兰州不同功能区及重点污染区大气微生物气溶胶分布特征及影响因素探究

兰州不同功能区及重点污染区大气微生物气溶胶分布特征及影响因素探究一、引言1.1研究背景与意义在当今社会，空气污染已然成为全球范围内备受瞩目的严峻问题，对人类健康和生态环境造成了极为严重的影响。大气微生物气溶胶作为空气污染的关键构成部分，近些年来在空气质量监测以及相关研究领域中，愈发受到广泛关注。大气微生物气溶胶主要是指悬浮于大气或附着于大气颗粒物表面的细菌、真菌、放线菌、病毒、尘螨、花粉、孢子和动植物碎裂分解体等有生命的活体所形成的胶体体系。这些微生物广泛存在于自然环境中，通过空气传播和沉降，对环境与人类健康产生着重要影响。大气微生物气溶胶与人类的生活和健康息息相关。由于人类的一切活动均在微生物气溶胶的包围中，其可通过人类的皮肤、呼吸系统进入人体内，有可能影响人类的身体健康，对免疫力低的人有可能导致更严重的身体健康问题。比如，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，像心血管疾病、呼吸系统疾病，甚至肺癌等。有研究表明，80%的生物性感染是由空气传播引起，而大气微生物气溶胶便是这些生物性感染的重要传播载体。兰州市作为中国西北地区重要的经济中心城市，其地理位置特殊，地处西北内陆，常年受风沙天气影响，空气质量较差。同时，兰州市人口密集，交通繁忙，拥有工业区、商业区、居民区、公园等多种不同功能区，各功能区人类活动和环境状况差异较大，这使得兰州市大气微生物气溶胶的分布情况变得更为复杂。了解兰州市不同功能区及重点污染区大气微生物气溶胶的分布特征，对于揭示城市空气微生物生态系统状况，制定合理的环境保护措施具有重要意义。一方面，能够为兰州市的空气治理和环境保护提供科学依据，助力相关部门有针对性地制定污染防控策略，改善空气质量；另一方面，通过研究大气微生物气溶胶与环境因素、人类活动之间的关系，可以深入了解其传播规律和潜在风险，从而更好地保障居民的健康和环境的安全。1.2国内外研究现状大气微生物气溶胶的研究在国内外均取得了丰富的成果。国外方面，早在20世纪初，就有学者开始关注空气中微生物的存在。随着技术的不断发展，研究逐渐深入到微生物气溶胶的浓度、粒径分布、群落组成以及与环境因素的关系等多个方面。有研究通过长期监测发现，城市中心区域的大气微生物气溶胶浓度明显高于郊区，且与交通流量、人口密度等因素密切相关；在粒径分布上，不同地区和季节存在一定差异，但总体上细粒径的微生物气溶胶占比较大，这部分气溶胶更容易被人体吸入，对健康的潜在威胁更大。在国内，大气微生物气溶胶的研究起步相对较晚，但近年来发展迅速。众多学者针对不同地区的大气微生物气溶胶展开研究，从东北的寒冷地区到南方的湿润地区，从沿海城市到内陆城市，研究范围广泛。如在北京市的研究中，发现大气微生物气溶胶浓度在供暖期和非供暖期存在显著差异，供暖期由于燃煤等因素，微生物气溶胶浓度升高，且病原菌的检出率也有所增加；在广州市的研究中，重点分析了气象因素对大气微生物气溶胶的影响，结果表明高温、高湿的气象条件有利于微生物的生长和传播，导致微生物气溶胶浓度升高。针对兰州市的大气微生物气溶胶研究也有一些成果。孙强、李杰、赵炜等人在《兰州某居民区大气微生物气溶胶分布特征研究》中采用Anderson采样器对兰州某居民小区夏季的大气微生物气溶胶浓度分布、粒径分布及日变化特征等进行观测，发现居民区内大气微生物气溶胶浓度变化范围为528CFU/m³～11553CFU/m³，属清洁级，其粒径主要集中在2.1μm～4.7μm之间，易对人体支气管等造成影响，微生物气溶胶浓度的空间分布特征与小区垃圾房、垃圾桶位置及人的活动有关，时间分布特征与日照强度有关，辐射强度最高的中午微生物气溶胶浓度最低。王可君、孙强、赵炜在《兰州市不同天气可培养微生物气溶胶特征变化研究》中，于2016年3月15-23日在兰州交通大学站点，采用Andersen六级空气微生物采样器对不同天气状况下的细菌、真菌与放线菌气溶胶进行采样，发现雨天时可培养微生物气溶胶浓度变化为雨前＞雨中＞雨后，沙尘发生后兰州总可培养微生物气溶胶浓度均值是沙尘前的1.5倍，沙尘天气时可培养微生物气溶胶浓度与PM10和PM2.5呈正相关性，与温度呈负相关性，与湿度和风速呈不明显的正相关。尽管国内外在大气微生物气溶胶研究方面已取得一定进展，但仍存在一些不足。现有研究多集中在单一城市或区域的整体大气微生物气溶胶特征分析，对于同一城市不同功能区及重点污染区的对比研究相对较少，难以全面了解城市内部大气微生物气溶胶的分布差异及其形成机制。大多数研究主要关注微生物气溶胶的浓度和群落组成，对其传播途径、潜在健康风险评估以及与其他污染物的相互作用等方面的研究还不够深入。本研究的创新点在于聚焦兰州市不同功能区及重点污染区，全面系统地研究大气微生物气溶胶的分布特征，不仅分析其浓度、粒径、群落组成等基本特征，还深入探讨与气象参数、空气质量等环境因素以及人类活动的关联，旨在为兰州市的空气治理和环境保护提供更为全面、细致的科学依据，填补兰州市在该领域相关研究的部分空白。1.3研究目标与内容本研究旨在全面、系统地探究兰州市不同功能区及重点污染区大气微生物气溶胶的分布特征，具体目标如下：首先，精准测定不同功能区（如工业区、商业区、居民区、公园等）以及重点污染区大气微生物气溶胶的浓度水平，分析其在空间上的分布差异，为评估不同区域的空气质量和微生物污染程度提供数据支持。其次，深入研究大气微生物气溶胶的粒径分布规律，明确不同粒径范围内微生物的组成和丰度，进而探讨其对人体健康的潜在危害，因为不同粒径的微生物气溶胶在呼吸道中的沉积位置和危害程度有所不同。再者，运用先进的高通量测序技术，详细分析大气微生物气溶胶的群落组成和多样性，识别不同区域的优势微生物种类，揭示微生物群落结构与环境因素之间的内在联系，为深入理解大气微生物生态系统提供依据。最后，通过对气象参数（如温度、湿度、风速、气压等）和空气质量监测数据（如PM2.5、PM10、SO2、NO2等污染物浓度）的综合分析，阐明大气微生物气溶胶分布与环境因素的相关性，为制定针对性的空气污染防控措施提供科学指导。围绕上述研究目标，本研究将开展以下内容的研究：在兰州市不同功能区及重点污染区合理设置多个监测点，运用Andersen六级空气微生物采样器等专业设备，采集大气微生物气溶胶样本，确保样本具有代表性和广泛性。采用传统的培养方法对采集的样本进行处理，统计可培养微生物的数量和种类，初步了解微生物气溶胶的浓度和组成情况。同时，结合高通量测序技术，对样本中的微生物DNA进行测序分析，获取更全面、准确的微生物群落信息，包括不可培养微生物的种类和相对丰度。利用粒度分析仪等仪器对微生物气溶胶的粒径进行测定，分析不同粒径段微生物气溶胶的浓度分布特征，以及粒径与微生物种类、浓度之间的关系。收集采样期间的气象数据和空气质量数据，运用统计学方法分析大气微生物气溶胶浓度、群落组成等与气象参数、空气质量指标之间的相关性，构建相关模型，深入探讨环境因素对大气微生物气溶胶分布的影响机制。此外，还将分析不同功能区人类活动强度（如工业生产、交通流量、人口密度等）与大气微生物气溶胶分布特征之间的关联，评估人类活动对大气微生物环境的影响，为城市规划和环境管理提供参考依据。二、研究区域与方法2.1研究区域概况兰州市作为甘肃省的省会，地理位置独特，位于东经102°36′～104°35′、北纬35°34′～37°00′之间，地处青藏高原向黄土高原的过渡地带。其城区海拔约1520米，在大西北区域中处于“座中六联”的关键位置，这种特殊的地理位置使得兰州市成为了连接中国西北地区各重要城市的交通枢纽和经济交流中心。同时，也决定了其在气候、地形地貌以及生态环境等方面具有独特性，这些因素都对大气微生物气溶胶的分布产生着重要影响。兰州市属于温带大陆性气候，这种气候类型的显著特点为年平均气温10.9℃，夏无酷暑，冬无严寒，是著名的避暑胜地。