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当前位置:首页 » 新闻资讯 » 技术&解读&应用 » 环境健康领域顶刊揭秘雾霾中室内外微生物的特点及对人呼吸系统疾病的影响

前 言

2020年4月16日,中国医学科学院北京协和医学院医学实验动物研究所秦川研究员课题组在Environment International杂志(IF=7.943)发表了题为“Characteristics of airborne bacterial communities in indoor and outdoor environments during continuous haze events in Beijing: Implications for health care”的研究论文。

该研究通过微生物多样性16S测序探讨了雾霾期间室内外空气中细菌群落的变化原因及其与呼吸道疾病的关系。郭建国博士为文章第一作者。文章中微生物多样性测序由欧易生物完成。

研究背景

中国的空气污染水平还很高,其对公众健康的威胁引起了人们的高度关注,特别是与雾霾事件有关的问题。雾霾污染,尤其是细颗粒物(PM2.5)会增加心脏病、中风、呼吸系统疾病和肺癌的死亡率。2013年,中国因PM2.5导致的过早死亡人数达到137万人。许多研究人员已经调查了雾霾事件期间空气中细菌群落的结构变化。然而,对雾霾和非雾霾天气空气中细菌群落的比较得出了不一致的结果。因此,更好地了解雾霾过程中空气中细菌群落的动态变化对人体健康风险评估具有重要意义。

研究内容

本研究中,作者调查了2016年12月9日至27日北京室内外环境中空气中细菌群落的变化(包括三个雾霾周期)(图1),并探讨了细菌群落变化的原因以及细菌群落结构与呼吸道疾病的关系。

图1 | 采样详细信息

研究路线

研究结果

1. 室外空气中细菌群落的变化

CCA分析表明变量PM2.5和CO显著影响空气中的细菌群落(图2a)。然而,PM2.5和CO只能解释室外空气细菌群落总变异的7.5% (图2b)。PCoA分析表明,室外样品主要聚为两种类型(GI和GII)(图2c)。空气中细菌群落在两类之间发生转换。GI向GII的转变发生在12.15a和12.15p (TC3),GII向GI的转变发生在12.25a和12.25p (TP6)。在TC3和TP6段中的优势类群丰度、出现/消失的OTUS数、总出现/消失的OTUS的丰度和细菌多样性的时间趋势都显示出急剧的变化(图2d、2e、2f、2g)。GI组出现和消失的OTU种类显著高于GII组(p<0.001),而GI组出现和消失的OTU物种丰度显著低于GII组(p<0.001)(图3a),说明GI和GII的细菌群落类型发生了变化。细菌多样性,如Chao1,Shannon和PD指数所示,GI组显著高于GII组(图3b)。研究发现,GI和GII之间多个纲存在显著差异,特别是两个优势纲(拟杆菌纲和梭菌纲)表现出不同的趋势(图3c)。

图2 | 室外空气细菌群落分析

图3 | 不同户外细菌群落类型的比较

2. 室内空气中细菌群落的变化

所有样品PCoA分析表明,样品被聚为两个明显的组,与图2c(图4a)一致。室内和室外空气中的细菌群落在一个单一的细菌群落转化周期中都发生了变化(图2)。Adonis分析表明,样本来源对空气中细菌群落结构有显著影响(R2=0.015,p<0.05)。优势纲在每个房间和室外都是相似的(图4b和图3c)。室内环境中有17个纲在GI和GII上有显著性差异(图4b)。在室内和室外环境中,一致显著差异纲的总丰度分别为0.46和0.42(图4b)。室内环境中的Chao1、Shannon和PD指数与室外环境中的结果显著相关 (p<0.001)(图4c、4d、4e)。细菌群落的变化、Adonis分析、菌纲变化趋势、细菌多样性等均表明室内空气细菌群落来自室外环境(图4)。

图4 | 室内和室外样品的比较

3. 空气中细菌群落类型与呼吸系统疾病的关系

在室外和室内环境中鉴定出两种主要的空气细菌群落类型(图4a)。因此,具有这两种空气细菌群落类型的细菌进入了人的呼吸道。GI组每日肺炎病例数显著高于GII组(p=0.035),而GII组每日扁桃体炎病例数显著高于GI组(p=0.025)(图5a)。

为了考虑延迟发病的情况,作者将暴露细菌群落一天或两天后在GI和GII内的的疾病病例进行比较。结果发现,1天后(p=0.061)和2天后(p=0.050),肺炎病例数GI高于GII(p=0.050);1天后(p=0.008)和2天后(p=0.017),GII内扁桃体炎病例数高于GI(图5b,5c)。这表明肺炎和扁桃体炎的发病率在GI和GII中有显著差异(图5)。

图5 | 2016年12月9日至24日,医院每天的肺炎、扁桃体炎和咽炎病例数

4. GI和GII室内空气细菌群落特征

GI和GII的PCoA分析显示房间和采样时间对室内空气细菌群落的影响不同(图6a,6b)。Adonis分析表明,采样来源对两种类型的空气细菌群落均有显著影响(p<0.01)(表1)。房间对GI室内空气细菌群落有显著影响(p=0.001),采样时间对GII室内空气细菌群落有显著影响(p=0.001)(表1)。GI和GII室内和室外环境中类群丰度的比较表明,差异显著的纲为放线杆菌纲、拟杆菌纲、梭状芽孢杆菌纲、丹毒丝菌纲、梭杆菌纲、γ变形菌纲和柔膜菌纲(图6c)。大多数分类群在室内和室外环境中的GI和GII表现出不一致的趋势(图6c)。

图6 | 不同室外空气细菌群落类型在室内样本中的特征

表1 | 室内外环境空气细菌群落的Adonis分析

研究结论

室内空气中的细菌群落结构和细菌多样性与室外来源非常相似。空气中的细菌群落类型与人类呼吸道疾病,特别是肺炎的发病率密切相关。室外空气中细菌群落类型对室内和室外环境中细菌的分布都有很大的影响。高丰度的梭菌纲是室内环境中的指示类群。

参考文献

Guo JG, Xiong Y, Shi C et al. Characteristics of airborne bacterial communities in indoor and outdoor environments during continuous haze events in Beijing: Implications for health care.Environ. Int. 2020; 139: 105721.

END

本文系欧易生物原创

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