陳 默，高 敏，宋 淵，程首濤，高浩澤，王旭明

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院，北京 100193；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，北京 100097）

作為世界最大的抗生素生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，我國(guó)每年有近一半的抗生素被用于畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)[1]?？股氐牟灰?guī)范使用為微生物耐藥性選擇進(jìn)化提供了直接驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致耐藥菌的出現(xiàn)和傳播，影響了抗生素的治療效果[2]。此外，耐藥菌所攜帶的抗性基因還會(huì)通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移機(jī)制[3]，在不同微生物之間傳播，最終威脅到人類健康。

目前，抗生素抗性基因被定義為一種新型環(huán)境污染物，而動(dòng)物糞便是環(huán)境中抗性基因的主要來(lái)源[3]。隨著我國(guó)集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，大量排放的畜禽糞便對(duì)大氣、水體及土地環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[4]。堆肥是利用微生物在一定條件下分解有機(jī)固體廢棄物為腐殖質(zhì)的生化轉(zhuǎn)化過(guò)程[5]。該技術(shù)作為一種有機(jī)固體廢棄物穩(wěn)定化、減量化和資源化的方法，被廣泛應(yīng)用于畜禽糞便、城市生活垃圾及剩余污泥等處理[6]。然而研究結(jié)果顯示，堆肥過(guò)程對(duì)糞便中的某些抗性基因的去除效果并不顯著[3]。

堆肥生產(chǎn)過(guò)程中，畜禽糞便中的抗生素耐藥菌可逸散進(jìn)入空氣，形成生物氣溶膠。生物氣溶膠是指懸浮在氣體介質(zhì)中的生物顆粒，如細(xì)菌、真菌、病毒和孢子等。耐藥菌以及抗性基因經(jīng)氣溶膠化后，可對(duì)堆肥場(chǎng)工人和周邊環(huán)境造成危害。呼吸被認(rèn)為是人類暴露于抗性基因和條件致病菌的重要途徑[7]。已有研究表明，在堆肥區(qū)下風(fēng)向200 m處霉菌氣溶膠濃度高達(dá)1.3×105CFU·m-3[8]。并且，在堆肥廠外600 m處仍檢測(cè)到嗜熱放線菌氣溶膠[9]。本課題組也在堆肥場(chǎng)的堆肥區(qū)、裝料區(qū)、生活區(qū)以及下風(fēng)向均檢測(cè)出多種高濃度抗生素抗性基因[10]。

生物氣溶膠作為一種膠體，其動(dòng)力學(xué)粒徑?jīng)Q定了傳輸距離和肺部沉降位置等。同種微生物受到溫度、濕度或負(fù)載顆粒性質(zhì)的影響，可導(dǎo)致其形成生物氣溶膠后動(dòng)力學(xué)粒徑的差異，使得對(duì)人體健康造成的危害不同[11]。例如，粗顆粒（d＞2.5 μm）主要沉積在人體上呼吸道，而細(xì)顆粒（d＜2.5 μm）可滲入并沉積在氣管、支氣管和肺泡區(qū)域更深處[12]。然而，目前對(duì)堆肥廠空氣環(huán)境中的抗生素耐藥菌，特別是耐藥菌粒徑特征的研究鮮有報(bào)道。針對(duì)以上情況，本研究對(duì)堆肥廠及其周圍環(huán)境中生物氣溶膠的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)總細(xì)菌、四環(huán)素和紅霉素耐藥菌氣溶膠的濃度和動(dòng)力學(xué)粒徑分布規(guī)律進(jìn)行分析，為堆肥過(guò)程中抗生素耐藥菌在空氣環(huán)境中的污染現(xiàn)狀以及對(duì)工人的健康危害評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)和時(shí)間

本研究以北京市周邊地區(qū)堆肥廠為研究對(duì)象，在2014年10月—2015年6月期間分別對(duì)平谷區(qū)、懷柔區(qū)和門頭溝區(qū)5家堆肥廠的生產(chǎn)車間、生活區(qū)和周圍環(huán)境（距生產(chǎn)區(qū)分別50、100、500 m和1000 m）中的生物氣溶膠樣本進(jìn)行采集。所調(diào)查堆肥廠的主要堆肥原料為雞糞和蘑菇渣。

