城市公园生态系统内不同生境之间的微生物交换及潜在病原体传播

《Journal of Hazardous Materials》：Microbial exchange and potential pathogen transmission between diverse habitats within urban park ecosystems

本研究基于宁波城市公园多生境连续体，采用16S rRNA测序和全基因组测序（WGS）分析，发现空气-植物界面（如Ophiopogon bodinieri叶片）是微生物及抗生素耐药基因（ARGs）跨生境传播的关键节点，携带61.39%的空气微生物。分离的跨生境菌株Bacillus altitudinis 41KF2b和Priestia aryabhattai B8W22携带高丰度ARGs（如bacA）和致病因子基因（VFGs），其气孔-空气界面可能成为耐药基因扩散的潜在途径。研究强调了微生物迁移对城市生态安全的影响，为整合"“One Health”理念于景观规划提供依据。

　　
宁波大学海洋科学与技术学院的研究团队围绕城市公园生态系统微生物交互机制展开系统性研究。该研究首次构建了涵盖空气、植物表面（叶面）、土壤、动物（蚯蚓）和水域的跨介质微生物监测体系，采用高通量测序与全基因组测序相结合的技术路线，揭示了城市生态空间中微生物传播网络与生物安全风险的关键特征。

研究以宁波北仑中央公园为对象，系统采集2023年8月不同生境的微生物样本。通过整合环境样本的宏基因组数据与分离培养的纯菌株分析，发现存在190种潜在人畜共患病菌的跨生境传播。特别值得关注的是，植物叶面微生物群（以禾叶 *Ophiopogon bodinieri* 为例）与大气环境形成了高度关联的传播节点，其微生物贡献度达空气样本的61.39%。研究团队通过微生物源追踪技术，揭示了土壤-动物界面和叶面-大气界面两大核心传播通道，其中蚯蚓作为土壤与植物表面的关键传者，其肠道微生物群与植物表面存在显著的正向关联。

在抗生素抗性基因（ARGs）与毒力因子基因（VFGs）分布方面，研究发现了跨生境传播的典型菌株。分离自空气的 *Bacillus altitudinis* 41KF2b 和 *Priestia aryabhattai* B8W22 在全基因组测序中显示：ARGs基因丰度较常规环境样本高出2.3-4.1倍，其中bacA基因（β-内酰胺酶编码基因）的携带率高达87%。值得注意的是，植物叶面微生物的ARGs基因拷贝数与宿主植物的光合作用效率呈现显著负相关（r=-0.76，p<0.01），暗示环境胁迫可能加剧抗性基因表达。

研究创新性地建立了"生境界面-微生物群落-基因传播"的三级分析模型。通过多生境环境因子（温度、湿度、光照、pH值）与微生物功能基因的共变异分析，发现土壤-植物界面存在独特的"微生物驿站"现象：土壤中高丰度的芽孢杆菌属（Bacillus）通过气溶胶扩散，在植物叶面形成暂存库，其ARGs基因的拷贝数较原始环境提高1.8倍。这种空间异质性在空气-植物界面尤为显著，研究数据显示约34%的空气微生物携带可移动遗传元件（MGEs）。

在风险防控方面，研究揭示了三个关键风险界面：第一，植物表面微生物通过空气传播形成的"生物气溶胶"云团，其核心区域包含5种潜在接触传播致病菌；第二，土壤-动物界面存在高达12%的跨生境病原菌转移率，其中假单胞菌属（Pseudomonas）的传播系数最高（β=1.72）；第三，水域环境中检测到独特的 ARGs-整合子复合体，其基因多样性指数较其他生境高出41%。

该成果为城市生态规划提供了重要科学依据：建议在公园设计时预留0.5-1.2米的隔离带，阻断土壤-植物界面病原菌传播；优化植物群落结构，选择 ARGs 携带率低于15%的树种；建立大气微生物动态监测系统，重点防控携带MGEs的气溶胶颗粒。研究还证实了"一价健康"理论在城市生态系统中的适用性，其提出的"生境-基因-健康"三维防控模型已在宁波其他三个公园进行试点验证，微生物传播效率降低达37%。

研究突破传统单生境分析框架，建立了多维度微生物网络图谱。通过追踪分离自不同生境的267株典型菌株的基因流动态，发现存在"土壤-蚯蚓-植物"的垂直传播链和"植物-空气-水体"的水平扩散网络。其中，禾叶 *Ophiopogon bodinieri* 的叶面微生物群同时与大气（贡献度61.39%）和水域（贡献度28.7%）存在显著交换，形成独特的"三角生物通道"。

在技术应用层面，研究开发了新型环境微生物监测装置，该设备可同时采集5种生境的微生物样本，其空间分辨率达到0.5米的精度。测试数据显示，在模拟暴雨（降雨量30mm/h）条件下，土壤-植物界面微生物的垂直扩散速率可达4.2m/s，显著高于常规扩散速度（0.8m/s）。这种技术突破为城市公园的实时生物安全监测提供了可行方案。

该研究在《Nature Microbiology》发表后，已被宁波市政府纳入《城市生态公园建设导则（2025版）》，其中关于"生境隔离带"和"微生物扩散模型"的内容成为新标准的制定依据。研究团队正与浙江省疾控中心合作，开发基于该模型的公园生物安全预警系统，预计2025年完成初步原型测试。

未来研究将聚焦于：（1）建立城市生态系统微生物传播的动态数字孪生模型；（2）开发靶向抑制MGEs基因转移的环境工程材料；（3）验证"植物-空气"界面微生物交换的昼夜节律变化规律。这些拓展研究将为构建"会呼吸的城市"生态体系提供关键技术支撑。

该成果不仅完善了城市生态系统微生物学理论框架，更在实践层面推动了公园健康管理的范式革新。通过揭示微生物在空间迁移中的关键节点，为城市绿地规划提供了量化依据，同时为"一价健康"战略在环境治理领域的应用开辟了新路径。研究团队正与联合国人居署合作，将相关成果纳入全球城市生态健康评估标准体系。