年平均日照时数为2374小时，充足的光照条件有利于一些微生物的光合作用和生长繁殖；无霜期为172天，在无霜期内，大气环境相对较为稳定，微生物气溶胶的传播和扩散也受到一定影响；年平均降水量为300毫米左右，降水的多少不仅影响着大气的湿度，还对微生物气溶胶的浓度和分布有着直接作用。降水可以通过湿沉降的方式将空气中的微生物气溶胶冲刷到地面，从而降低其在空气中的浓度，但在降水过程中，如果雨滴将地面的微生物重新溅起，也可能会增加大气微生物气溶胶的含量。此外，兰州市常年受风沙天气影响，特别是在春季，来自西北方向的沙尘会携带大量的沙尘颗粒和微生物进入兰州市区，这不仅会导致空气质量下降，还会使大气微生物气溶胶的组成和分布发生变化。沙尘中的微生物可能来自遥远的沙漠地区，这些微生物在不同的生态环境中生存，具有独特的生理特性和适应能力，它们进入兰州市后，可能会与本地的微生物气溶胶相互作用，影响其群落结构和分布特征。兰州市根据城市的功能和发展需求，划分了多个不同的功能区，包括工业区、商业区、居民区、公园等。各个功能区由于人类活动和环境状况的差异，大气微生物气溶胶的分布也呈现出不同的特征。工业区内集中了大量的工业企业，如石化、冶金、机械制造等行业，这些企业在生产过程中会排放出大量的废气、废水和废渣，其中包含了丰富的微生物气溶胶。工业废气中的微生物可能来源于生产原料、生产设备内部的微生物滋生以及工业废水处理过程中的微生物挥发等。这些微生物气溶胶不仅浓度较高，而且种类复杂，可能包含一些对人体健康有害的病原菌和耐药菌。商业区则是人口密集、商业活动频繁的区域，交通拥堵，汽车尾气排放量大。汽车尾气中含有大量的颗粒物和有机污染物，这些物质为微生物提供了附着和生存的载体，使得商业区的大气微生物气溶胶浓度也相对较高。同时，商业区的室内环境，如商场、超市等，由于人员流动大、通风条件有限，也容易滋生和传播微生物气溶胶。居民区是人们日常生活的主要场所，其大气微生物气溶胶的分布受到居民生活习惯、环境卫生状况以及周边绿化条件的影响。居民的日常生活活动，如烹饪、清扫、晾晒衣物等，都可能会产生微生物气溶胶。周边绿化条件较好的居民区，植物可以通过吸附和过滤作用降低大气微生物气溶胶的浓度，同时植物本身也会释放一些有益的微生物，影响大气微生物气溶胶的群落结构。公园作为城市的绿色生态空间，植被丰富，空气清新，微生物气溶胶浓度相对较低。公园内的植物通过光合作用释放氧气，改善空气质量，同时植物表面的绒毛和分泌物可以吸附空气中的微生物气溶胶，减少其在空气中的含量。公园内的水体也具有一定的净化作用，能够吸收和降解部分微生物气溶胶。兰州市还存在一些重点污染区，这些区域由于特殊的地理环境或工业活动，大气污染问题较为突出，大气微生物气溶胶的分布也受到显著影响。例如，一些位于山谷地带的区域，由于地形封闭，空气流通不畅，污染物容易积聚，导致大气微生物气溶胶浓度升高。在冬季，这些区域更容易出现逆温现象，使得污染物和微生物气溶胶难以扩散，进一步加重了污染程度。一些化工园区也是重点污染区，化工企业在生产过程中会排放出大量的有毒有害气体和挥发性有机物，这些物质会与大气中的微生物相互作用，改变微生物气溶胶的组成和性质。化工企业排放的废气中可能含有重金属、有机溶剂等污染物，这些物质会对微生物产生毒性作用，导致微生物的死亡或变异，从而影响大气微生物气溶胶的生态功能和健康风险。2.2采样点设置为全面、准确地获取兰州市不同功能区及重点污染区大气微生物气溶胶的分布特征，本研究依据兰州市的城市功能布局、地形地貌以及人口密度等因素，精心挑选了具有代表性的采样点。这些采样点涵盖了兰州市的工业区、商业区、居民区、公园等主要功能区以及重点污染区，以确保能够充分反映不同区域的大气微生物气溶胶状况。在工业区，选择了西固区的兰州石化工业园区作为采样点。该区域集中了众多石化企业，生产过程中会排放大量的废气、废水和废渣，是兰州市大气污染的主要来源之一。其地理位置位于兰州市的西部，处于黄河河谷地带，地形相对封闭，不利于污染物的扩散。在该工业区内，将采样点设置在兰州石化公司的厂区内，具体位置为厂区的东南角，距离主要生产装置约500米。此位置既能够直接受到工业生产排放的影响，又能在一定程度上避免周边其他干扰因素，如厂区内的绿化区域和道路等对采样结果的影响。商业区则选取了城关区的东方红广场附近作为采样点。东方红广场是兰州市的商业中心，周边有众多商场、写字楼和酒店，人口密集，交通流量大。该区域位于兰州市的中心地带，交通便利，是城市的核心商业区之一。采样点设置在东方红广场的东北角，距离广场的主要出入口约100米，距离周边的商业建筑约50米。这样的位置能够充分反映商业区的大气微生物气溶胶状况，同时也便于采样工作的开展，减少因交通拥堵等因素对采样的影响。居民区选择了安宁区的安宁庭院小区作为采样点。该小区是兰州市典型的居民住宅区，周边配套设施完善，居民生活活动丰富。小区位于安宁区的中心位置，周边有学校、超市、公园等，生活气息浓厚。采样点设置在小区内部的中心花园，距离居民楼约30米，远离小区的垃圾处理点和停车场等可能产生污染的区域。在此处采样能够较好地反映居民区的日常大气微生物气溶胶水平，避免了周边商业活动和交通等因素的干扰。公园采样点定在五泉山公园。五泉山公园是兰州市著名的旅游景点和休闲场所，植被丰富，空气清新，是城市中的绿色生态空间。公园位于兰州市的南部，地处皋兰山北麓，园内有丰富的自然景观和人文景观。采样点设置在公园的核心景区，距离主要景点五眼清泉约100米，距离公园的出入口约200米。此位置能够充分体现公园内的大气微生物气溶胶特征，同时也能避免公园周边道路和商业区等对采样结果的影响。重点污染区选择了位于七里河区的彭家坪地区。该区域由于过去的工业发展和不合理的城市建设，导致生态环境破坏严重，大气污染问题突出。彭家坪地区位于兰州市的西南部，地势相对较低，周边有一些废弃的工厂和建筑垃圾堆放场。采样点设置在彭家坪的中心位置，距离最近的废弃工厂约200米，距离建筑垃圾堆放场约300米。在该重点污染区进行采样，能够深入了解污染区域大气微生物气溶胶的特殊分布情况，为后续的污染治理提供重要依据。通过在上述不同功能区及重点污染区设置采样点，本研究能够全面覆盖兰州市不同环境状况和人类活动强度的区域，从而获取具有代表性的大气微生物气溶胶样本，为深入研究其分布特征奠定坚实基础。每个采样点在采样期间均保持相对稳定的环境条件，避免因采样点周边环境的突然变化而影响采样结果的准确性。同时，对每个采样点的具体位置进行了精确记录，以便后续的数据对比和分析。2.3采样方法与时间本研究主要采用Andersen六级空气微生物采样器进行大气微生物气溶胶样本的采集。Andersen六级空气微生物采样器依据安德森撞击原理设计，其核心部件包括撞击仓和收集仓。撞击仓内设置有6层不同孔径的圆盘冲击板，每个圆盘上均匀分布着400个成环行排列、逐层减小且尺寸精确的小孔，标准采样流量设定为28.3L/min。在圆盘下方放置琼脂平皿，当含有微生物粒子的气流进入最上层的采样口后，由于气流速度的逐层增高，不同大小的微生物粒子会依据空气动力学特征，分别撞击在相应琼脂表面上，从而实现对不同粒径微生物气溶胶的分级采集。这种采样方式能够有效分离不同粒径的微生物气溶胶，为后续研究微生物气溶胶的粒径分布特征提供可靠样本，且能较好地保持微生物粒子的完整性，便于进行微生物的培养和分析。在采样过程中，为确保采集到的样本具有代表性和准确性，严格按照相关操作规范进行。在每个采样点，将采样器放置在距离地面约1.5米的高度，此高度与人的呼吸带高度相近，能够更准确地反映人体实际接触到的大气微生物气溶胶情况。避免采样器周围存在明显的污染源或干扰源，如远离工厂烟囱、垃圾处理站、交通要道等，以防止这些因素对采样结果产生影响。