1.2 采樣方法和培養(yǎng)方法

生物氣溶膠的采集使用Anderson六級(jí)采樣儀，采樣儀共設(shè)6級(jí)，每級(jí)400個(gè)孔，從上至下孔徑逐級(jí)縮小，空氣中的生物氣溶膠粒子按粒徑大小被捕獲于采樣器各級(jí)中的培養(yǎng)皿上，采樣器各級(jí)粒徑范圍如下：StageⅠ＞7.0 μm，StageⅡ 4.7～7.0 μm，StageⅢ3.3～4.7 μm，StageⅣ 2.1～3.3 μm，StageⅤ 1.1～2.1 μm和 StageⅥ 0.65～1.1 μm。采樣時(shí)空氣流量為28.3 L·min-1，采樣時(shí)間為1 min，采樣高度為距離地面1.5 m。每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行3組平行采樣，每次采樣前用流量計(jì)（余姚，中國(guó)）對(duì)采樣泵的流量進(jìn)行校準(zhǔn)。采樣結(jié)束后將培養(yǎng)皿密封好，立即放入裝有冰袋的保溫箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，放入28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后，進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)，并采用Positive hole method方法對(duì)菌落數(shù)進(jìn)行相應(yīng)校正[13]。

1.3 培養(yǎng)基的配制

細(xì)菌培養(yǎng)采用9 cm培養(yǎng)皿，滅菌后在無(wú)菌條件下注入約20 mL培養(yǎng)基?？偧?xì)菌采用LB營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基。紅霉素、四環(huán)素耐藥菌采用抗生素抗性培養(yǎng)基[14]。

抗生素抗性培養(yǎng)基配制：首先將四環(huán)素和紅霉素分別配成初始濃度為16 mg·mL-1和48 mg·mL-1的母液，其中，四環(huán)素母液的溶劑為超純水，采用0.22 μm水相濾頭（聚醚砜）過(guò)濾，紅霉素母液的溶劑為95%乙醇，采用0.22 μm有機(jī)相濾頭（尼龍）過(guò)濾。使用時(shí)分別取相應(yīng)上述抗生素母液，加入到冷卻至45～50℃已滅菌的LB營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基中，使四環(huán)素和紅霉素培養(yǎng)基的最終濃度分別為16 mg·L-1和48 mg·L-1。

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 總細(xì)菌氣溶膠濃度

根據(jù)采樣時(shí)間和氣體流量，利用公式（1）計(jì)算各級(jí)空氣帶菌粒子的數(shù)量。

式中：C為細(xì)菌氣溶膠濃度，CFU·m-3；N為各級(jí)菌落數(shù)；t為采樣時(shí)間，min；F為采樣時(shí)的氣體流量，L·min-1。

1.4.2 抗生素耐藥菌氣溶膠濃度所占比例

式中：η為耐藥菌的豐度；C耐藥菌為耐藥菌氣溶膠濃度，CFU·m-3；C總細(xì)菌為細(xì)菌氣溶膠濃度，CFU·m-3。

1.4.3 細(xì)顆粒物負(fù)載細(xì)菌和抗生素耐藥菌氣溶膠比例

本研究將粒徑D50≤2.1 μm（StageⅣ）定義為細(xì)顆粒物。細(xì)顆粒物所負(fù)載細(xì)菌和耐藥菌氣溶膠比例（FBT）計(jì)算公式如下：

式中：BⅠ、BⅡ、BⅢ、BⅣ、BⅤ、BⅥ分別為分布在StageⅠ、StageⅡ、StageⅢ、StageⅣ、StageⅤ和StageⅥ粒徑范圍內(nèi)的耐藥菌氣溶膠濃度，CFU·m-3。

1.4.4 空氣環(huán)境中細(xì)菌和抗性菌的動(dòng)力學(xué)粒徑計(jì)算[11]

動(dòng)力學(xué)粒徑幾何平均值（dg）和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差（σg）計(jì)算方法如下：

式中：ci指在第i個(gè)粒徑區(qū)間測(cè)量的細(xì)菌或耐藥菌氣溶膠的平均濃度，CFU·m-3；di指在第i個(gè)粒徑區(qū)間的中值徑，μm；S指所有粒徑平均濃度的總和，CFU·m-3。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

