城市綠化帶對空氣微生物污染的屏障作用

田旭朝， 翟美珠

(1.河北政法職業學院建設工程系，河北石家莊 050061； 2.河北工程技術學院，河北石家莊 050091)

大量的能源消耗及環保意識淡薄等問題造成了諸如大氣污染、水污染等一系列的環境污染問題，隨著環境污染惡果越來越嚴重、能源短缺問題日益突出，人們對環境污染的重視程度越來越高，尤其是近年來的霧霾天氣更是讓人們對空氣污染有了更深入的認識和了解。空氣污染物不僅導致空氣質量大大降低，更嚴重危害著人體健康，其污染物通過一系列的物理及化學反應侵入人體器官[1-2]。空氣污染物存在的形式具有多樣性，不僅有常見的懸浮顆粒物、粉塵等固態污染物，還有諸如SO2、NOx等氣態化學污染物，更有一些微生物含在其中，這些污染物通過風而產生了很強大的擴散性，且擴散速度驚人，不僅危害動植物的正常生長，更嚴重危害人們的呼吸系統等，一旦侵入人體將難以清除[3-4]。大氣污染物通過一系列的生物化學反應會生成諸多的細菌、真菌等有害病毒微生物，這些微生物附著在空氣粒子上就構成了有害的生物粒子[5-6]。如果空氣中的生物粒子含量水平過高，超過了人體正常的承受能力，則會危害人體的肺部等呼吸器官，會引發一系列的呼吸疾病，輕則引起咳嗽、哮喘等慢性呼吸道疾病，重則造成慢性阻塞性肺病、心血管疾病等，對于老年人的影響更厲害[7]，因此研究空氣污染的治理具有重要的現實意義。

空氣污染物中包含諸如煙、霧、粉塵等一系列懸浮顆粒，空氣的有害微生物一旦附著在這些懸浮顆粒上，就形成了危害性很強的氣溶膠[8-9]，且具有很強的空氣擴散性，影響面積廣；另外，空氣中的有害微生物數量龐大、種類繁多，不僅包括了常見的一些細菌、真菌，還包括了一些藻類病菌等，這些有害微生物難以通過肉眼進行辨識，且具有長期的危害性，目前已經能夠查明的空氣真菌、細菌種類分別達到了40 000、1 200 種[8-9]，這些菌類來源廣泛，土壤、水體乃至于動植物都能夠作為其來源，這些帶有有害微生物的懸浮顆粒被人體吸入后會沉淀并生長在體內，給人體造成長期的病害性[10-11]。從很大程度上說，空氣中有害微生物的含量也是對空氣質量好壞的直接反映，畢竟空氣質量優良的情況下，空氣中不會存在這么多的有害微生物，微生物作為生態系統中的重要組成部分，其生長狀況受到生活污染、環境質量和人體健康的多方面影響[12]。可以說，開展對空氣中有害微生物的生長特性研究具有重要的現實意義，對于研究空氣污染治理、加強環境保護、降低人體呼吸道疾病具有很強的針對性[10-11]。近年來，隨著社會經濟的不斷發展，人們對空氣環境質量的重視程度越來越高，而城市綠植建設對于改善空氣質量、吸附粉塵等懸浮顆粒具有重要的現實意義[13]。相關研究表明，地區環境不同，其微生物種類和含量也具有很大差異性，對于諸如公園等綠植較多的區域，其空氣中的微生物含量顯著低于綠植較少的地區，從中也可以看出，綠植對空氣質量的影響。因此，開展綠植與空氣微生物間的關系研究具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本次城市綠植與微生物關系的研究地點是河北省石家莊市，選取的典型城市綠植分別是針葉喬草、喬灌草混交、針闊喬草，并分別用A、B、C表示，分別對這3種城市綠植進行長期的監測，并在試驗中取樣分析，選擇的試驗對比區為工業區，因工業區綠植較少，能夠達到比對效果。本次試驗的時間選擇在2015年6月25日至2016年6月25日，取樣時間為09：00至11：30，通過平皿沉降法進行試驗分析和樣本采集，選取9 cm直徑的培養皿，針對不同的樣地，共設置9個取樣的地理點，分別在其中央(M)及與林緣相距10、20、30、40、50、60、70、80、90 m處，針對每個取樣點進行3次重復取樣。為了分析的準確性，要求在各梯度采取同時取樣的方式，要求采樣高度達到1.5 m，接種的時間持續10 min，采樣之后裝入培養皿，之后帶回實驗室進行培養。

