下呼吸道感染是全球第四大致死病因，每年导致数百万人死亡。2019年底暴发的新冠疫情更是夺走了上千万人的生命。呼吸道传染病的传播都与气溶胶密切相关。患者呼出的微小液滴中含有病原体，这些病原体进入空气后能存活多久，直接决定了疾病的传染风险和防控策略。病原气溶胶的活性受到大气环境、液滴理化性质和微生物自身结构的共同影响。羟基自由基（·OH）是大气中反应活性极高的氧化剂，因其在大气氧化过程中的重要作用，常被称为“大气清洁剂”。然而，·OH如何在人体呼出物基质中影响细菌存活，仍缺乏直接的实验依据，现有研究多采用缓冲液或人工模拟液，难以充分反映呼出物复杂成分对细菌氧化失活的影响。人体呼出的病原体气溶胶在真实大气以及氧化环境中存活的时间一直是一个悬而未定的谜题。

图1 可控暴露系统

为探究在大气以及含有·OH对呼出气中病原体活性的影响，北京大学环境科学与工程学院要茂盛教授团队利用先前创建的可控的暴露系统【Environ. Sci. Technol. (2025) 59 (14):7015—7027】，将5种细胞包膜结构不同的细菌（大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和耻垢分枝杆菌）分别加入呼出气冷凝液中，把不同体积的含菌液滴置于疏水膜上，在多种暴露条件下包括真实大气比较其活性变化。研究以LIVE/DEAD BacLight膜完整性荧光染色评估相对存活率，发现暴露2小时是活性开始变化的关键窗口；4小时后，·OH暴露条件下5种细菌的相对存活率均显著降低（大部分低于50%），但耐受程度因菌种各异，其中耻垢分枝杆菌最耐受。此外，研究发现不同液滴大小对细菌活性存在显著影响，并建立了不同细菌的失活规律模型。

图2 不同暴露条件下5种细菌的活性变化

为解释这些耐受性差异，研究结合扫描电镜、生化检测与非靶向代谢组学，从细胞形态、膜完整性、大分子氧化及代谢通路等角度，比较不同暴露条件下细菌的结构与代谢变化。结果显示在·OH暴露下，5种细菌均出现超氧化物歧化酶（SOD）活性下降、乳酸脱氢酶（LDH）释放增加、不同程度的表面损伤以及核酸代谢变化，但具体损伤特征与细胞包膜结构有关。革兰氏阴性菌对单独过氧化氢暴露也较敏感，·OH暴露后外膜组分受扰动、胞内大分子氧化指标同步升高，提示其外膜对氧化剂的阻隔有限。革兰氏阳性菌对过氧化氢相对耐受，但膜脂仍是·OH暴露下的重要损伤靶点。耻垢分枝杆菌的脂质过氧化不显著，却仍出现DNA氧化及黄素辅因子代谢变化，其分枝菌酸包膜和分枝菌硫醇等防御机制可能与其较高的耐受性有关。综合来看，细胞包膜结构可能影响·OH造成的氧化损伤范围和代谢响应模式，进而影响不同细菌在呼出液滴中的存活。

图3 不同暴露条件下5种细菌的氧化应激生化指标

图4 不同暴露条件下5种细菌的代谢响应与通路富集

相对于现有的人工合成液的相关成果，该研究首次在真实人体呼出气冷凝液液滴中开展病原体可控的真实大气与气相·OH暴露，为揭示真实大气以及含有氧化剂时如何影响呼出病原体活性提供了直接实验支撑。这项研究的发现为理解呼出微生物在真实大气和氧化环境中的活性变化时间窗口以及相关机制提供了关键实验数据，也为建立生物气溶胶存活模型及优化氧化消杀条件提供了参考。该项研究可以帮助人们判断特定空间空气中病原体的活性，从而为守牢不发生规模性疫情的底线提供重要科学基础。

研究成果以“Mechanistic Understanding of Breath-borne Bacterial Inactivation Kinetics in Oxidant Rich and Natural Air”为题近日在线发表在Environmental Science & Technology。论文第一作者为北京大学环境科学与工程学院博士研究生王艺蒙，通讯作者为要茂盛。该研究得到国家重点研发计划（2022YFC3702801）、国家自然科学基金创新研究群体项目（22221004）、广州国家实验室项目（GZNL2024A01028）等资助。