我院何纳教授团队揭示超大规模地铁网络空气微生物组的跨尺度驱动机制与转录特征

（供稿：李聪）

近日，我院何纳教授团队与蔡婧教授团队在环境健康领域权威期刊Environmental Science & Technology发表题为“Scale-Dependent Drivers Shape Airborne Microbiomes across the Shanghai Subway Network”的研究论文。研究基于全球超大规模城市轨道交通网络，首次整合宏基因组与宏转录组测序技术，结合拓扑网络、环境特征及化学成分谱等信息，从物种组成、转录潜能和空间分布等维度，系统解析城市空气微生物群落的特征及其跨尺度驱动机制，揭示了颗粒物粒径筛选、局地环境选择与地铁网络连通性共同塑造城市轨道交通系统空气微生物组的新规律，为城市生物安全治理和公共交通环境健康管理提供了重要科学依据。

随着全球城市化进程加速，超大城市正在形成高度复杂的人—环境—微生物交互网络，城市微生物生态及其健康影响已成为重要的科学问题。作为超大城市人口流动最为密集的基础设施之一，地铁构建了一个高度连通、相对封闭且持续受到人员流动影响的地下微生态系统，其空气微生物既反映了城市环境与人群活动的综合影响，亦可显著影响城市居民的健康。然而，传统研究多集中于微生物群落组成，而对于微生物的转录潜能，以及地铁网络结构、局地微环境和颗粒物化学特征如何共同塑造空气微生物组，仍缺乏系统研究。针对这一科学问题，本研究构建了城市尺度、粒径分辨的地铁空气微生物宏基因组与宏转录组图谱。 

气溶胶粒径分选微生物物种组成

研究团队在地铁站点采集总悬浮颗粒物（TSP，≤100 μm）和细颗粒物（PM_2.5，≤2.5 μm）样品，对其微生物群落进行分析。测序数据显示，TSP中的微生物物种丰富度达1,396种，显著高于PM_2.5（530种），表明颗粒物粒径对空气微生物组具有显著的物理筛选作用。在两种粒径范围内，细菌均占据绝对优势，分别占TSP和PM_2.5微生物组成的94.87%和98.02%，其中以葡萄球菌（Staphylococcus）等典型人体皮肤共生菌及耐受芽孢杆菌（Bacillus）为主。

微生物丰度与转录潜能呈现“功能解耦”

结合宏基因组与宏转录组数据，研究团队发现在群落整体水平上，微生物物种丰度与转录潜能总体呈正相关，但部分优势类群（如Staphylococcus和Bacillus）未表现出相应的高转录信号（图1），提示微生物在空气环境中的数量优势并不一定意味着较高的转录潜能。这一发现表明，仅依据DNA水平的微生物丰度难以全面反映空气微生物组的功能状态。部分优势微生物可能受到空气干燥、营养限制等环境压力，处于低转录或休眠状态，而部分低丰度类群可能贡献更高的转录信号。

图1. TSP和PM_2.5样品中物种丰度与平均物种水平转录指数（TI）的分布特征

空间分布呈现“网络尺度趋同、站内尺度分化”

研究团队进一步比较了不同空间尺度的微生物群落特征。结果显示，在城市网络尺度上，地铁空气微生物群落整体呈现较强的空间同质性。这一现象可能与地铁高度连通的网络结构以及持续、大规模的人流活动有关。频繁的人员流动可能促进微生物在不同站点之间持续混合，从而削弱城市尺度上的空间差异。与此不同，在单个地铁站内部，微生物群落表现出更明显的空间分化。尤其在TSP样品中，真核微生物多样性沿“入口—站厅—站台”逐渐降低，反映出从受室外环境影响较强的开放区域向相对封闭地下环境过渡的生态变化。研究结果表明，地铁空气微生物组呈现出明显的尺度依赖性，即地铁网络连通性促进宏观尺度上的微生物混合，而局地微环境则进一步塑造细尺度的群落异质性。

不同微生物类群呈现差异化环境响应

图2.空气微生物α多样性的关键预测因子。A：细菌；B：真核生物；C：病毒

随机森林回归模型进一步揭示跨界微生物多样性的关键驱动因素（图2）。研究发现，细菌和病毒多样性主要与站内局地微气候条件及地铁线路特征相关，其中温度表现出重要的预测作用，并与细菌多样性呈现显著的非线性响应模式。相比之下，真核微生物多样性与建成环境和城市化特征联系更加紧密，并受到人口密度、绿地覆盖等城市环境指标以及化学成分（如氯离子）等的影响。这提示不同微生物类群具有不同的生态来源和环境响应机制，其中真核微生物可能更易受到室外环境输入及城市生态背景的影响。

本研究从颗粒物粒径、微生物转录潜能、空间尺度和环境驱动因素等多个维度，对地铁空气微生物组进行了刻画。研究发现，地铁空气微生物组并非由单一因素决定，而是受到颗粒物粒径筛选、局地环境选择和地铁网络人流驱动等多重过程共同塑造，呈现出“网络尺度趋同、局地尺度分化”的跨尺度生态特征。研究成果为认识超大城市地下交通空间的微生物生态规律提供了新的研究框架，为未来城市精细化病原微生物常态化防控体系构建提供依据。

复旦大学公共卫生学院蔡婧教授、蒋露芳讲师及硕士研究生沈雁翎、李仕祯为该论文的共同第一作者。复旦大学公共卫生学院、重大传染病和生物安全研究院何纳教授与蔡婧教授为论文的共同通讯作者。浙江大学生命科学研究院蒋超教授等对本研究提供了重要指导。

文章链接: https://doi.org/10.1021/acs.est.6c00174