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理大研究人员编制首份全球空气微生物图谱 为公共卫生研究提供重要新视角

2022年11月21日

理大建设及环境学院院长李向东教授(前排右一)带领研究团队编制首份全球空气微生物图谱。理大团队成员包括:土木及环境工程学系/医疗科技及资讯学系助理教授金灵博士(前排左一)丶土木及环境工程学系研究助理教授何唐天博士(後排右二)丶博士後研究员谢嘉雯博士(後排右一)丶博士生严泽华先生(後排左二)及科学主任林伟崇先生(後排左一)。

研究团队从全球63个地点收集了 370 个空气颗粒样本,范围遍及地面至高山,也广及人口稠密的城市中心以至杳无人烟的北极圈。


无论是土壤还是海洋,地球表面的确布满微生物。尽管我们对身边空气中微生物种群所知相对甚少,但由多位理大科学家领导的研究即将改变这种情况。他们经过近十年的努力,编制了一份详尽的全球空气微生物分布图,为相关物种如何与地表环境相互作用,以及它们未来可能产生的变化提供了新的见解。

一立方米的「空」气含有 10,000 种或以上细菌。自 2019 年新型冠状病毒病大流行开始以来,人们愈来愈有兴趣探讨空气作为微生物栖息地的角色,而不仅把其视为传输管道。由理大领导的团队与内地和美国研究人员合作,用大约一年时间对世界各地的空气微生物进行采样,范围遍及地面至高山。研究团队把课题本身的结果与过去研究所收集的最准确全球数据相结合,与多个合作夥伴编制了历来第一份全球空气微生物图谱。

这份图谱就漂浮於地表空气的微生物群落提供了丰富研究成果。毫无疑问,空气是细菌生物的独特藏身之地。研究所进行的基因学分析显示,空气中的核心细菌群落(即在微生物物种群中占比巨大的少数关键物种),与海洋或土壤生态中的核心群落并不一样。事实上,尽管空气是一种自由流动和似乎没有内部边界的介质,空气细菌的核心群落却显然具有局部特徵和稳定的特性。

研究团队从全球 63 个地点收集了 370 个空气颗粒样本,并对当中的细菌群落进行分析。为确保采样覆盖各种海拔高度和地理区域,收集地点包括 1.5 至 2 米高的地面丶5 至 25 米高的屋顶和 5,238 米高的山脉,也广及人口稠密的城市中心以至杳无人烟的北极圈。

研究团队由理大环境科学与科技讲座教授兼建设及环境学院院长李向东教授带领,他表示:「我们的研究证实了人类活动的确改变了自然环境空气中微生物群落的结构。城市空气有更多的致病细菌。人们经历三年疫情後,现在更加关注这种看不见但影响深远的微生物群落。研究结果可用作重要参考,帮助我们预测在未来环境变化下,地球微生物群落的反应,以及可吸入微生物群落对人体健康影响。」

研究人员估计,海洋或土壤微生物的总数,要比存在於空气中的微生物总数多出数千倍。尽管如此,微生物在空气中的多样性 (或称「丰富度」)於其它环境也是不相伯仲,意味空气中的微生物是由地表栖息地贡献而来。这项发现推翻了此前的假设,说明植被并非空气细菌的主要陆地来源,而地球上的大量土壤几乎贡献不大。海浪的撞击丶树叶摇晃甚至动物和人类活动及呼吸,才是驱动细菌在地表与空气之间交换的较大因素。

宏观生命,特别是动物和植物,在温暖潮湿的热带雨林等赤道地区最为多样化,其多样性越靠近两极地方便越为降低。这个情况对於微生物来说更为有趣,从赤道出发起计,微生物的多样性在中纬度地区最高,然後再次降低。这种模式在陆地和水生微生物中已经确立,但新图谱证实同一模式也出现於空气微生物群。研究论文的作者推测,多样性集中於中纬度地区,是由该地区微生物拥有的更大投入源所致。

研究人员的整体估计,是空气细菌中有一半来自地面多种来源。城市空气中的人类相关细菌含量特别高——部份细菌是无害的,但也有些能致病。细菌从人呼吸直接传送到空气并不是我们对空气微生物世界所构成的唯一影响。工业化和城市化等大规模活动破坏了自然环境并影响了空气质素,削弱了环境对微生物结构的「过滤」 作用,使空气细菌的组成更容易受随机的作用影响——尽管天气仍然在当中发挥着重要作用。

现代人类活动与我们身边微生物之间的密切关系,令我们更深明准确预测未来变化的必要性。有鉴於城市化快速推进,加上我们在 2019 新型冠状病毒病的研究对空气日益了解,在城市中繁衍生息的可吸入传染性细菌尤其令人忧虑。气候变化是另一股推动空气微生物生长的动力,正如图谱所揭示一样,温度对微生物丰富度有显着影响。因此,是项研究为未来的公共卫生研究提供了宝贵的资源和重要的新视角。

理大团队与密歇根州立大学的杰出教授 James M. Tiedje 和中国内地多名科学家携手进行是项研究。研究结果已於美国国家科学院的同侪评审期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》 (https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2204465119)中发表。


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