空氣微生物與逸散距離之間的回歸分析，以及耐藥菌比率與逸散距離之間的一元回歸在Origin 8.5中完成。利用SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異顯著性比較，當(dāng)P值小于0.05時(shí)，表明在95%的置信區(qū)間內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥廠及周邊環(huán)境中抗生素耐藥菌氣溶膠濃度分布規(guī)律

首先對(duì)所選定堆肥廠及周邊空氣環(huán)境中的可培養(yǎng)細(xì)菌、四環(huán)素耐藥菌和紅霉素耐藥菌氣溶膠濃度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示。堆肥生產(chǎn)區(qū)總細(xì)菌氣溶膠平均濃度為（2.65±2.15）×104CFU·m-3，該結(jié)果高于北京城市空氣中細(xì)菌氣溶膠的檢測(cè)結(jié)果（102～103CFU·m-3）[15-16]。與前人對(duì)倫敦[17]和伊朗[18]的堆肥廠空氣中細(xì)菌氣溶膠的檢測(cè)結(jié)果相似（濃度分別為1.23×104CFU·m-3和9.3×103CFU·m-3），說(shuō)明堆肥廠空氣可能受到了生物氣溶膠的污染。同時(shí)，本研究在堆肥廠生產(chǎn)區(qū)檢測(cè)到了四環(huán)素和紅霉素耐藥的細(xì)菌氣溶膠，濃度分別為（9.54±8.68）×103CFU·m-3和（7.39±5.05）×103CFU·m-3。畜禽糞便被認(rèn)為是養(yǎng)殖場(chǎng)空氣中生物氣溶膠的主要來(lái)源[19]，豬舍和雞舍內(nèi)空氣中四環(huán)素和紅霉素耐藥菌的平均濃度分別高達(dá)103CFU·m-3和104CFU·m-3。由此推斷，堆肥原料糞便中逸散的抗生素耐藥菌可能是生產(chǎn)區(qū)空氣中耐藥菌的主要來(lái)源。

圖1 堆肥廠及周邊環(huán)境細(xì)菌及耐藥菌生物氣溶膠濃度分布Figure 1 Concentrations of airborne bacteria and antibiotic resistant bacteria in composting facility and surrounding environment

本研究在堆肥廠的生活區(qū)也檢測(cè)到了四環(huán)素耐藥菌和紅霉素耐藥菌，濃度分別為（4.45±2.78）×102CFU·m-3和（5.51±3.92）×102CFU·m-（3圖1），紅霉素耐藥菌的平均濃度高于四環(huán)素耐藥菌，但兩者間差異不顯著（P＞0.05）。生活區(qū)是堆肥廠員工日常活動(dòng)和休息的區(qū)域，耐藥菌的檢出說(shuō)明該區(qū)域空氣可能已經(jīng)受到了污染。雖然生活區(qū)總細(xì)菌氣溶膠濃度為（2.06±1.50）×103CFU·m-3，較生產(chǎn)區(qū)低 1個(gè)數(shù)量級(jí)（P＜0.05），但是耐藥菌的檢出仍需引起注意。

為了評(píng)估堆肥廠對(duì)周邊空氣環(huán)境造成的污染，對(duì)其周邊不同距離空氣環(huán)境中抗生素耐藥菌的濃度進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果顯示，生產(chǎn)區(qū)總細(xì)菌氣溶膠的濃度為（2.65±2.15）×104CFU·m-3，生產(chǎn)區(qū)外50、100、500 m和1000 m處，細(xì)菌氣溶膠的濃度分別為（2.32±0.38）×104、（1.02±0.82）×104、（9.7±1.4）×103CFU·m-3和（1.66±0.05）×103CFU·m-3，分別降低至堆肥區(qū)的87.61%、38.42%、36.57%和6.26%。四環(huán)素和紅霉素耐藥菌隨傳播距離的消減趨勢(shì)與總細(xì)菌氣溶膠相似：在100 m處，兩種耐藥菌的檢出濃度分別降低至（5.27±3.88）×103CFU·m-3和（1.55±0.54）×103CFU·m-3，分別是生產(chǎn)區(qū)濃度的55.21%和21.04%；在1000 m處，濃度分別為（1.17±0.11）×103CFU·m-3和（3.3±0.1）×102CFU·m-3，分別為生產(chǎn)區(qū)濃度的 12.31% 和4.42%。本階段研究結(jié)果表明，堆肥廠下風(fēng)向空氣被抗生素耐藥菌污染，下風(fēng)向中多種抗生素抗性基因的檢出也證實(shí)了本研究結(jié)果[10]。

