城市居家環境空氣細菌群落結構特征

方治國 ,歐陽志云 ,劉 芃,孫 力,王小勇 (1.浙江工商大學環境科學與工程學院,浙江 杭州 1001；.中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085；.北京寶潔技術有限公司舒膚佳家庭衛生研究院,北京 100086)

城市居家環境空氣細菌群落結構特征

方治國1*,歐陽志云2,劉 芃3,孫 力3,王小勇3(1.浙江工商大學環境科學與工程學院,浙江 杭州 310012；2.中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085；3.北京寶潔技術有限公司舒膚佳家庭衛生研究院,北京 100086)

在北京市5個方向(東南西北中)共選取31戶有小孩的家庭于2009年11月至2010年10月研究了城市居家環境空氣細菌的群落結構特征.結果表明,從分離的632株空氣細菌中共鑒定出43屬細菌,其中革蘭氏陽性菌32屬,革蘭氏陰性菌11屬.優勢菌屬依次為微球菌屬(Micrococcus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)和庫克氏菌屬(Kocuria), 分別占 25%～31%,12%～17%,10%～15%,9%～18%,4屬細菌百分比約占 63%～71%.在北京市取樣的 31戶家庭中,空氣細菌濃度范圍為 47～12341cfu/m3,平均值為1821cfu/m3.總體上,春季和夏季空氣細菌濃度分別為 2967cfu/m3和 1742cfu/m3,明顯高于秋季和冬季的 1334cfu/m3和 1242cfu/m3(P<0.05).北京市居家環境空氣細菌濃度男孩家庭(2123cfu/m3)明顯高于女孩家庭(1511cfu/m3)(P<0.01).

居家環境；空氣細菌；生物氣溶膠；微球菌屬；芽孢桿菌屬

室內空氣質量能夠直接或間接影響到人體健康,其對人體健康的影響主要包括生物性污染和非生物性污染[1].空氣環境中生物性污染物主要是由霉菌、細菌、病毒、花粉及副產物如內毒素、毒枝菌素等組成的混合物質,其比非生物性污染物更加難以預防和控制[2].長期暴露在這些微生物及代謝產物中可能對人體產生不利的影響[3-4],空氣中細菌濃度的增加與流行性疾病及食品污染的發生頻率密切相關,并且能夠引起人體毒害、過敏、呼吸道疾病、皮膚感染及相關疾病[5].室內空氣細菌主要來源于室外或者是以人類為中心如房屋的擁有者及他們的活動而導致的[6],現代城市人們的生活越來越離不開空調,由于人體、房間和空調機會在室內形成了一個封閉的循環系統,容易使細菌、霉菌和病毒等微生物大量繁衍[7-8].室內環境如居家、學校、醫院和日托中心空氣細菌濃度的增加是人們面臨的一個重要問題.由于暴露在空氣細菌的環境中,在工作間和居住區人們潛在的健康危險性隨時可能發生[9].研究表明,細菌感染的發生概率與年齡密切相關,兒童比成年人更加容易遭受空氣細菌潛在的健康危險性,3歲以下的兒童更加容易發生感染[10].因此,研究家有兒童的居住家庭空氣細菌群落組成及濃度分布特征具有重要的實際意義,可為兒童細菌性疾病的預防和控制提供科學依據.本文在北京市不同方向選取31戶有1～10歲兒童的家庭進行空氣細菌取樣,系統研究了室內家庭空氣細菌群落結構及濃度變化特征,對兒童成長過程中在細菌氣溶膠暴露下的健康風險評估具有重要的意義.

