Die Bakterien, die wir jeden Tag einatmen

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie PNASuntersuchten die Forscher die globalen luftgetragenen Bakteriengemeinschaften, um ihre Gemeinschaftsstruktur und biogeografischen Verteilungsmuster zu verstehen. Darüber hinaus untersuchten sie ihre Wechselwirkungen mit anderen Mikrobiomen der Erde, insbesondere mit Lebensräumen an der Oberfläche.

Lernen: Globale luftgetragene Bakteriengemeinschaft – Wechselwirkungen mit den Mikrobiomen der Erde und anthropogenen Aktivitäten. Bildnachweis: Lightspring/Shutterstock

Hintergrund

Die Atmosphäre ist der unberührteste mikrobiologische Lebensraum auf der Erde, und luftgetragene Bakterien sind die komplexesten und dynamischsten Gemeinschaften, die die Mikrobiome der Erde beeinflussen. Es gibt mehr als 1 × 104 Bakterienzellen/m3 und Hunderte einzigartiger Taxa in der Luft. Großangelegte Studien haben die mikrobiellen Merkmale in Böden, Ozeanen und menschlichen Ausscheidungen systematisch dokumentiert. Außerdem haben sie eine Wechselbeziehung zwischen luftgetragenen Mikrobiomen und Oberflächenumgebungen vorgeschlagen. Es fehlt jedoch an Studien, die luftgetragene Mikroorganismen dokumentieren, insbesondere hinsichtlich ihrer Gemeinschaftsstruktur.

Mikroben leben nicht isoliert. Stattdessen haben sie mehrere ökologische Beziehungen, die von Gegenseitigkeit bis zum Wettbewerb reichen. Daher könnte die Bestimmung ihrer biogeografischen Verteilungsmuster und Wechselwirkungen mit anderen Mikrobiomen der Erde, die ihren Ursprung definieren, Aufschluss über die Auswirkungen von Klima-/Umweltveränderungen und anthropogenen Aktivitäten geben.

Über das Studium

In der vorliegenden Studie entwickelten die Forscher zunächst einen globalen Datensatz zu luftübertragenen Bakterien, um ihren Grad an Gemeinsamkeiten und Wechselbeziehungen zu bewerten. Dieser Datensatz umfasste 76 neu gesammelte Luftpartikelproben kombiniert mit 294 Proben, die für frühere Studien an 63 Standorten weltweit gesammelt wurden. Die Probenahmestellen waren unterschiedlich in Bezug auf Höhe und Geographie und umfassten Bodenniveau, Dächer (von 1,5 m bis 25 m Höhe) bis hin zu Bergen 5.380 m über dem Meeresspiegel, dicht besiedelte städtische Städte und den abgelegenen Polarkreis.

Das Team erhielt den Datensatz zum Vergleich vom Earth Microbiome Project (EMP), das mehr als 5.000 Proben aus 23 Oberflächenumgebungen gesammelt hat. Der luftgetragene Bakterien-Referenzkatalog enthielt mehr als 27 Millionen nicht-redundante 16S-ribosomale RNA (rRNA)-Gensequenzen.

Darüber hinaus konstruierten die Forscher ein globales Co-Occurrence-Netzwerk für luftgestützte Gemeinschaften, das 5.038 signifikante Korrelationsbeziehungen (Spearmans ρ > 0,6) zwischen 482 verbundenen operationellen taxonomischen Einheiten (OTUs) umfasste. OTUs sind analytische Einheiten, die in der mikrobiellen Ökologie nach DNA-Sequenzähnlichkeit gruppiert sind. Schließlich verwendete das Team Strukturgleichungsmodellierung (SEM), um die Mechanismen zu untersuchen, die mikrobielle Gemeinschaften antreiben. Ebenso berechneten sie die Gesamtwirkung von Umweltfiltern und bakteriellen Interaktionen auf die Gestaltung von Gemeinschaften.

Die Struktur global verteilter luftgetragener Bakteriengemeinschaften. (A) Orte, an denen weltweit Luftproben und Umweltdaten gesammelt wurden. (B) Die Anzahl, der Anteil und die relative Häufigkeit der globalen Kern-OTUs im Vergleich zu denen der verbleibenden bakteriellen OTUs. (C) Die taxonomische Zusammensetzung der globalen Kernbakterien auf Phylum- und Klassenebene. (D) Das globale Co-Occurrence-Netzwerk der luftgetragenen Bakteriengemeinschaft. Die Verbindungen (Kanten) stehen für eine starke (Spearman’s ρ > 0,6) und signifikante (p < 0,01) Korrelation. Die Knoten stellen die kombinierten OTUs mit eindeutigen Anmerkungen für die Gattungsebene in den Datensätzen dar. Die Größe jedes Knotens war proportional zur mittleren relativen Häufigkeit über 370 Proben hinweg. Die Knoten wurden von den Stämmen der Bakterien gefärbt. (E) „Kleinnetzwerk“-Identifizierung basierend auf einem „Smallworldness“-Index und der durchschnittlich kürzesten Weglänge des globalen Bakteriengemeinschaftsnetzwerks in Luft-, Meeres- und Bodenumgebungen. (F) Grad – das Betweenness-Centrality-Plot jedes Knotens im Kookkurrenz-Netzwerk. Die Knoten in Rot werden als Schlüsselarten angesehen. Die Größe der Knoten zeigt die relativen Anteile der OTUs im gesamten Mikrobiom.