本研究對(duì)空氣中總細(xì)菌和抗生素耐藥菌平均濃度隨逸散距離的變化規(guī)律進(jìn)行了回歸分析，結(jié)果如圖2所示。整體上，在距離堆肥廠100 m處生物氣溶膠濃度下降最為顯著（P＜0.05）。在生產(chǎn)區(qū)外1000 m處，總細(xì)菌氣溶膠平均濃度遠(yuǎn)低于場(chǎng)內(nèi)，下降了1個(gè)數(shù)量級(jí)。已有研究結(jié)果表明，堆肥廠逸散的生物氣溶膠濃度隨著逸散距離迅速降低，在距逸散源約250 m處降至與環(huán)境背景濃度（103CFU·m-3）相似[20-21]。通過(guò)回歸公式計(jì)算，本研究所調(diào)查的堆肥廠空氣中全部細(xì)菌和兩種抗生素耐藥菌濃度在250 m處分別為1.61×104、6.3×103CFU·m-3和5.1×103CFU·m-3。細(xì)菌濃度高于英國(guó)環(huán)境局關(guān)于堆肥廠生產(chǎn)操作標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[22-23]。目前，我國(guó)還未建立堆肥生產(chǎn)中逸散生物氣溶膠濃度的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這一問(wèn)題需引起相關(guān)部門的重視。建議制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)堆肥生產(chǎn)員工和周邊居民的健康。濃度降低趨勢(shì)在500 m處有所放緩，在1000 m處降低至103CFU·m-3。盡管如此，相應(yīng)抗生素耐藥菌的濃度仍達(dá)到102CFU·m-3。本研究在堆肥廠區(qū)以及周邊空氣環(huán)境中抗生素耐藥菌的檢出，表明抗生素耐藥菌可作為一種空氣污染的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖2 堆肥廠及周邊環(huán)境細(xì)菌及耐藥菌生物氣溶膠濃度隨距離的回歸分析Figure 2 Regression analysis between the concentrations of airborne bacteria and antibiotic resistant bacteria and emitting distance

堆肥廠及周邊空氣環(huán)境中四環(huán)素和紅霉素耐藥菌的相對(duì)豐度分布結(jié)果如圖3所示。堆肥生產(chǎn)區(qū)四環(huán)素和紅霉素耐藥性氣溶膠占總細(xì)菌的相對(duì)豐度高達(dá)36.44%和40.20%，這與養(yǎng)殖場(chǎng)空氣的研究結(jié)果相近[24]。四環(huán)素耐藥菌所占總細(xì)菌的比例隨逸散距離有所升高，我們將相對(duì)豐度y與逸散距離x之間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合分析，發(fā)現(xiàn)四環(huán)素耐藥菌所占比率隨逸散距離的增加而升高，得到關(guān)系公式y(tǒng)=39.14+0.024x（R2=0.22）。紅霉素耐藥菌所占比率與四環(huán)素耐藥菌相反，其在總細(xì)菌中的相對(duì)豐度隨距離的增加而降低，線性擬合公式為y=40.92-0.028x（R2=0.42）。在距離生產(chǎn)區(qū)1000 m處，四環(huán)素和紅霉素耐藥菌的相對(duì)豐度分別為（70.67±4.64）%和（19.68±0.16）%。分析其原因，堆肥廠逸散的空氣細(xì)菌以及抗生素耐藥菌逸散出場(chǎng)外，在傳輸過(guò)程中受到溫度、濕度和紫外線等環(huán)境因素的影響[25]，加之周圍空氣的稀釋作用，使得包括抗生素耐藥菌在內(nèi)的所有空氣細(xì)菌整體上濃度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)（圖1）。其他來(lái)源的細(xì)菌對(duì)空氣中細(xì)菌氣溶膠的持續(xù)補(bǔ)充導(dǎo)致紅霉素耐藥菌相對(duì)豐度隨距離呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。四環(huán)素耐藥菌相對(duì)豐度的增加可能是因?yàn)槟承┛股啬退幘讷@得抗生素耐藥性后，其抗逆性增加，即對(duì)于環(huán)境因子（溫度和濕度）的抵抗力增加[26]，導(dǎo)致其絕對(duì)濃度隨距離下降緩慢，相對(duì)豐度有所增加。