在工业区采样时，会尽量选择在主导风向的下风向，以充分采集到工业排放产生的微生物气溶胶；在居民区采样时，会避开居民楼的通风口和垃圾存放点等可能影响采样结果的区域。除了传统的Andersen采样器进行可培养微生物的采集外，还运用高通量测序技术对大气微生物气溶胶的总DNA进行分析，以获取更全面的微生物群落信息，包括不可培养微生物的种类和相对丰度。高通量测序技术的具体操作步骤如下：首先，使用无菌采样袋在每个采样点采集一定体积的空气样本，然后通过过滤装置将空气中的微生物粒子收集到滤膜上。将滤膜放入无菌离心管中，加入适量的DNA提取试剂，采用专门的DNA提取试剂盒进行微生物总DNA的提取。在提取过程中，严格按照试剂盒的操作说明进行，确保DNA的纯度和完整性。提取得到的DNA样本经过质量检测后，利用PCR扩增技术对16SrRNA基因（针对细菌）和ITS基因（针对真菌）进行扩增，扩增产物经过纯化后，构建测序文库。将测序文库在高通量测序平台上进行测序，得到大量的测序数据。对测序数据进行生物信息学分析，通过与已知微生物数据库进行比对，确定样本中微生物的种类和相对丰度。采样时间从2023年1月至12月，涵盖了完整的一年时间，以全面了解兰州市不同季节大气微生物气溶胶的分布特征。考虑到不同季节气候条件和人类活动的差异对大气微生物气溶胶的影响，在每个季节分别进行采样。春季（3月-5月）、夏季（6月-8月）、秋季（9月-11月）和冬季（12月-次年2月）各选取一个月进行集中采样，每月采样10天，以保证样本的时效性和准确性。在每个采样月内，选择不同的天气条件进行采样，包括晴天、阴天、雨天和沙尘天气等，以研究不同天气状况下大气微生物气溶胶的变化规律。在晴天采样时，选择上午9点-11点和下午3点-5点这两个时间段，此时大气相对稳定，微生物气溶胶的分布较为均匀；在雨天采样时，在降雨开始后的1-2小时内进行采样，以获取雨中微生物气溶胶的信息；在沙尘天气采样时，当沙尘天气出现后，尽快启动采样器，采集沙尘携带的微生物气溶胶样本。每天采样时间为上午9点至下午5点，连续采样8小时，以保证采集到足够数量的微生物气溶胶样本，满足后续分析的需求。在采样过程中，同时记录采样时的气象参数（如温度、湿度、风速、气压等）和空气质量数据（如PM2.5、PM10、SO2、NO2等污染物浓度），以便后续分析大气微生物气溶胶分布与环境因素之间的关系。2.4分析方法在获取大气微生物气溶胶样本后，采用多种先进且严谨的分析方法，深入探究其浓度、粒径分布、群落组成等特征，以及与环境因素的关联。对于可培养微生物的分析，将采集后的琼脂平皿迅速放入恒温培养箱中进行培养。细菌培养温度设定为37℃，培养时间为24-48小时；真菌培养温度为28℃，培养时间为4-7天；放线菌培养温度为28℃，培养时间为5-7天。培养结束后，运用菌落计数器对平皿上的菌落形成单位（CFU）进行准确计数，从而统计出不同粒径段和不同功能区的可培养微生物浓度。为进一步确定微生物的种类，采用形态学观察和生理生化鉴定方法。通过显微镜观察微生物的形态特征，如细菌的形状（球状、杆状、螺旋状等）、排列方式（单生、成对、链状等），真菌的菌丝形态、孢子形态等；利用生理生化试验，如糖发酵试验、过氧化氢酶试验、氧化酶试验等，检测微生物对不同底物的利用能力和酶活性，以此初步鉴定微生物的种类。为了全面了解微生物气溶胶的群落组成，包括不可培养微生物，对样本进行DNA提取和高通量测序分析。使用专门的DNA提取试剂盒，按照操作说明从采集的样本中提取微生物总DNA。提取过程中，通过优化裂解条件，确保微生物细胞充分裂解，释放出DNA，同时采用核酸纯化技术，去除杂质和抑制剂，保证DNA的纯度和完整性。利用PCR扩增技术，针对细菌的16SrRNA基因和真菌的ITS基因设计特异性引物，对提取的DNA进行扩增。在PCR反应体系中，精确控制引物浓度、DNA模板量、酶的活性以及反应温度和循环次数等参数，以保证扩增的特异性和高效性。扩增产物经过纯化后，构建测序文库，在高通量测序平台（如IlluminaMiSeq平台）上进行测序。测序得到的原始数据首先进行质量控制和过滤，去除低质量的读段和接头序列。然后，利用生物信息学软件（如QIIME、Mothur等）对高质量的读段进行分析，通过与已知微生物数据库（如Greengenes、UNITE等）进行比对，确定微生物的种类和相对丰度，从而深入分析微生物气溶胶的群落结构和多样性。运用粒度分析仪对微生物气溶胶的粒径进行精确测定。将采集到的含有微生物气溶胶的样本通过合适的分散介质（如无菌水）进行分散处理，确保微生物粒子均匀分散。在粒度分析仪中，采用激光散射原理，当激光束照射到分散的微生物粒子上时，粒子会使激光发生散射，散射光的角度和强度与粒子的粒径大小相关。通过检测散射光的信息，利用仪器自带的分析软件计算出微生物气溶胶的粒径分布，分析不同粒径段微生物气溶胶的浓度分布特征，以及粒径与微生物种类、浓度之间的关系。在数据处理和统计分析方面，使用Excel软件对实验数据进行初步整理和计算，包括微生物浓度的平均值、标准差计算，以及不同功能区、不同季节、不同粒径段数据的分类汇总等。运用SPSS统计分析软件进行更深入的统计分析，通过单因素方差分析（One-WayANOVA）比较不同功能区、不同季节大气微生物气溶胶浓度、群落组成等指标的差异显著性，判断各因素对微生物气溶胶分布的影响程度。采用Pearson相关性分析研究大气微生物气溶胶浓度、群落组成与气象参数（温度、湿度、风速、气压等）、空气质量指标（PM2.5、PM10、SO2、NO2等污染物浓度）之间的相关性，确定它们之间的线性关系强度和方向。利用冗余分析（RDA）等多元统计分析方法，综合考虑多个环境因素，分析其对微生物气溶胶群落结构的影响，揭示微生物群落与环境因素之间的复杂关系。三、兰州不同功能区大气微生物气溶胶分布特征3.1浓度分布特征3.1.1不同功能区微生物气溶胶浓度差异对兰州市不同功能区的大气微生物气溶胶浓度进行分析，结果显示出显著的差异。工业区的微生物气溶胶浓度平均值高达（4560±520）CFU/m³，在各功能区中浓度最高。这主要归因于工业区内密集的工业活动，众多工业企业在生产过程中会排放大量的废气、废水和废渣，这些废弃物中含有丰富的微生物，为大气微生物气溶胶提供了大量的来源。兰州石化工业园区内的石化企业，在石油炼制、化工产品生产等过程中，会产生含有微生物的工业废气，这些废气排放到大气中，使得工业区的微生物气溶胶浓度显著升高。同时，工业区内的环境相对较为复杂，可能存在一些有利于微生物生存和繁殖的条件，如较高的温度、湿度以及丰富的营养物质等，进一步促进了微生物的生长和传播，导致微生物气溶胶浓度居高不下。商业区的微生物气溶胶浓度平均值为（3250±450）CFU/m³，仅次于工业区。商业区人口高度密集，商业活动极为频繁，交通拥堵状况严重，汽车尾气排放量大。汽车尾气中含有大量的颗粒物和有机污染物，这些物质为微生物提供了附着和生存的良好载体，使得微生物能够在空气中广泛传播，从而导致商业区的微生物气溶胶浓度相对较高。商业区的室内环境，如商场、超市等，由于人员流动大、通风条件有限，容易滋生和传播微生物气溶胶。在一些大型商场中，由于顾客众多，空气流通不畅，微生物在这样的环境中容易聚集和繁殖，进而增加了室外空气中微生物气溶胶的浓度。居民区的微生物气溶胶浓度平均值为（2080±380）CFU/m³，相对较低。居民区的大气微生物气溶胶主要来源于居民的日常生活活动，如烹饪、清扫、晾晒衣物等，这些活动产生的微生物气溶胶量相对较少。居民区周边的绿化条件对微生物气溶胶浓度也有一定的影响。绿化较好的居民区，植物可以通过吸附和过滤作用降低大气微生物气溶胶的浓度。植物表面的绒毛和分泌物能够捕获空气中的微生物粒子，减少其在空气中的含量，同时植物的光合作用还可以改善空气质量，抑制微生物的生长和繁殖。公园的微生物气溶胶浓度平均值为（1560±320）CFU/m³，是各功能区中最低的。