城市污水处理厂中生物气溶胶的排放热点、健康相关影响及其对病原体的细胞毒性

《Environmental Pollution》：Emission Hotspots, Health-Relevant Effects, and Pathogen Cytotoxicity of Bioaerosols in an Urban Wastewater Treatment Plant

　　

作者：张松 | 霍长富 | 吴东 | 王彦杰

华东师范大学生态与环境科学学院，上海 200241，中国

摘要

城市污水处理厂（WWTPs）是生物气溶胶的重要来源，但其对职业健康的影响尚未完全明确。我们采用多矩阵采样（空气、废水、污泥）、16S rRNA测序进行微生物培养、支气管上皮细胞体外暴露实验以及宿主转录组学研究，对中国华北平原的一个典型污水处理厂进行了调查。生物气溶胶中的微生物浓度范围为10¹至2.32×10⁴ CFU m^-3；颗粒物平均浓度为2052 μg m^-3，其中细小生物颗粒（<3.3 μm）平均占比37.38%。好氧发酵室和生物反应池被确定为污染热点区域。光线强度、温度和湿度是主要的环境影响因素。微生物群落以Bacillus为主，同时检测到了Stenotrophomonas和Acinetobacter等机会性病原体。尽管BugBase估计这些病原体的致病潜力较低（<5%），但它们的存在仍表明存在不可忽视的暴露风险。以Staphylococcus aureus和Streptococcus pneumoniae作为代表性的呼吸系统细菌模型，细胞毒性实验表明这两种病原体均以剂量和时间依赖的方式降低了上皮细胞的活力，但其作用机制不同：Streptococcus pneumoniae具有较高的粘附性，促进了早期定植并引发了持续的轻度炎症，同时伴随着IL-6和IL-18水平的升高；Staphylococcus aureus则表现出更强的侵袭性，并引发了明显的焦亡反应，表现为Caspase-1的激活和早期IL-1β的释放。转录组分析进一步显示Streptococcus pneumoniae抑制了宿主的多条代谢途径，而Staphylococcus aureus则主要激活了与免疫和炎症相关的信号通路。这些数据为风险评估和制定针对性控制措施提供了依据，但仍需要在初级细胞或体内模型中进行进一步验证以增强其生理相关性。

引言

城市污水处理厂（WWTPs）是市政基础设施的关键组成部分，也是微生物生物气溶胶产生和传播的重要来源（Li等，2024；Mba和Nweze，2022）。在曝气、搅拌和污泥脱水等处理过程中，载有微生物的液滴会被释放到空气中，形成可能含有各种机会性和呼吸系统病原体的生物气溶胶（Kowalski等，2017）。这些可吸入的颗粒物，尤其是直径小于5 μm的细颗粒物（PM），能够穿透上呼吸道，长期暴露可能导致工人健康风险（Chowdhury等，2018；Wu等，2025）。近年来，污水处理过程中释放的生物气溶胶的排放及其健康影响引起了越来越多的科学界和公众的关注。多项研究发现，污水处理厂空气中细菌、真菌和病毒的浓度很高，其微生物群落组成受处理过程、环境因素和季节变化的影响显著（Cioffi等，2021；Qu等，2025）。特别令人担忧的是，在空气中的微生物群落中检测到了Pseudomonas、Acinetobacter、Legionella和Enterococcus等机会性病原体，这些病原体可能通过吸入引发感染性疾病或过敏反应（Tan等，2025）。然而，大多数现有研究主要关注微生物的丰度和多样性，而特定生物气溶胶传播的病原体在细胞和分子层面的致病机制及细胞毒性反应仍知之甚少。Staphylococcus aureus和Streptococcus pneumoniae是污水处理厂及其相关气溶胶中常见的呼吸道病原体（Kim等，2024；Wang等，2024）。这两种细菌都能表达粘附素、毒素和侵袭性酶，破坏呼吸道上皮屏障，激活宿主的免疫炎症反应，并诱导程序性细胞死亡，最终导致组织损伤和感染（Ibberson等，2014；Inoshima等，2014；Mai等，2018）。选择Staphylococcus aureus和Streptococcus pneumoniae作为代表性的呼吸系统细菌模型进行比较毒理学分析，是因为它们在先前的研究中已被证实具有呼吸道致病性（Ibberson等，2014；Inoshima等，2014；Mai等，2018）。

因此，从微生物生态学和毒理学的角度阐明这些细菌在气溶胶中的生存特性及其与宿主细胞的相互作用机制，对于准确评估健康风险至关重要。

基于此，本研究通过综合现场采样和实验室模拟，对中国北方的一个典型城市污水处理厂进行了调查，以揭示生物气溶胶的排放动态、微生物群落组成及其毒理学特性。重点研究了Staphylococcus aureus和Streptococcus pneumoniae》这两种主要的气溶胶传播病原体，并利用人支气管上皮样细胞（Beas-2B）模型探讨了它们在多个维度上的毒性效应和分子机制，包括细胞活力、炎症反应、焦亡、自噬和转录调控。本研究旨在提供潜在呼吸系统危害的机制证据，而非直接证实暴露工作者的实际职业健康后果。研究结果为评估污水处理过程中微生物生物气溶胶暴露的健康风险及其预防提供了重要依据。

章节摘录

研究区域和采样地点

本研究在华北平原南部的一个典型城市污水处理厂进行。该厂采用改进的A²/O工艺，日处理能力为6 × 10⁵ m³·d^-1。污泥采用离心脱水和好氧堆肥相结合的方式处理，日处理量约为600吨（含水量80%）。污水处理厂周围有广阔的农田和绿地，尤其是在西侧和南侧。

生物气溶胶浓度和颗粒大小分布

图1A显示了污水处理厂不同区域的生物气溶胶中的微生物和颗粒物（PM）浓度。微生物浓度范围为3.06 × 10² ± 5至2.32 × 10⁴ ± 7 CFU·m^-3，平均值为3.29 × 10³ CFU·m^-3（P < 0.05）。在三个采样点，浓度超过了室内微生物标准限值（500 CFU·m^-3），其中SQAFR处的峰值浓度约为该阈值的45倍。颗粒物浓度范围为41至7851 μg·m^-3。

相对湿度和颗粒物是影响生物气溶胶浓度的主要因素

以往对污水处理厂中生物气溶胶的研究通常报告的微生物浓度较低。例如，在丹麦首都地区的一个污水处理厂进行的研究中发现，总生物气溶胶浓度范围为39至218 CFU·m^-3（Uhrbrand等，2017）。Yan等报道，在一个市政污水处理厂的生物处理池附近，生物气溶胶浓度为172 ± 173 CFU·m^-3（Yan等，2021）。相比之下，

结论

在污水处理厂内，SQAFR（微生物浓度：2.32 × 10⁴ CFU·m^-3；颗粒物浓度：7,851 μg·m^{-3Bacillus和Acinetobacter等机会性病原体普遍存在，这凸显了呼吸系统暴露的明显职业风险。对于高暴露区域，特别是SQAFR和SQBRT，需要加强个人防护措施。细胞毒性实验}

作者贡献声明

王彦杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源整理，数据管理，概念构建。吴东：撰写 – 审稿与编辑。霍长富：数据分析，数据管理。张松：撰写 – 原稿，资源准备，方法设计，实验实施

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞业财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢来自国家自然科学基金（编号52200134、52570133、42377425）和河南省高校科技创新人才计划（26HASTIT052）的资助支持。