圖3 堆肥廠及周邊環(huán)境中耐藥菌生物氣溶膠豐度分布Figure 3 Percentage of airborne antibiotic resistant bacteria incomposting facility and surrounding environment

2.2 堆肥廠及周邊環(huán)境中細(xì)顆粒物負(fù)載抗生素耐藥菌氣溶膠濃度分布規(guī)律

鑒于細(xì)顆粒物對(duì)人類健康的危害較大，本階段對(duì)細(xì)顆粒物負(fù)載的細(xì)菌、四環(huán)素以及紅霉素耐藥菌的濃度展開(kāi)研究，結(jié)果如圖4所示。堆肥生產(chǎn)區(qū)細(xì)顆粒物負(fù)載細(xì)菌氣溶膠平均濃度為（8.12±7.50）×103CFU·m-3，其中具有四環(huán)素和紅霉素耐藥性的細(xì)菌氣溶膠濃度分別為（2.05±2.07）×103CFU·m-3和（2.59±3.46）×103CFU·m-3。根據(jù)公式3計(jì)算可得，細(xì)顆粒物負(fù)載的細(xì)菌、四環(huán)素和紅霉素耐藥菌在總顆粒物中所占相應(yīng)比率分別為30.63%、21.46%和35.17%，說(shuō)明堆肥廠逸散的以上3種生物氣溶膠主要分布在粗顆粒物表面。在細(xì)顆粒物中，紅霉素耐藥菌的濃度高于四環(huán)素耐藥菌，這與總顆粒物的結(jié)果相反（圖1）。生活區(qū)細(xì)顆粒物負(fù)載的細(xì)菌濃度為（4.36±3.12）×102CFU·m-3，該區(qū)域四環(huán)素耐藥菌和紅霉素耐藥菌的濃度均遠(yuǎn)低于生產(chǎn)區(qū)，分別為94±73 CFU·m-3和（1.06±1.10）×102CFU·m-3，分別占細(xì)顆粒物中總細(xì)菌的21.19%和19.25%。研究結(jié)果表明，雖然生活區(qū)受到污染，但是該區(qū)域可入肺部分的四環(huán)素和紅霉素耐藥菌所占比例相近，且均低于生產(chǎn)區(qū)（P＜0.05）。

圖4 堆肥廠及周邊環(huán)境細(xì)顆粒物負(fù)載細(xì)菌氣溶膠濃度分布Figure 4 The concentration of airborne bacteria loading by fine particles in composting facility and surrounding environment