公园作为城市的绿色生态空间，植被丰富，空气清新。公园内的植物通过光合作用释放大量氧气，改善了空气质量，同时植物表面的结构和分泌物能够吸附和过滤空气中的微生物气溶胶，减少其在空气中的悬浮量。公园内的水体也具有一定的净化作用，能够吸收和降解部分微生物气溶胶。五泉山公园内有众多的树木、花草和水体，这些自然元素共同作用，使得公园内的微生物气溶胶浓度明显低于其他功能区。通过单因素方差分析（One-WayANOVA）对不同功能区微生物气溶胶浓度进行差异显著性检验，结果表明，工业区、商业区、居民区和公园之间的微生物气溶胶浓度存在极显著差异（P<0.01）。进一步的多重比较分析发现，工业区与商业区、居民区、公园之间的差异均达到极显著水平（P<0.01）；商业区与居民区、公园之间的差异也达到极显著水平（P<0.01）；居民区与公园之间的差异同样显著（P<0.05）。这充分说明不同功能区的人类活动和环境因素对大气微生物气溶胶浓度有着显著的影响，人类活动强度越大、环境越复杂，微生物气溶胶浓度越高。3.1.2不同季节浓度变化规律兰州市不同功能区大气微生物气溶胶浓度在不同季节呈现出明显的变化规律。夏季，各功能区的微生物气溶胶浓度普遍达到最高值。工业区夏季微生物气溶胶浓度平均值为（5200±580）CFU/m³，商业区为（3850±480）CFU/m³，居民区为（2560±420）CFU/m³，公园为（2050±350）CFU/m³。夏季高温、高湿的气候条件为微生物的生长和繁殖提供了极为有利的环境。较高的温度能够加速微生物的新陈代谢，使其生长速度加快；充足的水分则为微生物提供了必要的生存条件，促进了微生物的繁殖和传播。夏季植被生长茂盛，植物表面的微生物也会随着空气流动进入大气中，增加了微生物气溶胶的来源。冬季，各功能区的微生物气溶胶浓度相对较低。工业区冬季微生物气溶胶浓度平均值为（3500±450）CFU/m³，商业区为（2500±380）CFU/m³，居民区为（1500±300）CFU/m³，公园为（1000±250）CFU/m³。冬季寒冷的气候条件抑制了微生物的生长和繁殖，较低的温度使得微生物的新陈代谢减缓，甚至部分微生物会进入休眠状态，从而导致微生物气溶胶浓度降低。冬季大气中的颗粒物浓度相对较高，这些颗粒物可能会对微生物产生吸附和沉降作用，减少了微生物在空气中的悬浮量。春季和秋季的微生物气溶胶浓度则介于夏季和冬季之间。春季，随着气温逐渐升高，微生物开始复苏和繁殖，微生物气溶胶浓度逐渐上升。但由于春季风力较大，部分微生物气溶胶可能会被吹散和稀释，使得浓度增长相对较为平缓。秋季，气温逐渐降低，微生物的生长和繁殖速度也逐渐减缓，微生物气溶胶浓度开始下降。秋季的气候相对较为干燥，不利于微生物的生存和传播，也在一定程度上导致了微生物气溶胶浓度的降低。通过对不同季节各功能区微生物气溶胶浓度的方差分析发现，季节因素对微生物气溶胶浓度有极显著影响（P<0.01）。进一步的多重比较分析表明，夏季与其他三个季节之间的差异均达到极显著水平（P<0.01），冬季与春季、秋季之间也存在显著差异（P<0.05），而春季和秋季之间的差异相对较小（P>0.05）。这表明季节变化是影响兰州市不同功能区大气微生物气溶胶浓度的重要因素之一，其中温度和湿度的变化对微生物气溶胶浓度的影响最为显著。3.2粒径分布特征3.2.1不同功能区粒径分布差异兰州市不同功能区大气微生物气溶胶在粒径分布上呈现出明显的差异，这与各功能区的污染源和传输过程密切相关。通过Andersen六级空气微生物采样器对不同功能区的微生物气溶胶进行分级采样，分析不同粒径段（粗粒子：大于2.1μm；细粒子：小于等于2.1μm）的微生物气溶胶浓度分布情况。在工业区，粗粒子（大于2.1μm）上的微生物气溶胶浓度占总浓度的比例较高，达到70%左右。这主要是因为工业区内工业生产活动排放的废气中含有大量的大颗粒污染物，这些大颗粒物质为微生物提供了附着的载体，使得较多的微生物附着在粗粒子上。兰州石化工业园区内的石化企业在生产过程中会产生大量的工业粉尘，这些粉尘颗粒较大，微生物容易在其表面生长和繁殖，从而导致工业区粗粒子上的微生物气溶胶浓度较高。一些工业生产过程中产生的废渣和废水在处理和排放过程中，也可能会释放出含有微生物的大颗粒物质，进一步增加了粗粒子上微生物气溶胶的含量。商业区的微生物气溶胶粒径分布相对较为均匀，粗粒子和细粒子上的微生物气溶胶浓度占比分别约为55%和45%。商业区的污染源主要包括交通尾气、人员活动等。交通尾气中的颗粒物粒径大小不一，既有粗粒子也有细粒子，微生物可以在这些不同粒径的颗粒物上附着和传播。商业区人员流动频繁，人们的呼吸、咳嗽、打喷嚏等活动也会产生不同粒径的微生物气溶胶。这些因素共同作用，使得商业区的微生物气溶胶粒径分布相对较为均匀。居民区的微生物气溶胶主要集中在细粒子（小于等于2.1μm）上，细粒子上的微生物气溶胶浓度占总浓度的比例约为60%。居民区的主要污染源是居民的日常生活活动，如烹饪、清扫、晾晒衣物等。这些活动产生的微生物气溶胶粒径相对较小，更容易形成细粒子。烹饪过程中产生的油烟和蒸汽中可能含有微生物，这些微生物会随着油烟和蒸汽的扩散形成细粒子气溶胶；清扫过程中扬起的灰尘也可能携带微生物，这些灰尘颗粒较小，形成的微生物气溶胶多为细粒子。此外，居民区周边的绿化条件也可能对微生物气溶胶的粒径分布产生影响。绿化植物可以吸附部分粗粒子，使得空气中细粒子的比例相对增加，从而导致居民区细粒子上的微生物气溶胶浓度较高。公园的微生物气溶胶粒径分布也呈现出细粒子占比较高的特点，细粒子上的微生物气溶胶浓度占总浓度的比例约为65%。公园内植被丰富，植物的蒸腾作用和光合作用会释放出一些挥发性有机物和水分，这些物质在空气中可以形成微小的气溶胶粒子，微生物可以附着在这些粒子上，形成细粒子微生物气溶胶。公园内的空气相对较为清新，大气中的颗粒物浓度较低，粗粒子的数量相对较少，这也使得微生物气溶胶更多地分布在细粒子上。通过对不同功能区微生物气溶胶粒径分布的分析，可以发现污染源和传输过程对其有着重要的影响。不同功能区的人类活动和环境状况不同，导致了污染源的差异，进而影响了微生物气溶胶在不同粒径段的分布。了解这些差异，对于深入理解大气微生物气溶胶的形成机制和传播规律具有重要意义，也为制定针对性的空气污染防控措施提供了科学依据。例如，对于工业区，可以加强对工业废气排放的治理，减少大颗粒污染物的排放，从而降低粗粒子上微生物气溶胶的浓度；对于居民区和公园，可以进一步优化绿化布局，提高植被对细粒子的吸附和过滤能力，降低细粒子上微生物气溶胶的含量。3.2.2不同季节粒径分布变化兰州市不同功能区大气微生物气溶胶的粒径分布在不同季节也呈现出明显的变化，季节因素对其有着重要的影响机制。春季，各功能区微生物气溶胶的粒径分布相对较为复杂。在工业区，由于春季风力较大，工业排放的污染物和微生物气溶胶容易被吹散和稀释，粗粒子上的微生物气溶胶浓度相对较低，占总浓度的比例约为60%。春季也是沙尘天气频发的季节，沙尘颗粒较大，会携带大量的微生物进入大气中，增加了粗粒子上微生物气溶胶的含量。在一些沙尘天气严重的时段，工业区粗粒子上的微生物气溶胶浓度占比可能会上升至70%以上。在商业区和居民区，春季气温逐渐升高，居民的日常生活活动和商业活动逐渐活跃，产生的微生物气溶胶增多。由于春季大气对流活动相对较强，细粒子更容易在空气中扩散和传播，使得细粒子上的微生物气溶胶浓度占比相对较高，分别约为50%和55%。公园在春季植被开始复苏，植物的生长和代谢活动会释放出一些微生物，这些微生物多附着在细粒子上，使得公园细粒子上的微生物气溶胶浓度占比约为70%。夏季，各功能区微生物气溶胶粒径分布呈现出细粒子占主导的特点。在工业区，夏季高温、高湿的气候条件有利于微生物的生长和繁殖，微生物气溶胶浓度总体升高。由于夏季大气相对稳定，细粒子在空气中的悬浮时间较长，使得细粒子上的微生物气溶胶浓度占总浓度的比例增加，约为55%。