1.2 試驗材料及方法

1.2.1 空氣微生物取樣器 將試驗樣本采集后需要進行相關的樣本數據分析，本試驗采用遼陽應用技術研究所生產的FA-1 Andersen生物粒子取樣器開展相應的取樣數據測定，該設備制造原理是利用對人體呼吸道解剖結構的模擬技術，同時結合空氣動力學相關原理及慣性撞擊原理。該取樣器利用分級設計，共有6級，其中每級包含有400個孔，從第1級開始，其直徑呈現逐級縮小的變化規律，并采取28.3 L/min的空氣流量，同時空氣流速是逐級增大的，而不同的帶菌粒子具有不同的直徑，這樣通過取樣器不同的空氣流速能夠將不同大小的粒子吸附到不同級的培養皿中，為后續分析奠定基礎。

1.2.2 取樣和培養方法 采樣利用的是平皿自然沉降法。采樣點選取的是呼吸帶，要求其距離地面1.5～2.0 m的高度，要求采樣持續時間在5 min，并重復3次進行，要求培養皿直徑達到9 cm。對于真菌、細菌培養而言，分別采用PDA、NA培養基。為了抑制細菌的生長，需要將鏈霉素(50 μg/mL)加入到PDA培養基中；為了抑制細菌的生長，需要將同樣含量的青霉素加入NA培養基中，這樣才能準確進行試驗數據測定。然后利用培養箱分別進行真菌、細菌的培養，要求培養箱溫度分別為28、37 ℃，培養時間分別為72、24 h，然后分別進行培養后的觀察和計數。

1.2.3 培養觀測和計算 為了加強培養觀測，需要對取樣后的培養皿進行再次恒溫培養，要求培養皿倒置于恒溫的培養箱中，對于細菌、霉菌的培養溫度分別為37、25 ℃，培養時間分別為48、72 h，完成培養后對平均菌落數進行檢查，單位為CFU/m3。細菌和霉菌的平均菌落數總和就是總微生物。之后再利用微生物分類學方法，進行宏觀和微觀的形態分析，鑒定到屬[14]。

1.3 數據統計與結果評價

分別對采樣后的真菌和細菌進行計數，并將每次計數記錄下來，并通過奧梅粱斯基公式將之換算成空氣中微生物含量，具體公式如下：

[A/100×t×10/5]×N=50 000N/(A×t)[8]。

式中：A代表培養皿的面積，用cm2表示；每皿的菌落個數用N表示，單位為個/皿；采樣的持續時間用t表示，單位為min。

依據中國科學院生態環境研究中心發布的標準對空氣中微生物污染進行評價，具體的標準見表1。對數據的統計整理采用Excel 2010進行，之后利用SPSS 18.0開展相應的方差分析，并進行統計學檢驗分析，并分別在0.05、0.01的顯著性水平下進行LSD多重比較，并利用單因素方差分析來對數據差異性是否顯著進行分析。