1 材料與方法

1.1 研究樣點概況

在北京市5個方向(東南西北中)選取 31戶家庭于2009年11月至2010年10月進行取樣,系統研究北京市居家環境空氣細菌群落特征.取樣 31戶家庭的選擇標準:每戶家庭都有年齡在1～10歲之間的兒童;居家室內沒有肉眼可見的霉菌;沒有明顯能夠聞到的霉味;以前和現在的房屋建筑都沒有受到濕度的破壞;所選取樣家庭位于北京市東南西北中的不同區域;房屋的建筑年齡和窗戶類型各不相同.在選擇的 31戶家庭當中,東邊 3戶,南邊 3戶,西邊 4戶,北邊 9戶,中間 4戶,南邊學校社區3戶,北邊學校社區5戶.因為北京北邊聚集著眾多的高校,是經濟發展非常活躍的區域,也是人口比較密集和人口流動較多的地方,所以在北京市的北邊選取了 9戶家庭進行取樣.所選家庭最大面積約為 125m2,最小面積約為40m2;16戶家庭兒童為男孩,15戶家庭為女孩,最大年齡10歲,最小年齡2歲;建筑戶型21戶為板樓,10戶為塔樓.

1.2 空氣微生物取樣器

采用國產 Andersen生物粒子取樣器(FA-1,遼陽應用技術研究所)進行取樣測定.它是模擬人呼吸道的解剖結構和空氣動力學生理特征,采用慣性撞擊原理設計制造的.該取樣器分為6級,每級 400個孔,從Ⅰ-Ⅵ級孔的直徑逐漸縮小,空氣流量為 28.3L/min,每一級的空氣流速逐次增大,從而把空氣中的帶菌粒子按大小不同分別捕獲在各級培養皿上.

1.3 取樣和培養方法

選擇相同的天氣條件進行室內家庭環境空氣細菌的取樣工作,每戶家庭每個季節取樣1次,每次連續取樣3d,每d取樣1次,每次3個重復,一年四季中31戶家庭空氣細菌取樣工作都是在3d內完成.空氣細菌的取樣高度為人呼吸帶,距離地面約1.5m處.取樣空氣流量為28.3L/min,采樣器各層的孔眼至采樣面的距離(即撞擊距離)為 2mm,室內空氣細菌的取樣時間為 3min.取樣采用直徑為 90mm的一次性塑料培養皿,預先在無菌條件下加入20～25mL已滅菌的細菌培養基,操作時盡量控制培養皿內培養基厚度的一致性,以減少試驗的系統誤差.空氣細菌取樣采用牛肉膏蛋白胨培養基(牛肉膏 3～5g,蛋白胨 10g,氯化鈉 5g,瓊脂,13～17g,蒸餾水 1000ml),采集的樣品在 37℃培養箱內培養 48h,然后分別在各級取樣培養皿上對細菌菌落進行記數、分離和純化.

1.4 空氣細菌濃度計算方法

由于通過Andersen采樣器各篩孔的微生物粒子,超過一定數量后,會出現微生物粒子通過同一篩孔撞擊在同一點上的重疊現象,故各級采集的菌落數需經下式校正:

式中: Pr為校正后的菌落數; N為采樣器各級采樣孔數; r為實際菌落數.

最后根據校正后各級空氣帶菌粒子的數量,計算空氣細菌的濃度,計算方法如下:

式中: C為空氣細菌濃度; T為六級總菌落數; t為采樣時間; F為空氣流量.

1.5 空氣細菌菌落挑取和鑒定

在北京市東南西北中 5個方向每個區域各選取 1戶家庭,于春夏秋冬每季所采取的空氣細菌樣品中,挑選1組 (6級共6個培養皿)挑取細菌單菌落,分離和純化,每個培養皿分離菌落數不少于6個,也不多于8個,每個區域每個季節共鑒定細菌菌落 36～48個,每個區域春夏秋冬四季共鑒定144～184個,北京的5個區域共鑒定細菌菌落 632個.分離純化后的室內空氣細菌采用分子生物學方法進行鑒定,采用細菌 16S rRNA基因通用引物 PCR擴增,純化、送公司測序,再與NCBI數據庫比對獲得細菌相關菌種的信息,引物序列為:

27F: 5′-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3′,

1492R: 5′-GGT TAC CTT GTT ACG ACT T-3′.

1.6 統計分析和圖表制作方法

數據分析和圖表繪制用 SPSS Version 17.0和Microsoft Excel 2007進行.