對(duì)堆肥廠逸散細(xì)顆粒物負(fù)載抗生素耐藥菌濃度隨逸散距離變化的研究，將有助于我們準(zhǔn)確評(píng)估其對(duì)人體造成的危害。本研究結(jié)果顯示，細(xì)顆粒物負(fù)載細(xì)菌和兩種抗生素耐藥菌的濃度隨著逸散距離增加均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖4）。生產(chǎn)區(qū)細(xì)顆粒物負(fù)載總細(xì)菌氣溶膠的濃度為（8.12±7.50）×103CFU·m-3，生產(chǎn)區(qū)外50、100、500 m和1000 m處的相應(yīng)濃度分別為（8.74±2.90）×103、（2.13±1.98）×103、（1.48±0.23）×103CFU·m-3和（6.2±0.24）×102CFU·m-3。廠外1000 m處濃度降低至生產(chǎn)區(qū)的7.62%。細(xì)顆粒物負(fù)載四環(huán)素和紅霉素耐藥菌也隨傳播距離增加而呈現(xiàn)消減趨勢(shì)；在100 m處，濃度降低幅度最大，分別降至（1.08±1.02）×103CFU·m-3和（3.6±3.4）×102CFU·m-3，是生產(chǎn)區(qū)濃度的52.63%和13.93%；在1000 m處，兩種耐藥菌的檢出濃度為（2.03±0.12）×103CFU·m-2和（8.8±4.9）×102CFU·m-3，分別是生產(chǎn)區(qū)濃度的9.92%和3.40%。結(jié)果表明，細(xì)顆粒物負(fù)載的細(xì)菌和耐藥菌隨逸散距離變化的規(guī)律與總細(xì)菌相一致。濃度和距離之間的回歸分析結(jié)果如圖5所示。通過(guò)回歸公式計(jì)算，在250 m處，空氣中總細(xì)菌和兩種抗生素耐藥菌的濃度分別為4.77×103、1.29×103CFU·m-3和1.58×103CFU·m-3。其中細(xì)顆粒物中總細(xì)菌氣溶膠濃度在英國(guó)環(huán)境局關(guān)于堆肥廠生產(chǎn)操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[23-24]范圍之內(nèi)，但是細(xì)顆粒物中高濃度抗生素耐藥菌的檢出表明，在距堆肥廠250 m范圍內(nèi)的空氣仍存在生物風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 堆肥廠及周邊環(huán)境細(xì)菌及耐藥菌生物氣溶膠濃度隨距離回歸分析Figure 5 Regression analysis between the concentrations of airborne bacteria and antibiotic resistant bacteria and emitting distance

同時(shí)，本研究考察了細(xì)顆粒物負(fù)載生物氣溶膠（細(xì)菌和兩種抗生素耐藥菌）在總顆粒物中所占的比率。整體上，細(xì)顆粒物負(fù)載紅霉素耐藥菌在總顆粒物負(fù)載紅霉素耐藥菌的比率（28.03%±3.65%）高于四環(huán)素耐藥菌的比率（18.74%±2.86%）（P＜0.05）。隨著逸散距離的增加，細(xì)顆粒物負(fù)載細(xì)菌與總顆粒物負(fù)載細(xì)菌的比率沒(méi)有顯著變化（28.35%±8.18%）。細(xì)顆粒物負(fù)載生物氣溶膠（細(xì)菌、兩種抗生素耐藥菌）在總顆粒物中所占的比率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。經(jīng)回歸分析，四環(huán)素和紅霉素耐藥菌所占比率與距離之間的關(guān)系分別是y=20.57-0.005 6x（R2=0.23）和 y=29.44-0.004 3x（R2=0.14）。

兩種抗生素耐藥菌在細(xì)菌中的相對(duì)豐度分析結(jié)果如圖6所示。在生活區(qū)內(nèi)，空氣中細(xì)顆粒物負(fù)載四環(huán)素和紅霉素耐藥菌的相對(duì)豐度分別為31.22%±21.10%和30.55%±19.03%。在堆肥區(qū)，其相應(yīng)豐度分別是23.56%±11.77%和34.66%±12.41%。隨著逸散距離的增加，細(xì)顆粒物中四環(huán)素和紅霉素耐藥菌相對(duì)豐度呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。相對(duì)豐度與距離的回歸分析結(jié)果分別是y=27.87+0.004 7x（R2=0.23）和y=34.99-0.023x（R2=0.47）。

圖6 堆肥廠及周邊環(huán)境細(xì)顆粒物負(fù)載抗生素耐藥菌氣溶膠豐度分布Figure 6 The percentage of airborne bacteria loading by fine particles in composting facility and surrounding environment

2.3 堆肥廠及周邊環(huán)境中抗生素耐藥菌氣溶膠粒徑分布規(guī)律

2.3.1 堆肥廠及周邊環(huán)境細(xì)菌和耐藥菌氣溶膠粒徑分布特點(diǎn)

