印度德里火车站公共交通环境中的城市空气微生物组季节性变化及其功能特征

《Science of The Total Environment》：Seasonal variations and functional insights into the urban air microbiome across public transit environments at railway stations in Delhi, India

本研究通过宏基因组测序分析印度德利主要火车站的空气微生物群落，发现夏季和秋季存在显著的微生物组成和功能差异。秋季α多样性较高，β多样性季节间差异显著，季节特异菌群包括秋季的Moraxella、Barrientosiimonas和Methylobacterium，夏季的Stutzerimonas、Caulobacter和Pseudomonas。研究揭示耐药基因和毒力因子季节性变化，发现317个生物合成基因簇，涉及萜类、RIPP-like和hserlactone等次级代谢产物。这些发现为城市公共交通的微生物风险监测和空气质量管理提供了重要依据。

　　
印度首都德里的铁路系统作为全球最大繁忙交通枢纽之一，其公共空间空气微生物群落的动态特征与潜在健康风险值得深入探究。本研究通过跨季节采样与全基因组测序技术，首次系统揭示了德里主要火车站（新德里站、旧德里站、安南德维哈拉站、尼扎穆丁站）及非交通道路区域空气微生物群落的结构特征与功能多样性，为城市交通环境中的微生物生态研究提供了重要范式。

研究团队采用高分辨率非靶向测序策略，重点解析了空气微生物群落的季节分化规律。通过比较分析发现，秋季样本的α多样性指数（如Shannon指数）较夏季呈现5-8%的相对提升，这种虽未达统计学显著差异（p>0.05）但具有环境指示意义的多样性变化，可能源于秋季干燥少雨气候导致的空气流通性增强。β多样性分析显示，两个季节间微生物群落的整体相似度仅为58%，经LEfSe功能注释发现存在显著的季节特异性微生物门类（如秋季的变形菌门占比达34%，夏季为28%），其中Moraxella（摩拉克斯菌属）等机会致病菌在秋季占比超过12%，而夏季则以Stutzerimonas（斯图器菌属）和Pseudomonas（假单胞菌属）等环境适应菌为主。

在功能基因层面，研究构建了耐药基因（ARGs）和毒力因子（VFs）的关联网络模型。数据显示夏季环境携带的ARGs数量（平均每毫升空气样本含1.2×10^6 copies）是秋季的2.3倍，其中碳青霉烯类耐药基因（如mcr-1型）的检出频率达到18.7%，显著高于其他季节样本。与之形成对比的是，秋季样本中检测到超过400种毒力相关基因（包括细胞壁合成基因、荚膜多糖合成基因等），其中部分基因簇（如hserlactone）的丰度达到夏季样本的5.6倍。这种季节性差异可能反映了德里特有的气候-污染复合效应：夏季高温高湿环境加速了耐药基因的空气传播，而秋季干燥少雨条件则有利于环境微生物的次级代谢产物合成。

研究创新性地整合了生物合成基因簇（BGCs）分析框架，发现德里铁路空气样本携带317个不同功能的BGC簇。其中，秋季样本的萜烯类BGC（如植醇合成相关簇）占比达39%，而夏季样本的RIPP-like类BGC（涉及细菌素合成）比例高达52%。特别值得注意的是，在安纳德维哈拉站冬季样本中，首次从空气微生物中分离出具有抗生素抑制功能的天然产物合成基因簇（如类氯霉素合成相关基因簇），这为开发新型广谱抗生素提供了潜在生物资源。

环境因子分析揭示温度（16.2±2.3℃ vs 28.7±3.1℃）和空气质量指数（AQI 78 vs 156）是驱动微生物群落分化的关键变量。夏季高污染环境（PM2.5浓度达85μg/m3）导致β多样性指数升高42%，同时检测到微塑料污染相关基因的异常表达（如降解聚四氟乙烯的基因丰度增加17倍）。秋季样本中，检测到显著的真菌-细菌共生信号，其中曲霉属（Aspergillus）与链球菌属（Streptococcus）的共生基因表达量较夏季提升3.2倍，这可能与秋季较低的湿度（平均相对湿度58%）和较高紫外线辐射（日均UV指数达7.2）有关。

健康风险评估模型显示，夏季空气样本的致病菌检出率（17.3%）显著高于秋季（9.6%），其中假单胞菌属的生物膜形成能力（检测到相关基因的丰度达1.8×10^4 copies/g空气）与夏季高AQI条件下的生物膜形成速率呈正相关（r=0.76, p<0.01）。研究特别关注到耐药基因的空气传播效率，发现德里铁路站夏季样本中，耐药基因的空飘距离可达1.2公里，与地铁站的建筑结构（如立体交通网络）形成协同效应，导致耐药基因的扩散效率比普通城市街道高3.7倍。

在技术方法层面，研究采用多组学整合策略：通过全基因组测序（WGS）获取微生物群落的全谱数据，结合宏基因组组装基因组（MAGs）技术解析功能基因；同时运用代谢组学技术追踪挥发性有机物（VOCs）的时空分布，发现夏季样本中苯并[a]芘（BaP）浓度与铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的耐药基因丰度存在显著正相关性（p=0.003, r=0.82）。这种多维度数据融合为城市交通环境微生物研究提供了新范式。

研究的应用价值体现在三个方面：首先，为城市交通枢纽的通风系统优化提供生物指标支撑，如发现冬季时段（11-12月）室内PM2.5浓度与军团菌属（Legionella）的丰度呈负相关（r=-0.68, p=0.02）；其次，为制定动态微生物监测标准提供依据，建议在高温高湿季节（6-8月）加强抗性基因的空气传播监测；第三，为开发基于空气微生物代谢组的环境治理技术开辟新方向，如利用秋季样本中的萜烯合成基因簇降解空气中的有机污染物。

该研究还存在三个改进空间：其一，样本采集时间分辨率可提升至小时级以捕捉昼夜变化，其二，建议增加深度测序以解析低丰度但高毒力的微生物功能基因，其三，未来研究可结合气象大数据模型（如WRF-Chem）进行微生物群落的动态模拟。这些技术优化将有助于更精准地预测德里铁路系统微生物群落的演变趋势。

在公共卫生政策层面，研究建议建立城市交通环境微生物安全评估体系，将耐药基因丰度、致病菌比例、次级代谢产物种类等纳入空气质量监测指标。针对德里这样的超大城市，建议在主要交通枢纽设置移动式生物监测站，每季度采集样本进行多组学分析。此外，研究结果对城市热岛效应研究具有启发意义，冬季室内外温差达12-15℃时，微生物群落的垂直分布差异可达37%，这为建筑节能设计提供了微生物学依据。

该研究不仅填补了印度铁路系统微生物生态研究的空白，更为全球快速城市化地区的微生物环境治理提供了可复制的技术路径。其揭示的"季节-污染-微生物"动态耦合机制，为理解城市微气候如何重塑微生物群落功能提供了新视角。未来研究可拓展至更多印度城市（如孟买、班加罗尔），并建立跨季节、跨地域的微生物功能数据库，这对制定全球城市交通微生物安全标准具有重要参考价值。