2 結果分析

2.1 居家環境空氣細菌種類組成與群落結構

2.1.1 居家環境空氣細菌種類組成 居家環境空氣中球菌的數量明顯多于桿菌(P<0.01),在分離鑒定的 632株細菌樣品中,球菌有 383株,占60.6%,桿菌有249株,占39.4.此外,室內空氣環境中革蘭氏陽性菌(G+)明顯多于革蘭氏陰性菌(G－)(P<0.001),在分離鑒定的632株細菌樣品中,革蘭氏陽性菌有573株,占90.7%,革蘭氏陰性菌有59 株,占 9.3%.

2.1.2 居家環境空氣細菌群落結構特征 由表1可知,在31戶家庭共分離純化的632株細菌樣品中,共鑒定出 43屬空氣細菌,其中革蘭氏陽性菌32屬,革蘭氏陰性菌11屬.從鑒定出現的頻率來看,優勢細菌屬依次為微球菌屬(Micrococcus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)和庫克氏菌屬 (Kocuria),4屬細菌百分比約占 63%～71%.在優勢菌屬中,微球菌屬約占總數的 25%～31%,芽孢桿菌屬占12%～17%,葡萄球菌屬占10%～ 15%,庫克氏菌屬占9%～18%(表1).

表1 居家環境空氣細菌群落結構特征Table 1 Community composition of airborne bacteria in family homes

從一年中不同季節來看,春季共發現27屬空氣細菌,其中革蘭氏陽性菌24屬,革蘭氏陰性菌3屬.優勢菌屬依次為微球菌屬、庫克氏菌屬、芽孢桿菌屬、葡萄球菌屬、皮生球菌屬(Dermacoccus)和短桿菌屬(Brevibacterium),分別占26.4%、18.2%、12.6%、10.1%、5.0%、3.8%;夏季共發現 26屬空氣細菌,其中革蘭氏陽性菌18屬,革蘭氏陰性菌8屬.優勢菌屬依次為微球菌屬、葡萄球菌屬、芽孢桿菌屬、庫克氏菌屬、短波單胞菌屬(Brevundimonas)和大單胞菌屬(Macromonas),分別占 25.0%、14.3%、14.3%、9.5%、8.3%和3.0%;秋季共發現24屬空氣細菌,其中革蘭氏陽性菌18屬,革蘭氏陰性菌6屬.優勢菌屬分別為微球菌屬、芽孢桿菌屬、庫克氏菌屬、葡萄球菌屬、短波單胞菌屬、節桿菌屬(Arthrobacter),分別占 25.5%、14.7%、12.1%、10.8%、3.8%和3.8%;冬季共發現24屬空氣細菌,其中革蘭氏陽性菌21屬,革蘭氏陰性菌3屬.優勢菌屬依次為微球菌屬、葡萄球菌屬、庫克氏菌屬、節桿菌屬和動性球菌屬(Planococcus),分別占30.4%、16.9%、12.8%、10.8%、5.4%和4.7%.

2.1.3 居家環境空氣細菌群落物種組成 在31戶家庭共分離純化的 632株細菌樣品中,共鑒定出43屬136種空氣細菌. 從鑒定出現的頻率來看,室內空氣中優勢細菌依次為藤黃微球菌(Micrococcus luteus)、玫瑰色庫克菌(Kocuria rosea)、巨大芽孢桿菌(Bacillus megaterium)、科氏葡萄球菌(Staphylococcus cohnii)、里拉微球菌(Micrococcus lylae)、黃色微球菌(Micrococcus flavus)、蠟樣芽胞桿菌(Bacillus cereus),分別占14.56%,8.39%,4.75%,3.64%,3.01%,2.69%,2.53%.

2.2 居家環境空氣細菌濃度變化特征

2.2.1 居家環境空氣細菌濃度背景值 在北京市不同方向取樣的31戶家庭中,空氣細菌濃度最低值為 47cfu/m3,最高值為 12341cfu/m3,算術平均值為 1821cfu/m3,中值為 877cfu/m3,幾何平均值為742cfu/m3.

