灰霾从哪里来？细菌也在作怪

北京大学要茂盛教授课题组揭示空气中细菌或参与灰霾形成过程。该项工作为研究灰霾形成机制与大气污染控制提供了全新的思路与视角，未来亟需研究细菌在多大程度上参与了灰霾的形成及其它大气污染过程。

空气污染已成为当代社会面临的严峻环境挑战之一。据世界卫生组织最新报道，全世界约有70亿人暴露于不安全的空气，其中60万儿童死于污染空气引起的急性下呼吸道感染。对于中国，情况更糟，如近年来多省频繁爆发的重度灰霾，中国承受着全球25%的空气污染疾病负担。据国家大气污染防治攻关联合中心，颗粒物爆发增长的主要归因包括二次源、机动车源、生物质燃烧源、工业源和尘源等。其中，二次源占比平均高达55%，而目前二次有机颗粒物的来源及产生机制等还没有厘清。

在以往的研究中，科学家主要从化学反应、物理过程、气象条件等方面研究灰霾的形成机制，没有关注空气中的细菌是否参与大气污染过程。2016年，北京大学要茂盛教授课题组利用基于荧光的监测技术，发现不同地区空气中活性微生物的浓度存在着显著差别，其中北京浓度高达105个/m3。此外，通过同样的技术也发现，北京灰霾天空气中活性微生物颗粒的浓度及其在总颗粒物中的占比随灰霾进程发生了重大变化。

为了进一步研究细菌和灰霾的关系，课题组研发并使用大流量采样器（1 m3/min）等，对北京空气中细菌的群落结构、浓度以及活性在不同程度灰霾天气中的变化情况进行了研究。结果显示不同时间（每2小时或每4个小时）空气中细菌的群落结构发生巨大变化，在特定时间段，如凌晨（4点）或晚上（8 -12点），部分细菌如嗜冷杆菌（Psyobacter）和马赛菌（Massilia）在总细菌浓度中占比高达90%。在整个污染进程中，嗜冷杆菌（Psyobacter），不动杆菌（Acinetobacter）与马赛菌（Massilia）作为空气中的主导细菌交替出现。课题组进一步进行了分粒径采样，发现颗粒物浓度的快速增加主要发生在0.56-1微米粒径段，这和过去发生在美国洛杉矶烟雾的积聚模态趋势相似。

此外，发生灰霾时该粒径段的细菌生长所需要的元素离子（如Na、K、P、Ca、硫酸根、硝酸根、铵根离子等）也同步显著增加。同时，这一粒径段细菌的活性波动也最为剧烈，最高时达到60%。这些细菌气溶胶属性的变化，大都是发生在高湿度（高达86%）与较高的温度（> 4 oC），并且边界层相对较低的情况下。后向轨迹和同时期沙尘暴影响交叉分析显示，细菌在灰霾颗粒物中的这些变化很难归因于地面直接排放或区域传输，最可能的原因是某些特定种类微生物在高湿、污染的空气中的生长繁殖。

针对这些结果和现象，该课题组提出了如下图1的解释。通常，在废水处理、制药或土壤修复等工业活动中，驯化并利用功能细菌（嗜冷杆菌、不动杆菌属、马赛菌属等）降解污染物。当这些经过筛选的功能菌通过不同形式的扰动释放于空气中，就形成了一个个气载的“微型废水处理厂（含一个或多个细菌）”：大气中的污染物如NH3、SO2、NOx、离子、VOC等溶于包裹细菌的水膜中，这些细菌（如硝化菌或硫化菌等）通过在其中的代谢繁殖，推动污染物的转化（如形成硫酸盐、硝酸盐颗粒等），同时释放生物源VOC（mVOC）。这些mVOC本身就是低挥发物质，在大气中以小的液滴或固体颗粒存在，也会被氧化成超细颗粒，或为大气颗粒物爆发增长的重要来源之一。科学家在以前的可控实验室研究发现，细菌在高浓度VOC暴露的情况下，呈现出较强的代谢活性；另外一项研究也证明，气溶胶水是一个重要的大气污染物的转化媒介。然而，找到细菌在实际大气中生长的直接证据非常困难。其中，大气流动性与稀释性是两个重要的影响因素；相关研究手段的缺乏也是重要原因之一。在适宜条件下，细菌一般每隔20分钟繁殖一代，由于大气的稀释作用，可供监测的时间窗口非常短暂。要茂盛课题组利用大流量采样器，捕获到了细菌气溶胶属性随时间的变化，数据显示细菌极有可能在静稳、高湿、营养物质（污染物）丰富的空气中生长繁殖，进而推动了大气污染进程。该项工作为研究灰霾形成机制与大气污染控制提供了全新的思路与视角，未来亟需研究细菌在多大程度上参与了灰霾的形成及其它大气污染过程。

该成果以“Microbial Aerosol Chemistry Characteristics in Highly Polluted Air”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-019-9488-3）。