生物气溶胶是空气动力学直径小于100微米、含有微生物或生物性物质的气溶胶，在地球生化循环体系中起着关键作用，通过与大气的相互作用影响大气环境质量和人体健康。特别地，生物气溶胶中的大气微生物可通过受伤的皮肤、粘膜、消化道和呼吸道诱发各种疾病，如心血管疾病、呼吸系统疾病、甚至肺癌。随着城市化和工业化的加速发展，全球空气污染频繁发生，生物气溶胶中的大气微生物成为环境质量、人体健康研究中的重要课题。近年来，北京大学未来技术学院、定量生物学中心朱怀球教授团队进行了一项全球范围的大规模数据分析研究，揭示了大气微生物与人为活动的密切关联，并强调了大气微生物中的病原菌对人体健康的重要影响。研究成果于2022年7月4日以“Global Meta-analysis of Airborne Bacterial Communities and Associations with Anthropogenic Activities”为题在环境科学与生态学领域的著名期刊Environmental Science & Technology正式发表。

图1 研究揭示大气中的微生物群落与各种人为活动存在密切的关联，其中的病原菌对人体健康具有重要的影响。

为揭示大气微生物群落在全球范围内的一般趋势，尤其是大气微生物与人为活动的关系，朱怀球团队从42项研究中收集了3226个大气微生物群落样本，及其16S rRNA的宏基因组高通量测序数据。该数据也包括该团队在2014年北京APEC期间，为比较污染排放控制政策前后采集的大气微生物群落样本。这3226空气微生物样本共计覆盖了15个国家/地区，采样时间跨度从2006年到2018年。利用这个数据集，该研究从三个方面探索了大气微生物群落与人为活动之间的关系。他们首先比较了不同人为活动强度环境下大气微生物群落的特征。结果表明，与自然环境类别相比，人为活动相关类别（人类住区、畜牧场和污水处理厂）的样本显示出微生物多样性增加、潜在病原菌相对丰度增加、共现网络复杂性增加以及网络中的正边比例降低。进一步地，该研究提出了15个定量的人类生产过程因素（human-production process factors）来系统性地刻画人为活动，进而探讨了这些因素与大气微生物尤其是潜在病原菌的关系。结果表明，空气微生物丰富度与PM_2.5浓度、NH₃排放量和农业用地比例呈正相关，与人均国内生产总值呈负相关。空气中的潜在病原菌表现出对不同人类生产过程因素的偏好，表明存在潜在的健康影响。最后，该研究调查了大气微生物群落中的潜在病原菌、细菌毒素和抗生素抗性基因是否与空气微生物群落的来源有关。分析结果表明，与其他环境相比，人体表面来源的细菌相对丰度与空气中潜在病原菌相对丰度呈正相关。总体而言，这项研究基于大数据分析，从全球的范围阐明了生物气溶胶中的大气微生物与人类生产、生活方式的密切关联，系统性地分析了大气微生物群落的组成及其内部的复杂关系，有助于理解大气环境的微生物群落及潜在病原菌在公共卫生中的重要作用。

图2 四种大气微生物环境样本的多样性指数及共现性网络。

论文的共同第一作者为北大未来技术学院博士后江小青（博士毕业于北大定量生物学中心）、北大生命科学学院博士生王春晖、北大未来技术学院博士生郭晋源，朱怀球教授为通讯作者。该研究主要得到国家重点研发计划（基金号2021YFC2300300；2017YFC1200200）、国家自然科学基金面上项目（基金号31671366；32070667）的支持，部分计算分析工作在北京大学高性能计算平台上完成。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c07923#