Studienergebnisse

Es wurden 10.897 Taxa aus 370 einzelnen Luftproben nachgewiesen, und die meisten Bakteriensequenzen gehörten zu fünf Phyla. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria und Bacteroidetes machten 24,8 %, 19,7 %, 18,4 %, 18,1 % bzw. 8,6 % dieser Bakteriensequenzen aus. Die Abundanz-Belegungs-Beziehung (AOR) zwischen den von einem Bakterientaxon besetzten Proben und seiner durchschnittlichen Masse in der globalen Luft zeigte eine sigmoide Kurve, ähnlich dem beobachteten Muster für die Verteilung von Wildtieren und Pflanzen auf der Erde.

Luft ist ein frei fließendes, dynamisches Ökosystem, das den Langstreckentransport von Bakteriengemeinschaften ermöglicht, die es trägt. Seine Bakteriengemeinschaft schien jedoch gut mit der lokalen Umgebung verbunden zu sein, insbesondere mit den Quellenbeiträgen und Luftqualitätsbedingungen, die sich aus anthropogenen Aktivitäten ergeben. Verringerte Filtereffekte aus der Umwelt und erhöhte menschenbezogene Quellenbeiträge haben zu geringeren Biomassebelastungen, einer höheren Häufigkeit pathogener Bakterien und stärker destabilisierten Netzwerkstrukturen geführt.

Bemerkenswerterweise waren luftgetragene Bakterien im Vergleich zu ihren Gegenstücken im Mutterboden und in Meeresumgebungen nicht eng miteinander verbunden und hatten eine durchschnittliche Intranode-Verbindung von 5,24. Sie hatten einen zufälligen Clustering-Ansatz, und die Topologie hatte einen geringen Widerstand gegen Änderungen. Die beobachteten entfernten Beziehungen und losen Cluster des Netzwerks deuteten darauf hin, dass die luftgetragene Bakteriengemeinschaft in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, die normalerweise zu drastischen Änderungen der Bakterienzusammensetzung führen, eher gestört wird. Die Funktionen atmosphärischer Bakterientaxa wurden auf der Grundlage ihrer genetischen Information in anderen Lebensräumen abgeleitet.

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Das Team fand potenzielle Assoziationen zwischen luftgetragenen Bakteriengemeinschaften und anderen mikrobiellen Lebensräumen auf der Oberfläche. Die geschätzte Gesamthäufigkeit luftgetragener Bakterien (1,72 × 1024 Zellen) war vergleichbar mit derjenigen der Hydrosphäre und ein bis drei Größenordnungen geringer als in anderen Lebensräumen (z. B. Boden).

Von den 23 wichtigsten Lebensräumen der Erde, die in der aktuellen Studie untersucht wurden, wies die terrestrische Luft eine größere Ähnlichkeit mit der menschlichen und tierischen Umgebung auf, während die Offshore-Luft eine engere Beziehung zu ozeanischen Systemen aufwies. Darüber hinaus zeigten Auswertungen auf Basis von Bayes-Methoden, dass die Eigenschaften der entsprechenden Oberflächenumgebung die dominierenden Quellen luftgetragener Bakterien bestimmten. Bemerkenswerterweise trugen menschliche Quellen mehr zu den luftgetragenen Bakterien in städtischen Gebieten bei, insbesondere an Standorten an Land, ein Ergebnis, das in früheren Studien zur Emissionsmodellierung weitgehend ignoriert wurde.