各采樣點(diǎn)細(xì)菌氣溶膠的粒徑分布情況如圖7所示。由圖可知，整體上，6個(gè)采樣點(diǎn)的最高濃度均在4.7～7.0 μm（StageⅡ）范圍內(nèi)檢測(cè)到，但各采樣點(diǎn)的具體粒徑分布特點(diǎn)有所差異。其中，生產(chǎn)區(qū)（0 m處）細(xì)菌氣溶膠濃度在3.3～4.7 μm和4.7～7.0 μm兩個(gè)粒徑范圍內(nèi)整體較高，分別為1.7×104CFU·m-3·dlgDp-1和2.3×104CFU·m-3·dlgDp-1。根據(jù)以往報(bào)道，這一粒徑范圍的氣溶膠被人體吸入后主要沉降在鼻腔、口腔和咽部[27]。在50 m處，粒徑較小的細(xì)菌氣溶膠濃度整體高于其他采樣點(diǎn)。本研究結(jié)果顯示，隨著逸散距離的增加，各點(diǎn)的最高濃度所在粒徑范圍沒(méi)有變化（4.7～7.0 μm）。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有針對(duì)堆肥廠生物氣溶膠粒徑分布的相關(guān)研究。張?zhí)m河等[24]對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)細(xì)菌氣溶膠粒徑分布情況的研究顯示，肉雞、牛和豬舍內(nèi)細(xì)菌氣溶膠的最大濃度分布在3.3～4.7 μm（StageⅢ）范圍內(nèi)，與本研究結(jié)果有所差異?？赡苁且?yàn)椴煌h(huán)境中細(xì)菌氣溶膠的粒徑分布規(guī)律受到環(huán)境因素影響而呈現(xiàn)出不同的分布特征。

圖7 堆肥廠及周邊空氣環(huán)境中細(xì)菌氣溶膠濃度分布Figure 7 The size distribution of airborne bacteria in composting facility and surrounding environment

四環(huán)素耐藥菌氣溶膠在堆肥廠及周邊的粒徑分布情況如圖8所示。與總細(xì)菌的粒徑分布規(guī)律相似，各采樣點(diǎn)空氣中最高濃度的四環(huán)素耐藥菌均在StageⅡ（4.7～7.0 μm）內(nèi)檢測(cè)到，其次是在 StageⅢ（3.3～4.7 μm）和StageⅣ（2.1～3.3 μm）兩個(gè)粒徑范圍中。目前，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)關(guān)于抗生素耐藥菌粒徑分布的相關(guān)報(bào)道。Gao等[12]對(duì)養(yǎng)雞場(chǎng)空氣中四環(huán)素抗性基因的粒徑分布研究結(jié)果顯示，tetW和tetL的最高濃度也分布在較大粒徑范圍內(nèi)（＞5.8 μm）。隨著逸散距離的增加，不同粒徑內(nèi)的四環(huán)素耐藥菌濃度分布發(fā)生的變化有所差異。例如，在50 m和100 m處，StageⅡ和StageⅢ內(nèi)的四環(huán)素耐藥菌濃度均有所升高，而StageⅣ（2.1～3.3 μm）內(nèi)的濃度有所降低。某個(gè)粒徑范圍內(nèi)四環(huán)素耐藥菌濃度的變化，可以導(dǎo)致其動(dòng)力學(xué)粒徑的變化，從而影響其整體上在人體肺部的沉降位置。

圖8 堆肥廠及周邊空氣環(huán)境中四環(huán)素耐藥菌氣溶膠濃度分布Figure 8 The size distribution of airborne tetracycline-resistant bacteria in composting facility and surrounding environment

紅霉素耐藥菌的粒徑分布研究結(jié)果如圖9所示。與四環(huán)素耐藥菌類似，最高濃度同樣在StageⅡ（4.7～7.0 μm）檢出。這與前期對(duì)雞場(chǎng)、豬場(chǎng)和牛場(chǎng)空氣中紅霉素耐藥菌的粒徑分布規(guī)律研究結(jié)果有所差異[24]，養(yǎng)殖場(chǎng)最高濃度的紅霉素耐藥菌主要分布在StageⅢ（3.3～4.7 μm）。隨著逸散距離的增加，各粒徑范圍內(nèi)紅霉素耐藥菌的濃度也發(fā)生變化。在50 m處，2個(gè)大粒徑范圍內(nèi)的紅霉素耐藥菌濃度均有所升高。其中在 StageⅡ內(nèi)升高至1.7×104CFU·m-3·dlgDp-1。而小粒徑顆粒物負(fù)載的紅霉素耐藥菌濃度均有所降低。在堆肥廠50 m處，各個(gè)粒徑范圍內(nèi)的紅霉素耐藥菌濃度均低于生產(chǎn)區(qū)。

