论文标题：Longitudinal survey of microbiome associated with particulate matter in a megacity

期刊：Genome Biology

作者：Nan Qin, Peng Liang et al.

发表时间：2020/03/03

DOI：10.1186/s13059-020-01964-x

微信链接：点击此处阅读微信文章

随着工业化和城市化的快速发展，全球各大城市都受到广泛而强烈的空气颗粒物（PM）污染事件的影响，这些对人类健康具有潜在威胁。虽然空气颗粒物的理化性质已得到广泛研究，但其相关的微生物群落仍未充分探索。同济大学附属第十人民医院秦楠研究员与清华大学朱听教授、加州大学圣地亚哥分校Jack A. Gilbert教授合作，对2012年10月至2013年3月（覆盖几次严重雾霾事件）北京空气微小颗粒微生物群落进行研究。通过宏基因组测序技术，揭示了PM2.5和PM10的两组样本微生物菌群、病毒和抗性基因的多样性。近日该成果发表在开放获取期刊Genome Biology 上。

近年来，空气颗粒物DNA提取和宏基因组文库制备方面取得的研究进展，使得鸟枪法宏基因组测序分析可用于低生物量环境样本。空气微生物暴露已确定能够抵抗和加剧某些疾病的发生。先前已有对北京空气颗粒物微生物特征分析的短期研究，但不足以充分观察该复杂微生物系统的纵向变化。了解城市空气中微生物和功能多样性，特别是在雾霾事件期间，将有助于我们了解与微生物相关的潜在健康影响。

本研究中，研究人员采用鸟枪法宏基因组测序技术，对2012年10月至2013年3月期间，来自北京的106个空气PM样本进行了分析，该时期出现了几个破纪录的雾霾事件，同时呼吸系统疾病发病率极高。研究发现，尽管存在相当长的时间变化，但PM2.5和PM10之间的微生物组成和功能潜能是保守的。随着空气污染水平的增长，潜在病原体载量（如铜绿假单胞菌、嗜麦芽窄食单胞菌、禽疱疹病毒等）和抗生素耐药性增加；严重的雾霾事件提升了人在病原菌及抗性基因环境下的暴露程度。此外，空气颗粒物还含有若干携带抗性基因的细菌，抗性基因携带可移动遗传元件，可能存在水平基因转移。许多微生物在不同空气质量指数的样本中变化明显，并受颗粒物大小影响；PM2.5颗粒与PM10颗粒微生物群落的差异可能源于颗粒直径不同，PM2.5颗粒与细菌大小相似，而PM10颗粒与真菌大小相似。这些发现将有助于我们更好地理解依赖颗粒物大小的微生物动力学。同时，空气颗粒物也促进了短暂的微生物互作，且可能支撑大量的胞外DNA及死亡微生物，使得对微生物群落动态变化过程的解释更加复杂。

空气颗粒物相关微生物对人类健康的影响尚需进一步研究。通过空气传播的病原微生物，及由此产生的感染风险，可以使用宏基因组学量化，但须以当地流行病学情况为前提。对空气中微生物的常规监测和定量分析，可为未来风险事件的回顾性研究提供了可能。

本研究系统探究了空气中的颗粒物可容纳丰富且动态的微生物，包括与潜在健康问题相关的一系列微生物。为城市空气颗粒物相关微生物来源于潜在环境及哺乳动物提供了更多的证据；并从微生物角度解释了，不同空气污染水平与潜在健康风险相关。

摘要：

Background

While the physical and chemical properties of airborne particulate matter (PM) have been extensively studied, their associated microbiome remains largely unexplored. Here, we performed a longitudinal metagenomic survey of 106 samples of airborne PM2.5 and PM10 in Beijing over a period of 6 months in 2012 and 2013, including those from several historically severe smog events.

Results

We observed that the microbiome composition and functional potential were conserved between PM2.5 and PM10, although considerable temporal variations existed. Among the airborne microorganisms, Propionibacterium acnes, Escherichia coli, Acinetobacter lwoffii,Lactobacillus amylovorus, and Lactobacillus reuteri dominated, along with several viral species. We further identified an extensive repertoire of genes involved in antibiotic resistance and detoxification, including transporters, transpeptidases, and thioredoxins. Sample stratification based on Air Quality Index (AQI) demonstrated that many microbial species, including those associated with human, dog, and mouse feces, exhibit AQI-dependent incidence dynamics. The phylogenetic and functional diversity of air microbiome is comparable to those of soil and water environments, as its composition likely derives from a wide variety of sources.

Conclusions

Airborne particulate matter accommodates rich and dynamic microbial communities, including a range of microbial elements that are associated with potential health consequences.

（来源：科学网）