2.2.2 居家環境空氣細菌濃度的季節變化 居家環境春季和夏季空氣細菌濃度明顯高于秋季和冬季(P<0.05),春季細菌濃度最高,其次為夏季,濃度最低的秋季和冬季沒有顯著差異(圖1).北京市居家環境空氣細菌濃度春夏秋冬四季分別約為2967,1742,1334,1242cfu/m3.

圖1 居家環境空氣細菌濃度季節變化特征Fig.1 Seasonal variation patterns of airborne bacterial concentrations in family homes

2.2.3 居住家庭兒童性別對空氣細菌濃度的影響 由圖2可見,一年中春夏秋3個季節男孩家庭的空氣細菌濃度明顯高于女孩家庭(P<0.01),冬季男女孩家庭則沒有顯著差異(P>0.05).總體上,北京市居家環境空氣細菌濃度男孩家庭明顯高于女孩家庭(P<0.01),男孩家庭為 2123cfu/m3,女孩家庭為1511cfu/m3.

圖2 居住家庭兒童性別對居家環境空氣細菌濃度的影響Fig.2 Effects of child’s gender on airborne bacterial concentrations in family homes

2.2.4 居住家庭房屋結構對空氣細菌濃度的影響 房屋結構對居家環境空氣細菌濃度的影響如圖3.春季空氣細菌濃度塔樓高于板樓(P<0.05),夏季、秋季和冬季板樓和塔樓內的空氣細菌濃度沒有顯著差異(P>0.05).總體上,房屋結構對室內家庭空氣細菌濃度沒有顯著的影響,板樓室內家庭空氣細菌濃度的平均值為 1806cfu/m3,塔樓則為1853cfu/m3,兩者沒有顯著差異(P>0.05).

圖3 房屋結構對室內家庭空氣細菌濃度的影響Fig.3 Effects of apartment’s structure on airborne bacterial concentrations in indoor environment

3 討論

在北京市不同方向選取了31戶有1～10歲兒童的家庭,于2009年11月至2010年10月進行了空氣細菌取樣,系統研究了室內家庭空氣細菌群落結構及濃度變化特征.結果表明居家環境空氣中細菌類型 G+多于 G－(P<0.001),前者占90.7%,后者僅占 9.3%,這與國內外學者在室內外環境中的研究結果基本一致[2,11-12],但是在室內外不同環境條件下,G+和 G－百分比含量明顯不同[13-14].Aydogdu等[2]在土耳其 Edirne市兒童日托中心室內外研究空氣細菌時發現,室內外G+分別占97.16%和95.04%,G－分別占2.84%和4.96%;Shaffer等[13]用相同的培養基和接種條件在森林、海岸、城市和鄉村的研究表明,4個生態系統空氣環境中 G+和 G－分別占 70.0%～85.0%和15.0%～30.0%[13].研究表明,G+特別是陽性球菌在自然界中分布廣泛,能夠從自然環境或者人類和動物皮膚、粘膜和其他部位分離到[15].有兒童的家庭居住者活動較多,從而導致陽性球菌從小孩身體的各個部位傳遞到空氣中,引起室內空氣中G+濃度增加.2007年,在研究北京市室外環境空氣細菌組成時發現,G+約占 80%～85%,G-約占15%～20%[14],比較結果表明,室內環境 G+數量高于室外,而 G-則低于室外,進一步說明室內外不同環境空氣細菌來源不同,其 G+和 G－的百分含量差異較大.

