发性化合物如多环芳烃或杂环化合物，这表明新沉降的DCA通过微生物过程可被循环返回大气中。DCA并不是能被空气微生物降解的唯一一类物质，生物气溶胶还可以转化其他大气可测有机官能团，真菌可以引发大气中活性OC的微生物降解，不同的真菌具有不同的降解速率[21]。有机物的降解寿命变化很大，依赖于所给定的微生物以及试验因子如pH和温度[30-31]。研究还发现在有机溶液中空气微生物的存在可以改变OC的组成。这说明除了微生物降解外，生物气溶胶在与有机物碰撞接触时可以通过细胞溶解和解吸过程改变大气中有机物的化学组成以及非生物OC的CCN特性。因此，生物气溶胶，特别是细菌和真菌在大气OC化学转变中的作用不容忽视。目前有关生物气溶胶对大气物理、化学过程及其气候变化影响效应的研究尚处于一个初级阶段，对其影响机制和作用机理的了解并不深入，有待进一步研究。1.2空气质量效应近年来，国外比较重视生物气溶胶的污染问题，主要集中在室内空气细菌、病毒、真菌、花粉和噬菌体的监测及来源的调查和治理等方面。Kalogerakis等[32]调查了雅典和希腊其它一些地区的室内空气质量，同时测定了生物气溶胶浓度，结果显示生物气溶胶是室内空气污染表征体系的一部分，对于评价空气污染的致病性和过敏性具有重要的作用。室内生物气溶胶可以来自室外空气源或室内856生态环境第15卷第4期（2006年7月）源，如居住者和作为微生物寄主的建筑材料。被水浸泡过的建筑材料中，细菌和真菌的生长是人体健康的一个潜在危害。Fabian等[33]发现洪灾恢复后的住宅内空气中微生物的水平要显著高于非受灾住宅，大多能高2~3个数量级，生物气溶胶粒子数平均占到受灾住宅室内粒子总数的52%；受到洪水影响的建筑材料是高浓度生物气溶胶的持续来源，也是影响室内空气质量的主要因素。室内的家用设备如空调器和加湿器中也容易孳生细菌和真菌等微生物，成为室内空气微生物的潜在污染源。Law等[34]研究了香港办公建筑物内生物气溶胶的分布，结果显示空调系统不能有效过滤生物气溶胶。鉴于2001年发生的“炭疽热信件”事件，Ho和Duncan[9]以Bacillussubtilisglobigii孢子模拟炭疽热病毒，研究了含病毒信封产生生物气溶胶的情况，给出了相关的显著气溶胶剂量评估值以及致死剂量值，可用于模型评价空气中微生物的危害性。空气中的微生物是影响空气质量的重要因素之一。但是目前制定的空气质量指数和污染物暴露水平主要是以化合物和颗粒物来定义的，有关生物气溶胶的允许暴露水平和相关规定非常缺乏。在美国，不论环保局（EPA）还是国立职业安全与健康研究所（NationalInstitutionofOccupationalSafetyandHealth，NIOSH）目前都没有提出生物气溶胶的浓度限值[33]。为了更全面、系统地评价空气质量、保障人体健康，制定出生物气溶胶的允许浓度水平是非常必要的，这依赖于对空气中生物气溶胶的深入研究。2生物气溶胶采样和监测生物气溶胶采样中的关键问题是如何保持其活性。大气中微生物活性的主要风险因子是脱水、紫外辐射、温度，还有气体和污染物的行为等。总体上来说，生物气溶胶的存活主要取决于停留时间。在粒子的收集和沉降过程中，微生物会由于机械压力和脱水而失去发育能力。测量得到的微生物浓度很大程度上依赖于采样技术和分析方法。生物采样器主要依据撞击、碰撞、过滤等机理采样，因此可用不同的物理采集效率表征。人们常常重视采样过程中收集到的微生物的数量，却忽略了它们的生存能力[35]。因此，Mandri