表1 空氣微生物污染評價標準 ×103 CFU/m3

2 結果與分析

2.1 城市綠化帶空氣微生物含量

由表2可知，城市綠化帶中針葉喬草空氣微生物總含量變化為287～4 569 CFU/m3，細菌含量為152～3 247 CFU/m3，真菌含量為85～1 236 CFU/m3；空氣微生物總含量平均值為2 206 CFU/m3，細菌含量平均值為 1 652 CFU/m3，真菌含量平均值為554 CFU/m3。城市綠化帶中喬灌草混交空氣微生物總含量變化為358～5 987 CFU/m3，細菌含量為169～3 694 CFU/m3，真菌含量為96～2 143 CFU/m3；空氣微生物總含量平均值為 1 987 CFU/m3，細菌含量平均值為1 025 CFU/m3，真菌含量平均值為962 CFU/m3。城市綠化帶中針闊喬草空氣微生物總含量變化為465～6 257 CFU/m3，細菌含量為268～3 849 CFU/m3，真菌含量為107～2 016 CFU/m3；空氣微生物總含量平均值為2 418 CFU/m3，細菌含量平均值為 1 742 CFU/m3，真菌含量平均值為676 CFU/m3。非城市綠化帶中針闊喬草空氣微生物總含量變化為523～5 483 CFU/m3，細菌含量為204～4 023 CFU/m3，真菌含量為305～1 876 CFU/m3；空氣微生物總含量平均值為 2 678 CFU/m3，細菌含量平均值為1 842 CFU/m3，真菌含量平均值為836 CFU/m3，空氣細菌的含量明顯高于真菌。

表2 城市綠化帶空氣微生物含量概況

2.2 城市綠化帶空氣細菌和真菌含量占微生物總含量百分比

由圖1可知，對于城市綠化帶中針葉喬草，空氣微生物總含量中，細菌和真菌含量百分比均隨著季節呈先增加后降低趨勢。春季、秋季和冬季細菌含量百分比高于真菌，夏季細菌含量百分比低于真菌，其中，春季細菌含量百分比極顯著高于真菌(P<0.01)，秋季和冬季細菌含量百分比顯著高于真菌(P<0.05)。對于城市綠化帶中喬灌草混交，空氣微生物總含量中，細菌和真菌含量百分比均隨著季節呈先增加后降低趨勢。在不同季節細菌含量百分比均高于真菌，其中，春季和冬季細菌含量百分比極顯著高于真菌(P<0.01)，秋季細菌含量百分比顯著高于真菌(P<0.05)。對于市綠化帶中針闊喬草，空氣微生物總含量中，細菌和真菌含量百分比均隨著季節呈先增加后降低趨勢。在不同季節細菌含量百分比均高于真菌，其中，春季細菌含量百分比極顯著高于真菌(P<0.01)，秋季細菌含量百分比顯著高于真菌(P<0.05)。對于非城市綠化帶，空氣微生物總含量中，細菌和真菌含量百分比均隨著季節呈先增加后降低趨勢，其中，春季細菌含量百分比極顯著高于真菌(P<0.01)，秋季和冬季細菌含量百分比顯著高于真菌(P<0.05)。

2.3 城市綠化帶空氣微生物含量時間變化特征

城市綠化帶空氣微生物含量的季節變化特征如圖2所示。對于城市綠化帶中針葉喬草，細菌含量變化為1 754～3 522 CFU/m3，真菌含量變化為289～1 023 CFU/m3，微生物總含量變化為2 043～4 545 CFU/m3；細菌含量、真菌含量和微生物總含量隨著季節變化，呈逐漸降低趨勢，基本表現為春季>夏季>秋季>冬季，其中不同季節細菌含量均高于真菌含量。對于城市綠化帶中喬灌混交，細菌含量變化為1 104～3 256 CFU/m3，真菌含量變化為523～1 569 CFU/m3，微生物總含量變化為1 627～4 825 CFU/m3；細菌含量、真菌含量和微生物總含量隨著季節變化，呈逐漸降低趨勢，基本表現為春季>夏季>秋季>冬季，其中不同季節細菌含量均高于真菌含量。對于城市綠化帶針闊喬草，細菌含量變化為1 035～3 986 CFU/m3，真菌含量變化為621～1 458 CFU/m3，微生物總含量變化為1 656～5 444 CFU/m3；細菌含量、真菌含量和微生物總含量隨著季節變化，呈逐漸降低趨勢，基本表現為春季>夏季>秋季>冬季，其中不同季節細菌含量均高于真菌含量。對于城市非綠化帶，細菌含量變化為1 025～5 238 CFU/m3，真菌含量變化為847～3 256 CFU/m3，微生物總含量變化為1 872～8 494 CFU/m3；細菌含量、真菌含量和微生物總含量隨著季節變化，呈逐漸降低趨勢，基本表現為春季>夏季>秋季>冬季，其中不同季節細菌含量均高于真菌含量。