北京市居家環境空氣中優勢細菌屬依次為微球菌屬、芽孢桿菌屬、葡萄球菌屬和庫克氏菌屬,其中微球菌屬是最為優勢細菌屬,占總數的25%～31%.這與國內外不同學者對室內外不同環境中空氣細菌組成的研究結果基本相似,但也存在一定的差異性[2,9,16-20].Aydogdu等[2]研究發現,土耳其 Edirne市兒童日托中心室內優勢空氣細菌屬依次為葡萄球菌屬(58.67%)、微球菌屬(10.88%)、棒桿菌屬(Corynebacterium)(6.90%)和芽孢桿菌屬(6.61%),室外則依次為芽孢桿菌屬(28.18%)、棒桿菌屬(23.92%)、葡萄球菌屬(17.74%)和微球菌屬(4.2%); Seino等[16]在東京擁擠的地下公共場所研究時發現,在11屬空氣細菌中,優勢菌屬為葡萄球菌屬和微球菌屬; 韓國醫院優勢空氣細菌屬依次為葡萄球菌屬(50%)、微球菌屬(15%～20%)、棒桿菌屬(5%～25%)和芽孢桿菌屬(5%～15%)[17];在其他的室內環境如學校[18]、家庭[19]、大學醫務所[20]、辦公室[21]、公共建筑[9]、圖書館和檔案室[22],葡萄球菌屬和微球菌屬也是其空氣中優勢細菌屬.這些優勢菌屬主要來源于自然環境或以人類為中心,微球菌屬來源于自然環境,并且能夠短暫滯留在人類和其他哺乳動物的皮膚,葡萄球菌屬能夠在人類和其他哺乳動物的皮膚和粘膜中發現.這樣微球菌屬和葡萄球菌屬的細菌能夠從人們及寵物的皮膚、口腔、鼻子和頭發傳播到周圍空氣中,從而導致室內環境微球菌屬和葡萄球菌屬數量的增加[2].與以上研究結果不盡相同的是,本研究中芽孢桿菌屬是緊隨著微球菌屬之后室內家庭的第二大優勢細菌屬,約占總數的 12%～17%,而在Aydogdu等[2]的研究結果中,土耳其 Edirne市兒童日托中心室內空氣中芽孢桿菌屬是第四大優勢細菌屬,約占總數的 6.61%,這種差異的出現可能與室內家庭和兒童日托中心不同的人群組成及環境條件密切相關.北京市室外環境優勢細菌屬依次為微球菌屬、葡萄球菌屬、芽孢桿菌屬、棒桿菌屬和假單胞菌屬(Pseudomonas)[14],與室內家庭空氣細菌的優勢菌屬既有相似性又有差異性,相似性主要是因為室內空氣微生物有一部分來源于室外環境,而差異性主要歸因于室內外的環境特點及人們活動特征的不同.

北京市居家空氣中的優勢菌種,藤黃微球菌占14.56%,主要分布于空氣、土壤、水以及動植物體表,可為條件致病菌,能引起傷口等局部組織感染,也能引起嚴重感染,如心內膜炎等疾病; 蠟樣芽孢桿菌占 2.53%,它會引起食物中毒,中毒者癥狀為腹痛、嘔吐腹瀉.分離的菌株中,溶血葡萄球菌(Staphylococcus haemolyticus)占 1.90%,其多數為非致病菌,少數可導致疾病;表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)占 1.74%,它是滋生于生物體表皮上的一種細菌,在人體的皮膚等部位寄生,屬正常菌群類型.葡萄球菌多數為非致病菌,少數可導致疾病.它是最常見的化膿性球菌,是醫院交叉感染的重要來源.

北京市居家環境空氣細菌的濃度范圍為47～12341cfu/m3,算術平均值為 1821cfu/m3,中值為877cfu/m3,這個研究結果明顯高于世界上其他國家和地區室內環境空氣細菌的濃度.研究表明,波蘭圖書館和檔案館空氣細菌濃度分別為628cfu/m3和 444cfu/m3[22];土耳其 Edirne市兒童日托中心教室、臥室、吃飯的房間空氣細菌濃度分別為 520cfu/m3、496cfu/m3和 390cfu/m3[2];日本東京擁擠的地下公共場所空氣細菌濃度在PCA(營養瓊脂)培養基上為 512cfu/m3,在CAN(血平板)培養基上為345cfu/m3[16];韓國醫院休息室、重癥監護室、手術室和治療室空氣細菌濃度分別為 372,202,293,218cfu/m3[17];在敦煌莫高窟封閉洞穴、開放洞穴、半封閉洞穴和入口空氣細菌濃度分別為 1300,1100,440,440cfu/m3[23].研究發現,北京市室外空氣細菌的濃度明顯高于世界上其他國家和地區[14].雖然取樣過程、方法和時間的不同,能夠引起空氣中細菌濃度的差異,但總體而言,北京市空氣微生物污染的情況明顯嚴重于其它國家和地區.此外,北京市室外空氣細菌濃度范圍為 71～22100cfu/m3,均值為2217cfu/m3,明顯高于室內家庭的 1821cfu/m3,這與其他科研人員的研究結果基本相同.Zhu等[12]研究發現,美國亞利桑那州Tempe市辦公樓室內外空氣細菌分別為1987cfu/m3和2332cfu/m3.