圖9 堆肥廠及周邊空氣環(huán)境中紅霉素耐藥菌氣溶膠濃度分布Figure 9 The size distribution of airborne erythromycin-resistant bacteria in composting facility and surrounding environment

2.3.2 堆肥廠及周邊環(huán)境生物氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑特點(diǎn)

空氣動(dòng)力學(xué)粒徑指的是單位密度（1 g·cm-3）的球體，在靜止空氣中做低雷諾數(shù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，達(dá)到與實(shí)際粒子相同的最終沉降速度時(shí)的直徑[11]，即將空氣中的顆粒粒徑換成具有相同空氣動(dòng)力學(xué)特性的等效直徑。掌握堆肥廠空氣中耐藥菌的動(dòng)力學(xué)粒徑將有助于評(píng)估其整體在人體呼吸系統(tǒng)中的沉降位置。

本研究根據(jù)公式（4）和公式（5）計(jì)算了各采樣點(diǎn)生物氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒徑的幾何平均值（dg）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（σg）。如表1所示，堆肥生產(chǎn)過(guò)程中的總細(xì)菌、四環(huán)素和紅霉素耐藥菌的動(dòng)力學(xué)粒徑范圍分別為4.33～6.12、6.11～6.70 μm和4.00～6.12 μm。在堆肥廠及周邊空氣環(huán)境中，四環(huán)素耐藥菌的動(dòng)力學(xué)粒徑整體上高于總細(xì)菌（P＜0.01）和紅霉素耐藥菌（P＜0.05），說(shuō)明后兩種生物氣溶膠進(jìn)入肺部后的沉降位置更深。根據(jù)已報(bào)道文獻(xiàn)[27]，在生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)，所考察的3種生物氣溶膠均可能主要沉降在咽部（4.7～7.0 μm）?？偧?xì)菌在50 m和1000 m、紅霉素耐藥菌在100 m和1000 m可能主要沉降在氣管和一級(jí)支氣管中，而不同采樣點(diǎn)的四環(huán)素耐藥菌可能主要沉降在上呼吸道的咽部[27]。

表1 堆肥廠及周邊環(huán)境生物氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑Table 1 Aerodynamic diameter of bioaerosol in compostingfacilities and surrounding environment

生物氣溶膠的粒徑分布受許多生物與非生物因素的影響，如微生物種類、環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)組分以及周邊空氣的相對(duì)濕度[21，25]等。另外，堆肥廠中相當(dāng)一部分生物氣溶膠會(huì)以聚合物的形式存在，細(xì)菌顆粒與空氣中小液滴、灰塵微粒及其他微生物粒子結(jié)合，形成成分復(fù)雜的聚合物[28]，這也會(huì)對(duì)生物氣溶膠的粒徑造成影響。以上原因可能導(dǎo)致不同粒徑內(nèi)微生物的濃度隨著逸散距離發(fā)生變化，從而影響其相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)粒徑。但本研究并沒(méi)有檢測(cè)到3種生物氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑隨距離變化的一致規(guī)律。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，堆肥生產(chǎn)區(qū)細(xì)菌氣溶膠濃度可達(dá)104CFU·m-3，具有四環(huán)素和紅霉素耐藥性的氣溶膠濃度在103CFU·m-3左右，占總細(xì)菌的30%～40%。在生活區(qū)檢測(cè)出較高濃度的抗生素耐藥菌，細(xì)顆粒物負(fù)載的細(xì)菌為8.1×103CFU·m-3。堆肥廠周圍生物氣溶膠濃度隨距離增加呈遞減趨勢(shì)，在距離堆肥生產(chǎn)區(qū)50～100 m處消減趨勢(shì)最明顯。細(xì)菌及各耐藥菌最大濃度均在4.7～7.0 μm粒徑范圍檢出，整體上可能主要沉降在人體呼吸系統(tǒng)中的咽部。