首份全球空氣微生物圖譜為公共衛生研究提供重要新視角

2022年12月

無論是土壤還是海洋，地球表面的確佈滿微生物。儘管我們對身邊空氣中微生物種群所知相對甚少，但由多位理大科學家領導的研究即將改變這種情況。他們經過近十年的努力，編製了一份詳盡的全球空氣微生物分佈圖，為相關物種如何與地表環境相互作用，以及它們未來可能產生的變化提供了新的見解。

一立方米的「空」氣含有 10,000 種或以上細菌。自 2019 年新型冠狀病毒病大流行開始以來，人們愈來愈有興趣探討空氣作為微生物棲息地的角色，而不僅把其視為傳輸管道。由理大領導的團隊與內地和美國研究人員合作，用大約一年時間對世界各地的空氣微生物進行採樣，範圍遍及地面至高山。研究團隊把課題本身的結果與過去研究所收集的最準確全球數據相結合，與多個合作夥伴編製了歷來第一份全球空氣微生物圖譜。

這份圖譜就漂浮於地表空氣的微生物群落提供了豐富研究成果。毫無疑問，空氣是細菌生物的獨特藏身之地。研究所進行的基因學分析顯示，空氣中的核心細菌群落（即在微生物物種群中佔比巨大的少數關鍵物種），與海洋或土壤生態中的核心群落並不一樣。事實上，儘管空氣是一種自由流動和似乎沒有內部邊界的介質，空氣細菌的核心群落卻顯然具有局部特徵和穩定的特性。

研究團隊從全球 63 個地點收集了 370 個空氣顆粒樣本，並對當中的細菌群落進行分析。為確保採樣覆蓋各種海拔高度和地理區域，收集地點包括 1.5 至 2 米高的地面、5 至 25 米高的屋頂和 5,238 米高的山脈，也廣及人口稠密的城市中心以至杳無人煙的北極圈。

研究團隊由理大環境科學與科技講座教授兼建設及環境學院院長李向東教授帶領，他表示：「我們的研究證實了人類活動的確改變了自然環境空氣中微生物群落的結構。城市空氣有更多的致病細菌。人們經歷三年疫情後，現在更加關注這種看不見但影響深遠的微生物群落。研究結果可用作重要參考，幫助我們預測在未來環境變化下，地球微生物群落的反應，以及可吸入微生物群落對人體健康影響。」

研究人員估計，海洋或土壤微生物的總數，要比存在於空氣中的微生物總數多出數千倍。儘管如此，微生物在空氣中的多樣性（或稱「豐富度」）於其它環境也是不相伯仲，意味空氣中的微生物是由地表棲息地貢獻而來。這項發現推翻了此前的假設，說明植被並非空氣細菌的主要陸地來源，而地球上的大量土壤幾乎貢獻不大。海浪的撞擊、樹葉搖晃甚至動物和人類活動及呼吸，才是驅動細菌在地表與空氣之間交換的較大因素。

宏觀生命，特別是動物和植物，在溫暖潮濕的熱帶雨林等赤道地區最為多樣化，其多樣性越靠近兩極地方便越為降低。這個情況對於微生物來說更為有趣，從赤道出發起計，微生物的多樣性在中緯度地區最高，然後再次降低。這種模式在陸地和水生微生物中已經確立，但新圖譜證實同一模式也出現於空氣微生物群。研究論文的作者推測，多樣性集中於中緯度地區，是由該地區微生物擁有的更大投入源所致。

研究人員的整體估計，是空氣細菌中有一半來自地面多種來源。城市空氣中的人類相關細菌含量特別高——部份細菌是無害的，但也有些能致病。細菌從人呼吸直接傳送到空氣並不是我們對空氣微生物世界所構成的唯一影響。工業化和城市化等大規模活動破壞了自然環境並影響了空氣質素，削弱了環境對微生物結構的「過濾」作用，使空氣細菌的組成更容易受隨機的作用影響——儘管天氣仍然在當中發揮著重要作用。

現代人類活動與我們身邊微生物之間的密切關係，令我們更深明準確預測未來變化的必要性。有鑑於城市化快速推進，加上我們在 2019 新型冠狀病毒病的研究對空氣日益瞭解，在城市中繁衍生息的可吸入傳染性細菌尤其令人憂慮。氣候變化是另一股推動空氣微生物生長的動力，正如圖譜所揭示一樣，溫度對微生物豐富度有顯著影響。因此，是項研究為未來的公共衛生研究提供了寶貴的資源和重要的新視角。

理大團隊與密歇根州立大學的傑出教授 James M. Tiedje 和中國內地多名科學家攜手進行是項研究。研究結果已於美國國家科學院的同儕評審期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》 (https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2204465119)中發表。