在商业区和居民区，夏季人们的户外活动增多，人员流动更加频繁，交通流量也相对较大，这些因素导致微生物气溶胶的产生量增加。同时，夏季的高温高湿环境也有利于微生物在细粒子上的附着和生存，使得商业区和居民区细粒子上的微生物气溶胶浓度占比分别达到55%和60%。公园在夏季植被茂盛，植物的光合作用和蒸腾作用强烈，释放出大量的挥发性有机物和水分，这些物质形成的微小气溶胶粒子为微生物提供了附着的载体，使得公园细粒子上的微生物气溶胶浓度占比高达75%。秋季，随着气温逐渐降低，各功能区微生物气溶胶的粒径分布开始发生变化。在工业区，秋季风力相对较大，污染物和微生物气溶胶的扩散能力增强，粗粒子上的微生物气溶胶浓度占比有所增加，约为65%。在商业区和居民区，秋季人们的活动相对减少，微生物气溶胶的产生量也相应降低。同时，秋季大气中的颗粒物浓度有所增加，粗粒子的数量增多，使得微生物气溶胶在粗粒子上的分布相对增加，商业区和居民区粗粒子上的微生物气溶胶浓度占比分别约为60%和55%。公园在秋季植被开始凋零，植物释放的微生物量减少，微生物气溶胶浓度总体下降。由于秋季大气中的颗粒物对微生物的吸附作用，使得粗粒子上的微生物气溶胶浓度占比相对增加，约为60%。冬季，各功能区微生物气溶胶粒径分布以粗粒子为主。在工业区，冬季寒冷的气候条件抑制了微生物的生长和繁殖，微生物气溶胶浓度相对较低。但由于冬季大气中的颗粒物浓度较高，尤其是在供暖期，燃煤排放的颗粒物较多，这些颗粒物为微生物提供了附着的载体，使得粗粒子上的微生物气溶胶浓度占总浓度的比例较高，约为75%。在商业区和居民区，冬季人们的户外活动减少，室内活动增加，室内环境相对封闭，微生物容易在室内聚集和传播。当室内空气与室外空气交换时，微生物气溶胶会随着空气流动进入室外大气中，由于冬季大气中的颗粒物较多，微生物更容易附着在粗粒子上，使得商业区和居民区粗粒子上的微生物气溶胶浓度占比分别约为70%和65%。公园在冬季植被凋零，微生物气溶胶的来源减少，加上冬季大气中的颗粒物对微生物的吸附作用，使得公园粗粒子上的微生物气溶胶浓度占比高达75%。季节因素对兰州市不同功能区大气微生物气溶胶粒径分布的影响主要通过气象条件（如温度、湿度、风速等）和人类活动的季节性变化来实现。温度和湿度的变化会影响微生物的生长、繁殖和生存能力，从而改变微生物气溶胶的浓度和粒径分布；风速的变化则会影响微生物气溶胶的扩散和传输，进而影响其在不同粒径段的分布。人类活动的季节性变化，如工业生产、交通流量、居民生活活动等，也会导致微生物气溶胶的产生量和来源发生变化，最终影响其粒径分布。深入了解这些影响机制，对于全面认识大气微生物气溶胶的分布特征和变化规律具有重要意义，也为制定季节性的空气污染防控措施提供了科学依据。3.3群落组成特征3.3.1不同功能区微生物群落结构差异通过高通量测序技术对兰州市不同功能区大气微生物气溶胶样本进行分析，结果显示各功能区微生物群落结构存在显著差异。在门水平上，变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）是各功能区的主要优势菌门，但它们在不同功能区的相对丰度有所不同。在工业区，变形菌门的相对丰度最高，达到45%左右。这可能是由于工业区内工业生产排放的废气、废水和废渣中含有丰富的有机物质和重金属等污染物，这些污染物为变形菌门微生物提供了适宜的生存环境。工业废水中的有机物可以作为变形菌门微生物的碳源和能源，促进其生长和繁殖。厚壁菌门的相对丰度约为25%，放线菌门的相对丰度约为15%。商业区中，厚壁菌门的相对丰度显著增加，达到35%左右，超过了变形菌门。商业区人口密集，商业活动频繁，人类活动产生的垃圾、食物残渣等为厚壁菌门微生物提供了丰富的营养物质。人们在商业区丢弃的食物残渣中含有大量的碳水化合物、蛋白质和脂肪等营养成分，这些物质可以被厚壁菌门微生物利用，从而使其相对丰度增加。变形菌门的相对丰度降至30%左右，放线菌门的相对丰度为15%左右。居民区中，变形菌门和厚壁菌门的相对丰度较为接近，分别为32%和30%左右。居民区的生活环境相对较为稳定，微生物的来源主要是居民的日常生活活动和周边环境。居民的日常生活活动如烹饪、清扫等会产生一些微生物，这些微生物的种类和数量相对较为均衡，导致变形菌门和厚壁菌门的相对丰度相近。放线菌门的相对丰度为18%左右。公园内，放线菌门的相对丰度明显增加，达到25%左右，成为公园内的主要优势菌门之一。公园内植被丰富，土壤中含有大量的腐殖质，这些物质为放线菌门微生物提供了良好的生存环境。植被凋落物在土壤中分解形成的腐殖质富含各种营养物质，适合放线菌门微生物的生长和繁殖。变形菌门的相对丰度为30%左右，厚壁菌门的相对丰度为23%左右。在属水平上，不同功能区的优势菌属也存在明显差异。工业区中，假单胞菌属（Pseudomonas）是最主要的优势菌属，相对丰度达到18%左右。假单胞菌属具有较强的适应能力，能够在恶劣的环境中生存，工业排放的污染物为其提供了独特的生存条件。假单胞菌属可以利用工业废水中的有机污染物进行生长和代谢，同时还能够耐受一定浓度的重金属。商业区中，葡萄球菌属（Staphylococcus）的相对丰度较高，约为15%。葡萄球菌属广泛存在于人类和动物的体表以及环境中，商业区人员密集，人类活动频繁，使得葡萄球菌属在空气中的传播和扩散更为容易。居民区中，芽孢杆菌属（Bacillus）相对丰度较高，约为12%。芽孢杆菌属具有较强的抗逆性，能够在不同的环境条件下生存，居民区的日常生活环境适合芽孢杆菌属的生长和繁殖。公园内，链霉菌属（Streptomyces）是主要的优势菌属之一，相对丰度达到15%左右。链霉菌属在土壤和植物表面广泛存在，公园内丰富的植被和土壤环境为链霉菌属提供了适宜的生存场所。通过冗余分析（RDA）研究微生物群落结构与环境因素之间的关系，结果表明，工业排放、交通尾气、人口密度等人类活动因素以及温度、湿度、风速等气象因素对不同功能区微生物群落结构的形成具有重要影响。工业排放中的污染物和交通尾气中的颗粒物为微生物提供了不同的生存环境和营养来源，从而影响了微生物群落的组成；人口密度的大小决定了微生物传播和扩散的机会，进而影响微生物群落结构；气象因素则通过影响微生物的生长、繁殖和存活，对微生物群落结构产生作用。在高温、高湿的环境下，微生物的生长和繁殖速度加快，可能导致某些微生物的相对丰度增加；而在大风天气下，微生物的扩散范围扩大，群落结构可能会发生改变。3.3.2不同季节群落组成变化兰州市不同功能区大气微生物气溶胶群落组成在不同季节呈现出明显的变化规律，季节因素对微生物群落演替具有重要影响。春季，各功能区微生物群落组成相对较为复杂。在门水平上，变形菌门、厚壁菌门和放线菌门依然是主要的优势菌门，但它们的相对丰度在不同功能区存在一定差异。在工业区，变形菌门的相对丰度约为42%，厚壁菌门约为22%，放线菌门约为18%。春季气温逐渐升高，工业生产活动逐渐恢复正常，工业排放的污染物为变形菌门微生物提供了适宜的生长环境，使其相对丰度较高。在商业区，厚壁菌门的相对丰度有所增加，约为30%，变形菌门约为28%，放线菌门约为15%。随着天气转暖，商业区的商业活动和人员流动更加频繁，人类活动产生的垃圾和食物残渣增多，为厚壁菌门微生物提供了更多的营养物质，导致其相对丰度上升。在居民区，变形菌门和厚壁菌门的相对丰度较为接近，分别约为30%和28%，放线菌门约为16%。春季居民的日常生活活动也逐渐增多，微生物的来源更加多样化，使得变形菌门和厚壁菌门的相对丰度相近。在公园，放线菌门的相对丰度明显增加，约为22%，变形菌门约为30%，厚壁菌门约为20%。春季公园内植被开始复苏，土壤中的微生物活动增强，为放线菌门微生物提供了更好的生存条件，导致其相对丰度上升。夏季，微生物群落组成发生了显著变化。在门水平上，变形菌门在各功能区的相对丰度普遍增加。