2.4 城市綠化帶主要空氣微生物類群

由表3可知，城市綠化帶(針葉喬草、喬灌草混交、針闊喬草)和非城市綠化帶主要空氣微生物類群呈一致的季節性變化規律。

革蘭氏陽性菌含量占微生物總含量百分比隨季節呈先降低后增加的趨勢，在春季和冬季達到最大，且不同季節城市綠化帶革蘭氏陽性菌含量百分比高于非城市綠化帶。總體來看，城市綠化帶和非城市綠化帶共鑒定出45個屬空氣細菌，其中革蘭氏陽性菌37個屬，占82.22%；革蘭氏陰性菌8個屬，占17.78%。對于針葉喬草，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)和庫克菌屬(Kocuria)，4個屬細菌含量百分比占64.3%～71.1%；對于喬灌草混交，4個屬細菌含量百分比占61.7%～68.8%；對于針闊喬草，4個屬細菌含量百分比占62.8%～68.8%；對于非綠化帶，4個屬細菌含量百分比占61.5%～64.5%。

表3 城市綠化帶主要空氣微生物類群

革蘭氏陰性菌含量占微生物總含量百分比隨季節呈先增加后降低的趨勢，在夏季和秋季達到最大，且不同季節城市綠化帶革蘭氏陰性菌含量百分比高于非城市綠化帶。對于針葉喬草，優勢細菌屬依次為枝孢屬(Cladosporium)、青霉屬(Penicillium)，2個屬細菌含量百分比占59.7%～67.0%；對于喬灌草混交，2個屬細菌百分比占60.2%～62.7%；對于針闊喬草，2個屬細菌百分比占56.5%～66.9%；對于非綠化帶，2個屬細菌百分比占61.5%～64.5%。

2.5 城市綠化帶對空氣微生物污染的屏障作用

從圖3可以看出，對于城市綠化帶來說，微生物含量(細菌和真菌)均隨著遠離綠化帶的距離而增加，在距離40 m以后微生物含量變化趨勢比較平緩。對于非城市綠化帶來說，微生物含量(細菌和真菌) 隨著遠離非綠化帶的距離呈波動趨勢，其變化不明顯。由此可知，城市綠化帶對空氣微生物污染具有一定的屏障作用，其屏障距離在40 m左右。

2.5 城市綠化帶空氣微生物污染評價

對城市綠化帶、非城市綠化帶采樣點不同季節空氣微生物的污染狀況進行了評價，結果見表4。城市綠化帶和非城市綠化帶的污染程度均表現為春季>夏季>秋季>冬季，且真菌污染程度高于細菌污染程度，城市綠化帶污染程度高于非城市綠化帶污染程度。對于針葉喬草，細菌在春季、夏季和秋季表現為輕微污染，冬季表現為較清潔水平；真菌在春季表現為污染，夏季表現為輕微污染，秋季和冬季表現為清潔。對于喬灌草混交，細菌在春季和夏季表現為輕微污染，秋季和冬季表現為較清潔；真菌在春季和夏季表現為污染，冬季表現為清潔。對于針闊喬草，細菌在春季和夏季表現為輕微污染，在秋季和冬季表現為較清潔；真菌在春季和夏季表現為污染，冬季表現為較清潔。對于非城市綠化帶，細菌在春季表現為污染，在夏季表現為輕微污染，在秋季和冬季表現為較清潔；真菌在春季表現為中度污染，在夏季和秋季表現為污染，在冬季表現為輕微污染。