北京市居家環境空氣細菌濃度春季最高,夏季次之,秋季和冬季最低,這與國內外其它的研究結果不盡相同.研究表明,土耳其Edirne市兒童日托中心室內空氣細菌濃度沒有明顯的季節變化特征;敦煌莫高窟半封閉洞穴和入口空氣細菌濃度夏季高于冬季.

此外,北京市居家環境男孩家庭空氣細菌濃度明顯高于女孩家庭.據報道,在10歲之前女孩總體的活動量只有男孩的一半[24].在室外,男孩會開展一些對地面擾動較大的活動如快速奔跑和地面打滾等,這樣就會有很多的帶菌粒子會被傳到室內家庭;在室內,男孩對地面的擾動也明顯強于女孩.并且相對而言,男孩的衛生狀況要差于女孩,這就是男孩家庭空氣細菌濃度較高的主要原因.

4 結論

4.1 北京市居家環境空氣中細菌種類呈現較高的多樣性,從分離的 632株空氣細菌中共鑒定出43屬細菌,優勢均屬依次為微球菌屬、芽孢桿菌屬、葡萄球菌屬和庫克氏菌屬,總和約占 63%～71%.

4.2 北京市居家環境空氣細菌濃度受到時間和空間的影響變化范圍較大,最低值為 47cfu/m3,最高值為cfu/m3,算術平均值為cfu/m3.

4.3 居家環境空氣細菌濃度季節變化特征明顯,春季和夏季明顯高于秋季和冬季,且空氣細菌濃度受到兒童性別的顯著影響,男孩家庭細菌濃度明顯高于女孩家庭.

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Airborne bacterial community composition in family homes in Beijing.

FANG Zhi-guo1*, OUYANG Zhi-yun2, LIU Peng3, SUN Li3, WANG Xiao-yong3(1.School of Environmental Science and Engineering, Zhejiang Gongshang University,Hangzhou 310012, China；2.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；3.Safeguard Research Institute, Procter and Gamble (Beijing)Technology, Beijing 100086, China). China Environmental Science, 2014,34(10)：2669～2675

The community composition and concentration variation pattern of airborne bacteria were conducted from Nov.2009 to Oct. 2010 in 31 households with children in Beijing. Results showed that 43 genera (32 genera of Gram-positive and 11genera of Gram-negative bacteria)airborne bacteria was identified from 632 isolates. The most common bacterias were members of genera Micrococcus, Bacillus, Staphylococcus, Kocuria, and contributed to 5%～31%, 12%～17%,10%～15%, 9%～18% of the total bacterias, respectively. In the selected 31 households, the bacterial concentration in the air ranged from 47～12341cfu/m3, and the mean concentration was 1821cfu/m3. As for the seasonal variation pattern of airborne bacteria, higher bacterial concentration was observed in spring (2967cfu/m3), followed by summer (1742cfu/m3)and autumn (1334cfu/m3), and the lowest in winter (1242cfu/m3). Finally, we also discovered bacterial concentration in households with boys (2123cfu/m3)was higher than households with girls (1511cfu/m3).

family homes；airborne bacteria；bioaerosols；Micrococcus；Bacillus

X513;X712

A

1000-6923 (2014)10-2669-07

2013-12-09

國家自然科學青年基金資助項目(41005085);北京寶潔技術有限公司舒膚佳家庭衛生研究院科技資助項目;中國科學院知識創新工程方向性項目(KZCX2-YW-422);教育部留學回國人員科研啟動基金

* 責任作者, 副教授, zhgfang77@zjgsu.edu.cn

方治國(1977-),男,安徽黃山人,副教授,博士,主要從事空氣環境微生物學特征研究.發表論文40余篇.