Rolle luftgetragener Bakterien in der mikrobiellen Welt der Erde. (A) Schätzung der globalen mikrobiellen Häufigkeit und des Reichtums in verschiedenen Lebensräumen. Der globale Reichtum (S) und die Gesamthäufigkeit (N) in den entsprechenden Lebensräumen zeigen eine Skalierungsbeziehung (die gestrichelte orange Linie ist das 95%-Vorhersageintervall). Der Reichtum wurde aus dem lognormalen Modell unter Verwendung von Nmax vorhergesagt, das aus unseren Sequenzierungsdaten abgeleitet wurde (gefüllte Kreise), oder Nmax, das aus dem Dominanz-Skalierungsgesetz vorhergesagt wurde (offene Kreise). Die geschätzten S- und N-Werte für jeden Lebensraum sind per se eine globale Summe. Einige S und N wurden aus früheren Studien abgeleitet. (B) Ein Bray-Curtis-basiertes nichtmetrisches multidimensionales Skalierungsdiagramm (NMDS) zeigt, dass verschiedene mikrobielle Lebensräume verschiedene Bakteriengemeinschaften auf der Erde beherbergen (n = 5.189). Der Bray-Curtis-Abstand wurde berechnet, um Unterschiede in der Zusammensetzung von Bakteriengemeinschaften darzustellen. (C) Das bakterielle Kookkurrenz-Netzwerk der Erde zeigt die Beziehungen der Verbindung zwischen 23 wichtigen mikrobiellen Lebensräumen. Die Verbindungen (Kanten) stehen für eine starke (Spearman’s ρ > 0,7) und signifikante (p < 0,01) Korrelation. Die Dicke der Linien repräsentiert den Wert von Spearmans ρ. Die Umgebungen wurden durch Modularisierung in drei Gruppen mit unterschiedlichen Farben geclustert. (D) Globale Analyse der Bakterienquelle in der Luft. Prozentsatz potenzieller Beiträge von Bakteriengattungen aus verschiedenen Umgebungen zu luftgetragenen Bakteriengemeinschaften im städtischen, terrestrischen Hintergrund bzw. in Offshore-Gebieten auf globaler Ebene.

Die Autoren stellten keine wesentlichen Unterschiede im Reichtum luftgetragener Bakteriengemeinschaften zwischen städtischen und natürlichen Gebieten innerhalb desselben Breitengradbereichs fest. Die geografische Lage spielte jedoch eine Rolle. So war die Gleichmäßigkeit der Bakteriengemeinschaften in Stadtluft deutlich geringer. Beispielsweise war die relative Häufigkeit pathogener Arten, Burkholderia und Pseudomonas, in städtischen Gebieten höher als in natürlichen Gebieten (5,56 und 2,50 % gegenüber 1,44 und 1,11 %). Darüber hinaus trugen die Bakterien in städtischen Gebieten weniger zur Feinstaubmasse (PM) bei als in natürlichen Gebieten, was darauf hindeutet, dass die Verstädterung den Anteil an nicht-biologischen Partikeln in der Luft (z. B. Staub) erhöhte.

Die Krankheitserreger mit dem höchsten Sterblichkeitsrisiko, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa und Enterobacter-Spezies (ESKAPE), waren in der städtischen Luft häufiger anzutreffen. Das Co-Vorkommen-Netzwerk städtischer luftgetragener Bakteriengemeinschaften deutete darauf hin, dass anthropogene Einflüsse ihre Netzwerkstruktur destabilisierten, was wiederum auch die bakterielle taxonomische Zusammensetzung veränderte.

Die Autoren stellten fest, dass sich mehrere Faktoren auf luftgetragene Bakteriengemeinschaften auswirkten – zum Beispiel die geografischen Standorte zusammen mit typischen Umweltfaktoren. Die biotischen Interaktionen zwischen Schlüsselstein- und Kernbakteriengemeinschaften sowie der Bakterienreichtum interagierten signifikant. Von allen deterministischen Prozessen war die Umweltfilterung die wichtigste Determinante für die Struktur und Verteilung von mikrobiellen Gemeinschaften in der Luft.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend stammten fast 46,3 % der luftgetragenen Bakterien aus der Umgebung, und stochastische Prozesse prägten in erster Linie die Bildung von Gemeinschaften. Darüber hinaus war das Unterscheidungsmerkmal luftgetragener Bakterien in städtischen Gebieten der zunehmende Anteil potenzieller Krankheitserreger aus humanbezogenen Quellen. Schließlich beeinflussten luftgetragene Bakterienquellenprofile einen wesentlich höheren Prozentsatz der strukturellen Variationen als die für Luftqualität und lokale meteorologische Bedingungen (43,7 % gegenüber 29,4 % und 25,8 %), wie durch die Variationsverteilungsanalyse (VPA) bewertet.

Referenz:

• Globale luftgetragene Bakteriengemeinschaft – Wechselwirkungen mit den Mikrobiomen der Erde und anthropogenen Aktivitäten, Jue Zhao, Ling Jin, Dong Wu, Jia-wen Xie, Jun Li, Xue-wu Fu, Zhi-yuan Cong, Ping-qing Fu, Yang Zhang, Xiao- San Luo, Xin-bin Feng, Gan Zhang, James M. Tiedje, Xiang-dong Li, PNAS 2022, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2204465119, https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2204465119

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