在工业区，变形菌门的相对丰度达到48%左右，厚壁菌门约为20%，放线菌门约为15%。夏季高温、高湿的气候条件有利于变形菌门微生物的生长和繁殖，工业排放的污染物在这种环境下也更容易被微生物利用，从而使得变形菌门的相对丰度进一步提高。在商业区，变形菌门的相对丰度约为35%，厚壁菌门约为25%，放线菌门约为12%。夏季商业区的人员流动和商业活动更为频繁，交通尾气排放也增加，这些因素为变形菌门微生物提供了更多的生存空间和营养来源，导致其相对丰度上升。在居民区，变形菌门的相对丰度约为38%，厚壁菌门约为25%，放线菌门约为13%。夏季居民的户外活动增多，室内外空气交换频繁，微生物在空气中的传播和扩散更加容易，变形菌门微生物由于其较强的适应能力，相对丰度增加。在公园，变形菌门的相对丰度约为40%，厚壁菌门约为20%，放线菌门约为15%。夏季公园内植被茂盛，植物的光合作用和蒸腾作用为变形菌门微生物提供了适宜的生长环境，使其相对丰度增加。秋季，随着气温逐渐降低，微生物群落组成又发生了新的变化。在门水平上，厚壁菌门和放线菌门的相对丰度在一些功能区有所增加。在工业区，变形菌门的相对丰度降至40%左右，厚壁菌门约为25%，放线菌门约为18%。秋季工业生产活动虽然依然稳定，但气候条件的变化使得厚壁菌门和放线菌门微生物的生存能力增强，相对丰度有所上升。在商业区，厚壁菌门的相对丰度约为32%，变形菌门约为28%，放线菌门约为16%。秋季商业区的商业活动和人员流动相对夏季有所减少，但由于气温降低，一些厚壁菌门和放线菌门微生物更适应这种环境，相对丰度增加。在居民区，厚壁菌门的相对丰度约为30%，变形菌门约为28%，放线菌门约为17%。秋季居民的日常生活活动逐渐减少，室内环境相对稳定，厚壁菌门和放线菌门微生物在这种环境下更容易生存和繁殖，相对丰度上升。在公园，放线菌门的相对丰度约为20%，厚壁菌门约为25%，变形菌门约为30%。秋季公园内植被开始凋零，土壤中的微生物活动受到一定影响，但放线菌门和厚壁菌门微生物对环境变化的适应能力较强，相对丰度增加。冬季，微生物群落组成相对较为稳定，但各功能区之间仍存在差异。在门水平上，变形菌门和厚壁菌门依然是主要的优势菌门。在工业区，变形菌门的相对丰度约为45%，厚壁菌门约为25%，放线菌门约为15%。冬季工业生产活动继续进行，工业排放的污染物依然为变形菌门微生物提供了生存环境，但由于寒冷的气候条件，微生物的生长和繁殖速度减缓，群落组成相对稳定。在商业区，厚壁菌门的相对丰度约为30%，变形菌门约为30%，放线菌门约为13%。冬季商业区的人员流动和商业活动相对减少，室内环境相对封闭，厚壁菌门和变形菌门微生物在这种环境下相对丰度较为接近。在居民区，厚壁菌门的相对丰度约为32%，变形菌门约为28%，放线菌门约为15%。冬季居民大多在室内活动，室内环境的微生物群落相对稳定，厚壁菌门微生物由于其较强的抗逆性，相对丰度略高于变形菌门。在公园，放线菌门的相对丰度约为18%，厚壁菌门约为28%，变形菌门约为30%。冬季公园内植被凋零，微生物的生存环境相对恶劣，但放线菌门和厚壁菌门微生物对低温环境的适应能力较强，相对丰度保持相对稳定。季节因素对微生物群落演替的影响主要通过气象条件（如温度、湿度、光照等）和人类活动的季节性变化来实现。温度和湿度的变化直接影响微生物的生长、繁殖和存活，不同的微生物对温度和湿度的适应范围不同，从而导致微生物群落组成在不同季节发生变化。光照时间和强度的变化也会影响微生物的代谢活动和光合作用，进而影响微生物群落的演替。人类活动的季节性变化，如工业生产、交通流量、居民生活活动等，会改变微生物的来源和生存环境，对微生物群落组成产生影响。在夏季，工业生产和交通流量较大，排放的污染物和尾气为微生物提供了更多的营养物质和生存空间，导致某些微生物的相对丰度增加；而在冬季，人类活动相对减少，微生物的来源也相应减少，群落组成相对稳定。四、兰州重点污染区大气微生物气溶胶分布特征4.1重点污染区的确定与特征分析本研究通过对兰州市空气质量监测数据、污染源分布以及地形地貌等多方面因素的综合考量，确定了彭家坪地区、西固化工园区等为重点污染区。彭家坪地区曾是兰州市重要的工业聚集地，过去存在大量的工业企业，虽然部分企业已搬迁或停产，但遗留的工业污染问题依然较为严重。该区域土壤和水体受到不同程度的污染，这些污染物质在自然环境中分解和挥发，成为大气微生物气溶胶的潜在来源。彭家坪地区的地形相对低洼，周边有山脉环绕，空气流通不畅，形成了不利于污染物扩散的地形条件。在冬季，该区域容易出现逆温现象，导致大气污染物和微生物气溶胶在近地面聚集，浓度显著升高。西固化工园区则是兰州市化工产业的集中区域，拥有众多大型化工企业，如兰州石化公司等。这些化工企业在生产过程中会排放大量的废气、废水和废渣，其中包含了丰富的化学物质和微生物。废气中含有大量的挥发性有机物（VOCs）、硫化物、氮氧化物等污染物，这些物质不仅会对大气环境造成严重污染，还为微生物的生存和繁殖提供了特殊的环境条件。一些微生物能够利用废气中的有机物质作为碳源和能源，在这样的环境中生长和繁殖，从而增加了大气微生物气溶胶的浓度和种类。化工园区内的生产设备和管道等也可能存在微生物滋生的情况，在设备维护和检修过程中，这些微生物可能会被释放到大气中，进一步加重了大气微生物气溶胶的污染。重点污染区的大气微生物气溶胶浓度明显高于其他区域。彭家坪地区大气微生物气溶胶浓度平均值达到（5800±650）CFU/m³，西固化工园区更是高达（6500±700）CFU/m³。这主要是由于重点污染区内存在大量的污染源，为微生物气溶胶的产生提供了丰富的物质基础。工业生产排放的污染物中含有大量的有机物质和微生物，这些微生物在适宜的环境条件下迅速繁殖，使得大气微生物气溶胶浓度急剧升高。在粒径分布上，重点污染区的微生物气溶胶也呈现出独特的特征。粗粒子（大于2.1μm）上的微生物气溶胶浓度占比较高，彭家坪地区和西固化工园区粗粒子上的微生物气溶胶浓度占总浓度的比例分别达到75%和80%左右。这是因为重点污染区内的污染源排放的颗粒物粒径较大，微生物更容易附着在这些粗粒子上。工业生产过程中产生的废渣和废水在处理和排放过程中会产生大量的大颗粒物质，这些物质携带了大量的微生物，使得粗粒子上的微生物气溶胶浓度升高。在群落组成方面，重点污染区的微生物群落结构与其他功能区存在显著差异。通过高通量测序分析发现，重点污染区中变形菌门的相对丰度极高，在彭家坪地区和西固化工园区分别达到55%和60%左右。这可能是由于变形菌门微生物对污染环境具有较强的适应能力，能够在含有大量污染物的大气环境中生存和繁殖。重点污染区还检测到一些特殊的微生物种类，如一些具有耐药性的细菌和能够降解有机污染物的微生物。这些特殊微生物的存在表明重点污染区的大气微生物气溶胶具有独特的生态功能和潜在风险。4.2重点污染区微生物气溶胶浓度与组成4.2.1浓度特征重点污染区的大气微生物气溶胶浓度显著高于兰州市其他功能区。以彭家坪地区和西固化工园区为例，彭家坪地区的微生物气溶胶浓度平均值高达（5800±650）CFU/m³，西固化工园区更是达到了（6500±700）CFU/m³。而在第三章中提及的工业区微生物气溶胶浓度平均值为（4560±520）CFU/m³，商业区为（3250±450）CFU/m³，居民区为（2080±380）CFU/m³，公园为（1560±320）CFU/m³，重点污染区的浓度明显超出其他功能区。重点污染区微生物气溶胶浓度高的原因主要有以下几点：从污染源角度来看，彭家坪地区虽部分工业企业已搬迁或停产，但遗留的工业污染严重，土壤和水体中的污染物挥发进入大气，成为微生物气溶胶的重要来源；西固化工园区集中了众多化工企业，如兰州石化公司等，在生产过程中排放大量废气、废水和废渣，其中包含丰富的化学物质和微生物，为微生物气溶胶的产生提供了大量物质基础。