表4 城市綠化帶空氣微生物污染評價

3 討論與結論

本研究對石家莊3種城市綠植類型進行了研究，選取了工業區作為數據對比區，并通過取樣對空氣中細菌、真菌的種類及比例進行了對比分析，從而探討了城市綠植帶來的減菌效應，并對綠植對空氣污染物的屏障效應[3，8]進行了分析。通過試驗發現，細菌、真菌和微生物總數在不同的季節具有不同的分布差異，且均隨著四季變化而逐漸降低，具體表現為春季>夏季>秋季>冬季，雖然季節不同，但是真菌含量明顯低于細菌含量，也就是說細菌帶來的危害更大。此次試驗中已經證實的空氣細菌有45個屬，其中占比最高的是革蘭氏陽性菌，高達37個屬，占到了細菌總數的82.22%，其中的微球菌屬、芽孢桿菌屬、葡萄球菌屬和庫克菌屬成為了優勢細菌屬；革蘭氏陰性菌共計8屬，所占比例為17.78%，其中的枝孢屬、青霉屬[15]成為了優勢細菌屬。雖然本試驗對細菌進行了分離純化，其中占大部分的是非致病菌，但是這些病菌能夠顯著影響人體呼吸系統，極易導致過敏反應，對具有慢性病的老年人影響更大，同時會對食品、化妝品等帶來影響。

本研究表明，無論是城市綠化帶，還是工業區域的非綠化帶，其空氣微生物類群都表現出一致的季節性，隨季節變化而不同；就革蘭氏陽性菌而言，隨著四季變換，其類群表現出了明顯的先降低后增加規律，且綠化帶區域其含量百分比明顯高于非綠化帶。就夏季而言，綠植生長茂盛，綠植分泌物具有一定的殺菌作用，同時由于雨水對空氣有凈化作用，加之太陽輻射的滅菌作用，因而夏季空氣中細菌含量較低。就綠化帶空氣真菌而言，其含量表現為夏季>春季>秋季>冬季，之所以真菌含量較高的季節是春季和夏季，是因為真菌孢子多源于植被，而不是源于土壤，隨著植被越來越旺盛，作為真菌天然培養基的葉原基越來越高，真菌生長旺盛，自然含量也會不斷升高[16]；此外，氣溫的升高會加快真菌的生長、繁殖[3，16]。春季是植物病害多發期，病原真菌孢子大量產生。

本研究還可以說明，細菌和真菌等微生物含量受到綠化帶的影響較大，其含量高低與綠化帶距離大小成正相關，即距離綠化帶區域越遠，其微生物含量越高，在綠化帶40 m以外區域，其含量變化不大，從中不難看出綠化帶對微生物具有顯著的屏障作用，作用范圍約為40 m左右。線源污染在非綠化帶影響明顯，主要的污染因子為顆粒物、微生物、二氧化硫(SO2)，并且通過風力擴散等直接影響周邊的商業區及居民區等，直接危害人體健康。空氣微生物通過吸附在懸浮顆粒上進行傳播，進而進入人體呼吸系統，但懸浮顆粒極易被綠植吸附隔離，且在綠化帶的影響下因氣流流速下降而使得大量顆粒物發生沉降，從而起到微生物污染隔離作用。另外，樹枝葉能夠對懸浮顆粒物進行粘附，一旦遇到雨水則能沖刷到地面，從而完成滯塵[17]；因此綠化帶能夠通過降低空氣顆粒物含量來達到降低空氣微生物含量的效果。此外，植物揮發物還能抑制甚至是殺死部分病菌，如黃曲霉、綠膿桿菌的克星之一就是碧桃、云杉等樹種；油松等松柏科植物能夠很好地抑制結核桿菌生長[15-17]。同時，綠植對SO2具有很好的吸收作用。為了充分發揮城市綠化帶的降菌及屏障效應，必須選擇對空氣微生物污染具有明顯抑制作用的植物，并做好種類配置，從而降低空氣中微生物污染，提高空氣質量。