灰霾從哪里來？細(xì)菌也在作怪

大氣網(wǎng)訊:北京大學(xué)要茂盛教授課題組揭示空氣中細(xì)菌或參與灰霾形成過程。該項(xiàng)工作為研究灰霾形成機(jī)制與大氣污染控制提供了全新的思路與視角，未來亟需研究細(xì)菌在多大程度上參與了灰霾的形成及其它大氣污染過程。

空氣污染已成為當(dāng)代社會(huì)面臨的嚴(yán)峻環(huán)境挑戰(zhàn)之一。據(jù)世界衛(wèi)生組織最新報(bào)道，全世界約有70億人暴露于不安全的空氣，其中60萬兒童死于污染空氣引起的急性下呼吸道感染。對(duì)于中國(guó)，情況更糟，如近年來多省頻繁爆發(fā)的重度灰霾，中國(guó)承受著全球25%的空氣污染疾病負(fù)擔(dān)。據(jù)國(guó)家大氣污染防治攻關(guān)聯(lián)合中心，顆粒物爆發(fā)增長(zhǎng)的主要?dú)w因包括二次源、機(jī)動(dòng)車源、生物質(zhì)燃燒源、工業(yè)源和塵源等。其中，二次源占比平均高達(dá)55%，而目前二次有機(jī)顆粒物的來源及產(chǎn)生機(jī)制等還沒有厘清。

在以往的研究中，科學(xué)家主要從化學(xué)反應(yīng)、物理過程、氣象條件等方面研究灰霾的形成機(jī)制，沒有關(guān)注空氣中的細(xì)菌是否參與大氣污染過程。2016年，北京大學(xué)要茂盛教授課題組利用基于熒光的監(jiān)測(cè)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)空氣中活性微生物的濃度存在著顯著差別，其中北京濃度高達(dá)105個(gè)/m3。此外，通過同樣的技術(shù)也發(fā)現(xiàn)，北京灰霾天空氣中活性微生物顆粒的濃度及其在總顆粒物中的占比隨灰霾進(jìn)程發(fā)生了重大變化。

為了進(jìn)一步研究細(xì)菌和灰霾的關(guān)系，課題組研發(fā)并使用大流量采樣器（1 m3/min）等，對(duì)北京空氣中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)、濃度以及活性在不同程度灰霾天氣中的變化情況進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示不同時(shí)間（每2小時(shí)或每4個(gè)小時(shí)）空氣中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，在特定時(shí)間段，如凌晨（4點(diǎn)）或晚上（8 -12點(diǎn)），部分細(xì)菌如嗜冷桿菌（Psyobacter）和馬賽菌（Massilia）在總細(xì)菌濃度中占比高達(dá)90%。在整個(gè)污染進(jìn)程中，嗜冷桿菌（Psyobacter），不動(dòng)桿菌（Acinetobacter）與馬賽菌（Massilia）作為空氣中的主導(dǎo)細(xì)菌交替出現(xiàn)。課題組進(jìn)一步進(jìn)行了分粒徑采樣，發(fā)現(xiàn)顆粒物濃度的快速增加主要發(fā)生在0.56-1微米粒徑段，這和過去發(fā)生在美國(guó)洛杉磯煙霧的積聚模態(tài)趨勢(shì)相似。

此外，發(fā)生灰霾時(shí)該粒徑段的細(xì)菌生長(zhǎng)所需要的元素離子（如Na、K、P、Ca、硫酸根、硝酸根、銨根離子等）也同步顯著增加。同時(shí)，這一粒徑段細(xì)菌的活性波動(dòng)也最為劇烈，最高時(shí)達(dá)到60%。這些細(xì)菌氣溶膠屬性的變化，大都是發(fā)生在高濕度（高達(dá)86%）與較高的溫度（> 4 oC），并且邊界層相對(duì)較低的情況下。后向軌跡和同時(shí)期沙塵暴影響交叉分析顯示，細(xì)菌在灰霾顆粒物中的這些變化很難歸因于地面直接排放或區(qū)域傳輸，最可能的原因是某些特定種類微生物在高濕、污染的空氣中的生長(zhǎng)繁殖。

針對(duì)這些結(jié)果和現(xiàn)象，該課題組提出了如下圖1的解釋。通常，在廢水處理、制藥或土壤修復(fù)等工業(yè)活動(dòng)中，馴化并利用功能細(xì)菌（嗜冷桿菌、不動(dòng)桿菌屬、馬賽菌屬等）降解污染物。當(dāng)這些經(jīng)過篩選的功能菌通過不同形式的擾動(dòng)釋放于空氣中，就形成了一個(gè)個(gè)氣載的“微型廢水處理廠（含一個(gè)或多個(gè)細(xì)菌）”：大氣中的污染物如NH3、SO2、NOx、離子、VOC等溶于包裹細(xì)菌的水膜中，這些細(xì)菌（如硝化菌或硫化菌等）通過在其中的代謝繁殖，推動(dòng)污染物的轉(zhuǎn)化（如形成硫酸鹽、硝酸鹽顆粒等），同時(shí)釋放生物源VOC（mVOC）。這些mVOC本身就是低揮發(fā)物質(zhì)，在大氣中以小的液滴或固體顆粒存在，也會(huì)被氧化成超細(xì)顆粒，或?yàn)榇髿忸w粒物爆發(fā)增長(zhǎng)的重要來源之一?？茖W(xué)家在以前的可控實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌在高濃度VOC暴露的情況下，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的代謝活性；另外一項(xiàng)研究也證明，氣溶膠水是一個(gè)重要的大氣污染物的轉(zhuǎn)化媒介。然而，找到細(xì)菌在實(shí)際大氣中生長(zhǎng)的直接證據(jù)非常困難。其中，大氣流動(dòng)性與稀釋性是兩個(gè)重要的影響因素；相關(guān)研究手段的缺乏也是重要原因之一。在適宜條件下，細(xì)菌一般每隔20分鐘繁殖一代，由于大氣的稀釋作用，可供監(jiān)測(cè)的時(shí)間窗口非常短暫。要茂盛課題組利用大流量采樣器，捕獲到了細(xì)菌氣溶膠屬性隨時(shí)間的變化，數(shù)據(jù)顯示細(xì)菌極有可能在靜穩(wěn)、高濕、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（污染物）豐富的空氣中生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而推動(dòng)了大氣污染進(jìn)程。該項(xiàng)工作為研究灰霾形成機(jī)制與大氣污染控制提供了全新的思路與視角，未來亟需研究細(xì)菌在多大程度上參與了灰霾的形成及其它大氣污染過程。

該成果以“Microbial Aerosol Chemistry Characteristics in Highly Polluted Air”為題，最新在線發(fā)表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-019-9488-3）。

原標(biāo)題:中國(guó)科學(xué)化學(xué)