这些废气中含有的挥发性有机物（VOCs）、硫化物、氮氧化物等污染物，不仅污染大气环境，还为微生物的生存和繁殖创造了特殊环境，使得微生物能够利用这些物质生长繁殖，从而增加了大气微生物气溶胶的浓度。从地形地貌和气象条件分析，彭家坪地区地形低洼，周边山脉环绕，空气流通不畅，容易形成逆温现象，导致污染物和微生物气溶胶在近地面聚集，难以扩散；西固化工园区也存在类似情况，相对封闭的地形不利于污染物的稀释和扩散，使得微生物气溶胶在局部区域浓度不断升高。这种高浓度的大气微生物气溶胶对居民健康存在潜在威胁。微生物气溶胶可通过呼吸道进入人体，引发呼吸道感染、过敏等疾病。高浓度的微生物气溶胶中可能含有更多的病原菌和耐药菌，这些细菌进入人体后，会增加患病风险，且耐药菌的存在可能导致治疗难度加大。长期暴露在高浓度微生物气溶胶环境中，还可能对人体免疫系统造成损害，降低人体抵抗力，增加患其他疾病的可能性。对于儿童、老年人和免疫力较弱的人群，这种潜在威胁更为严重，可能引发更为严重的健康问题。4.2.2群落组成特征通过高通量测序技术对重点污染区大气微生物气溶胶的群落组成进行分析，发现其群落结构与其他功能区存在显著差异。在门水平上，重点污染区中变形菌门的相对丰度极高，彭家坪地区和西固化工园区分别达到55%和60%左右，远高于其他功能区。这可能是因为变形菌门微生物对污染环境具有较强的适应能力，能够在含有大量污染物的大气环境中生存和繁殖。在西固化工园区，工业排放的废气中含有大量的重金属和有机污染物，变形菌门中的一些微生物能够利用这些物质作为营养源，或者通过自身的代谢机制抵抗污染物的毒性，从而在群落中占据优势地位。在属水平上，重点污染区也有其独特的优势菌属。假单胞菌属（Pseudomonas）在彭家坪地区和西固化工园区的相对丰度分别达到20%和25%左右，是重点污染区的主要优势菌属之一。假单胞菌属具有较强的环境适应能力和代谢多样性，能够降解多种有机污染物，在污染环境中具有竞争优势。在彭家坪地区，土壤和水体中的有机污染物为假单胞菌属提供了丰富的营养物质，促进了其生长和繁殖。重点污染区还检测到一些特殊的微生物种类，如具有耐药性的细菌和能够降解有机污染物的微生物。耐药菌的出现可能与长期的工业污染和抗生素滥用有关，工业废水中可能含有残留的抗生素，微生物在这种环境中逐渐产生耐药性。这些耐药菌随着微生物气溶胶传播，可能会对人类健康造成潜在威胁，一旦人体感染耐药菌，治疗难度将大大增加。能够降解有机污染物的微生物虽然在一定程度上有助于污染治理，但它们在大气中的传播也可能带来未知的生态影响，需要进一步研究。关于这些微生物的来源，部分微生物可能来自工业生产过程中的原料、中间产物或废水处理系统。在化工企业的生产过程中，原料中可能携带微生物，这些微生物在生产环境中大量繁殖后，随着废气排放进入大气；废水处理系统中含有丰富的微生物，在处理过程中如果没有有效的控制措施，微生物可能会挥发进入大气，形成微生物气溶胶。一些微生物可能来自周边受污染的土壤和水体，通过风蚀、蒸发等过程进入大气。周边土壤中的微生物在风力作用下被扬起，进入大气后与大气中的污染物相互作用，形成独特的微生物群落结构。4.3与非污染区的对比分析为深入了解污染对大气微生物气溶胶的影响，本研究选取公园（以五泉山公园为代表）和清洁居民区（以安宁庭院小区为代表）作为非污染区，与重点污染区（彭家坪地区和西固化工园区）进行对比分析。在微生物气溶胶浓度方面，重点污染区的浓度显著高于非污染区。彭家坪地区微生物气溶胶浓度平均值为（5800±650）CFU/m³，西固化工园区高达（6500±700）CFU/m³，而五泉山公园的浓度平均值仅为（1560±320）CFU/m³，安宁庭院小区为（2080±380）CFU/m³。重点污染区内大量的工业污染源和不利的地形条件，使得污染物和微生物气溶胶难以扩散，从而导致浓度急剧升高；而非污染区植被丰富，空气流通较好，对微生物气溶胶具有吸附和净化作用，使得浓度相对较低。在粒径分布上，重点污染区和非污染区也存在明显差异。重点污染区粗粒子（大于2.1μm）上的微生物气溶胶浓度占比较高，彭家坪地区和西固化工园区分别达到75%和80%左右。这主要是因为重点污染区内工业排放的大颗粒污染物较多，微生物容易附着在这些粗粒子上。非污染区细粒子（小于等于2.1μm）上的微生物气溶胶浓度占比较高，五泉山公园和安宁庭院小区细粒子上的微生物气溶胶浓度占总浓度的比例分别约为65%和60%。非污染区的污染源相对较少，且植被和绿化环境对粗粒子有一定的过滤和吸附作用，使得细粒子上的微生物气溶胶相对较多。在群落组成方面，重点污染区与非污染区同样存在显著差异。在门水平上，重点污染区中变形菌门的相对丰度极高，彭家坪地区和西固化工园区分别达到55%和60%左右，这与污染环境中丰富的有机污染物和重金属等为变形菌门微生物提供了适宜的生存环境有关。五泉山公园和安宁庭院小区中，放线菌门和厚壁菌门的相对丰度相对较高，分别在25%和30%左右。公园内丰富的植被和土壤腐殖质为放线菌门微生物提供了良好的生存条件，居民区相对稳定的生活环境则有利于厚壁菌门微生物的生长和繁殖。在属水平上，重点污染区的假单胞菌属相对丰度较高，彭家坪地区和西固化工园区分别达到20%和25%左右，假单胞菌属能够在污染环境中利用有机污染物生长繁殖，具有竞争优势。非污染区中，公园的链霉菌属相对丰度较高，约为15%，链霉菌属在土壤和植物表面广泛存在，与公园的自然生态环境相适应；居民区的芽孢杆菌属相对丰度较高，约为12%，芽孢杆菌属具有较强的抗逆性，适合在居民区的日常生活环境中生存。通过对重点污染区与非污染区大气微生物气溶胶分布特征的对比分析，可以清晰地看出污染对微生物气溶胶的影响。污染不仅导致微生物气溶胶浓度升高，还改变了其粒径分布和群落组成，使得微生物群落结构更加单一，潜在的健康风险增加。这也进一步表明，加强重点污染区的污染治理和环境改善，对于降低大气微生物气溶胶污染、保障居民健康具有重要意义。五、影响大气微生物气溶胶分布的因素分析5.1气象因素的影响5.1.1温度与湿度的作用温度和湿度是影响大气微生物气溶胶分布的重要气象因素，它们对微生物气溶胶的浓度、活性和群落组成均有着显著的作用。从浓度方面来看，温度对微生物气溶胶浓度的影响较为复杂。在一定范围内，随着温度的升高，微生物的生长和繁殖速度加快，从而导致微生物气溶胶浓度增加。在夏季，兰州市的平均气温较高，各功能区的微生物气溶胶浓度普遍达到最高值。当温度超过一定阈值时，过高的温度可能会对微生物的生存产生抑制作用，甚至导致微生物死亡，使得微生物气溶胶浓度下降。在高温干旱的天气条件下，微生物可能会因为水分不足和温度过高而难以生存，从而使微生物气溶胶浓度降低。湿度对微生物气溶胶浓度也有着重要影响。适宜的湿度条件有利于微生物的生存和繁殖，高湿度环境可以为微生物提供充足的水分，促进其生长和代谢活动，进而增加微生物气溶胶的浓度。在湿度较高的环境中，微生物更容易在气溶胶粒子上附着和存活，使得微生物气溶胶的稳定性增强，浓度升高。湿度过高也可能会导致微生物气溶胶粒子的吸湿增长，使其粒径增大，沉降速度加快，从而降低空气中微生物气溶胶的浓度。当相对湿度超过90%时，微生物气溶胶粒子可能会因吸湿而变得过大，迅速沉降到地面，导致空气中微生物气溶胶浓度降低。在活性方面，温度和湿度对微生物气溶胶中微生物的活性有着直接影响。温度的变化会影响微生物的酶活性和代谢速率，进而影响其活性。在适宜的温度范围内，微生物的酶活性较高，代谢活动旺盛，活性较强；当温度过高或过低时，酶活性受到抑制，微生物的活性也会降低。湿度对微生物活性的影响主要体现在水分供应上。适宜的湿度可以保持微生物细胞的水分平衡，维持其正常的生理功能，使微生物保持较高的活性；而在干燥的环境中，微生物细胞容易失水，导致代谢紊乱，活性降低。在相对湿度为50%-70%时，微生物的活性相对较高；当相对湿度低于30%时，微生物的活性会明显下降。温度和湿度还会对微生物气溶胶的群落组成产生影响。不同的微生物对温度和湿度的适应能力不同，因此在不同的温度和湿度条件下，微生物群落的组成会发生变化。在高温高湿的环境中，一些适应这种环境的微生物，如某些细菌和真菌，会成为优势种群，其相对丰度增加；而在低温干燥的环境中，一些耐寒耐旱的微生物则可能占据主导地位。在夏季高温高湿的环境下，变形菌门微生物在各功能区的相对丰度普遍增加，因为变形菌门中的许多微生物能够适应这种环境，利用环境中的营养物质进行生长和繁殖；而在冬季低温干燥的环境下，厚壁菌门和放线菌门中的一些微生物，由于其具有较强的抗逆性，相对丰度会有所上升。5.1.2风速与风向的影响风速和风向对大气微生物气溶胶的传输和扩散具有重要影响，在不同气象条件下，微生物气溶胶的迁移规律也各不相同。风速是影响微生物气溶胶水平扩散的关键因素。较高的风速有利于微生物气溶胶的水平扩散，能够将微生物气溶胶带到更远的地方，从而降低其在源地的浓度。当风速为5-8m/s时，微生物气溶胶可以在短时间内扩散到数公里之外，使得源地的微生物气溶胶浓度明显降低。风速过大会对微生物气溶胶中的微生物产生物理损伤，加速其死亡，从而降低微生物气溶胶的活性和浓度。在强风天气下，微生物可能会因为受到强烈的气流冲击而受损，导致其活性和生存能力下降。风向则决定了微生物气溶胶的传输方向，改变风向可能会导致不同来源的微生物气溶胶相互混合，进而改变其组成和性质。在兰州市，工业区位于城市的西部，当主导风向为东风时，工业区排放的微生物气溶胶会被吹向城市的东部，使得东部地区的微生物气溶胶浓度升高，并且其群落组成可能会受到工业区微生物的影响；而当主导风向改变为西风时，东部地区的微生物气溶胶来源和组成又会发生变化。在不同气象条件下，微生物气溶胶的迁移规律也有所不同。在稳定的气象条件下，风速和风向相对稳定，微生物气溶胶会按照一定的方向和速度进行扩散，其迁移路径相对较为规律。在晴朗的天气里，风速适中，微生物气溶胶会随着气流平稳地向远处扩散。在不稳定的气象条件下，如出现强对流天气或风向突变时，微生物气溶胶的迁移会变得复杂。强对流天气会使空气产生强烈的垂直运动，微生物气溶胶可能会被带到高空，然后随着不同高度的气流向不同方向扩散，导致其分布范围扩大，浓度分布不均匀。风速和风向还会与其他气象因素相互作用，共同影响微生物气溶胶的分布。风速和湿度相互作用，当风速较大且湿度较高时，微生物气溶胶粒子可能会在扩散过程中吸湿增长，粒径增大，沉降速度加快，从而影响其扩散距离和浓度分布；而当风速较大且湿度较低时，微生物气溶胶粒子可能会因为水分蒸发而变得干燥，活性降低。5.2空气质量因素的影响5.2.1与颗粒物浓度的关系大气中的颗粒物（如PM2.5、PM10）是微生物气溶胶的重要载体，其浓度变化对微生物气溶胶的分布有着显著影响。通过对兰州市不同功能区和重点污染区的监测数据进行分析，深入探讨微生物气溶胶与PM2.5、PM10等颗粒物浓度的相关性，以及颗粒物对微生物气溶胶的吸附和传输作用。在兰州市，微生物气溶胶与PM2.5、PM10浓度之间存在显著的正相关关系。对全年监测数据进行Pearson相关性分析，结果显示微生物气溶胶浓度与PM2.5浓度的相关系数r达到0.78（P<0.01），与PM10浓度的相关系数r为0.82（P<0.01）。这表明随着PM2.5、PM10浓度的增加，微生物气溶胶浓度也随之升高。在工业区，由于工业生产排放大量的颗粒物，PM2.5和PM10浓度较高，微生物气溶胶浓度也相应较高。当工业区的PM2.5浓度达到150μg/m³时，微生物气溶胶浓度可达到（5000±550）CFU/m³；而在公园等空气质量较好、颗粒物浓度较低的区域，当PM2.5浓度为30μg/m³时，微生物气溶胶浓度仅为（1300±300）CFU/m³。颗粒物对微生物气溶胶的吸附作用是导致这种相关性的重要原因之一。大气中的颗粒物具有较大的比表面积，能够为微生物提供附着的位点。微生物可以通过物理吸附、静电作用等方式附着在颗粒物表面，形成微生物气溶胶。不同粒径的颗粒物对微生物的吸附能力存在差异，一般来说，细颗粒物（如PM2.5）比粗颗粒物（如PM10）具有更大的比表面积，能够吸附更多的微生物。研究发现，PM2.5表面吸附的微生物数量比PM10表面吸附的微生物数量高出约30%。这是因为细颗粒物的粒径更小，更容易与微生物接触并发生吸附作用，而且细颗粒物在大气中的悬浮时间更长，使得微生物有更多的机会附着在其表面。颗粒物还在微生物气溶胶的传输过程中发挥着重要作用。大气中的颗粒物会随着气流运动而扩散，微生物附着在颗粒物上，也会随之进行长距离传输。在兰州市，当主导风向为东风时，来自工业区的含有微生物气溶胶的颗粒物会随着气流向东扩散，使得下风向的区域微生物气溶胶浓度升高。风速对颗粒物携带微生物气溶胶的传输距离和扩散范围也有重要影响。较高的风速可以使颗粒物和微生物气溶胶更快地扩散到更远的地方，扩大其影响范围；而风速较低时，颗粒物和微生物气溶胶则更容易在局部区域聚集。当风速为6m/s时，微生物气溶胶可以在1小时内扩散到5公里之外；而当风速降至2m/s时，微生物气溶胶在相同时间内的扩散距离仅为2公里。不同功能区和重点污染区的颗粒物来源和组成不同，也会导致微生物气溶胶与颗粒物浓度关系的差异。在工业区，颗粒物主要来源于工业生产排放，其化学组成复杂，含有大量的重金属、有机物等污染物，这些污染物可能会影响微生物的生存和繁殖，进而影响微生物气溶胶与颗粒物浓度的关系。在一些化工园区，排放的颗粒物中含有高浓度的重金属，如铅、汞等，这些重金属可能会对微生物产生毒性作用，抑制微生物的生长和繁殖，使得微生物气溶胶浓度与颗粒物浓度之间的正相关关系减弱。在商业区，颗粒物主要来源于交通尾气和扬尘，其粒径分布和化学组成与工业区不同，微生物气溶胶与颗粒物浓度的关系也会有所差异。商业区的交通尾气中含有较多的碳氢化合物和氮氧化物，这些物质可能会为微生物提供一定的营养物质，促进微生物的生长和繁殖，使得微生物气溶胶浓度与颗粒物浓度之间的正相关关系更加明显。颗粒物浓度是影响兰州市大气微生物气溶胶分布的重要空气质量因素，其与微生物气溶胶浓度之间存在显著的正相关关系，颗粒物的吸附和传输作用在其中起到了关键作用。深入了解这些关系，对于全面认识大气微生物气溶胶的形成机制和传播规律，以及制定有效的空气污染防控措施具有重要意义。5.2.2与气态污染物的关系大气中的气态污染物（如二氧化硫、氮氧化物、臭氧等）与微生物气溶胶之间存在着复杂的相互作用，这些气态污染物对微生物的生存和活性有着重要影响，进而影响微生物气溶胶的分布特征。二氧化硫（SO₂）是兰州市大气中的主要气态污染物之一，主要来源于工业生产、燃煤等过程。研究发现，低浓度的SO₂对微生物气溶胶中的部分微生物具有一定的刺激作用，能够促进其生长和繁殖。当SO₂浓度在50μg/m³以下时，一些细菌和真菌的生长速度加快，微生物气溶胶浓度有所增加。这可能是因为SO₂可以为微生物提供硫元素等营养物质，促进微生物的代谢活动。高浓度的SO₂则会对微生物产生抑制作用，甚至导致微生物死亡。当SO₂浓度超过150μg/m³时，微生物气溶胶中的微生物数量明显减少，微生物的活性也显著降低。高浓度的SO₂会改变微生物细胞的生理功能，影响其细胞膜的通透性和酶的活性，从而抑制微生物的生长和繁殖。氮氧化物（NOx，主要包括NO和NO₂）也是重要的气态污染物，主要来源于汽车尾气、工业废气排放等。NOx对微生物气溶胶的影响较为复杂，一方面，NOx可以通过与大气中的其他物质发生化学反应，产生一些氧化性物质，如硝酸、亚硝酸等，这些氧化性物质可能会对微生物产生氧化损伤，降低微生物的活性和生存能力。当NOx浓度较高时，微生物气溶胶中的微生物细胞膜可能会被氧化破坏，导致细胞内物质泄漏，微生物死亡。另一方面，NOx在一定条件下也可能会为微生物提供氮源，促进某些微生物的生长。一些能够利用氮氧化物的微生物，如硝化细菌等，在NOx存在的环境中可以将其作为氮源进