De bakterier, vi indånder hver dag

De bakterier, vi indånder hver dag

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i tidsskriftet PNAS Forskere undersøgte globale luftbårne bakteriesamfund for at forstå deres samfundsstruktur og biogeografiske distributionsmønstre. Derudover undersøgte de deres interaktioner med andre jordmikrobiomer, især overfladehabitater.

Lære: Globalt luftbårne bakteriesamfund – interaktioner med Jordens mikrobiomer og menneskeskabte aktiviteter. Billedkredit: Lightspring/Shutterstock

baggrund

Atmosfæren er det mest uberørte mikrobielle levested på Jorden, og luftbårne bakterier er de mest komplekse og dynamiske samfund, der påvirker Jordens mikrobiomer. Der er mere end 1 × 104 bakterieceller/m3 og hundredvis af unikke taxa i luften. Storstilede undersøgelser har systematisk dokumenteret de mikrobielle egenskaber i jord, oceaner og menneskeligt affald. De har også foreslået en sammenhæng mellem luftbårne mikrobiomer og overflademiljøer. Der er dog mangel på undersøgelser, der dokumenterer luftbårne mikroorganismer, især hvad angår deres samfundsstruktur.

Mikrober lever ikke isoleret. I stedet har de flere økologiske forhold lige fra gensidighed til konkurrence. Derfor kan bestemmelse af deres biogeografiske distributionsmønstre og interaktioner med andre jordmikrobiomer, der definerer deres oprindelse, kaste lys over virkningerne af klima-/miljøændringer og menneskeskabte aktiviteter.

Om at studere

I denne undersøgelse udviklede forskere først et globalt datasæt om luftbårne bakterier for at vurdere deres grad af fællesskab og indbyrdes sammenhæng. Dette datasæt inkluderede 76 nyligt indsamlede luftpartikelprøver kombineret med 294 prøver indsamlet til tidligere undersøgelser på 63 steder over hele verden. Prøveudtagningssteder varierede i højde og geografi og omfattede jordoverfladen, hustage (fra 1,5 m til 25 m i højden) op til bjerge 5.380 m over havets overflade, tætbefolkede bybyer og den fjerne polarcirkel.

Holdet indhentede datasættet til sammenligning fra Earth Microbiome Project (EMP), som har indsamlet mere end 5.000 prøver fra 23 overflademiljøer. Det luftbårne bakterielle referencekatalog indeholdt mere end 27 millioner ikke-redundante 16S ribosomale RNA (rRNA) gensekvenser.

Derudover konstruerede forskere et globalt luftbårent samfunds-samforekomstnetværk, der omfattede 5.038 signifikante korrelationsforhold (Spearmans ρ > 0,6) mellem 482 associerede operationelle taksonomiske enheder (OTU'er). OTU'er er analytiske enheder grupperet efter DNA-sekvenslighed i mikrobiel økologi. Endelig brugte holdet strukturel ligningsmodellering (SEM) til at undersøge de mekanismer, der driver mikrobielle samfund. De beregnede også den overordnede effekt af miljøfiltre og bakterielle interaktioner på samfundsdesign.

Strukturen af ​​globalt distribuerede luftbårne bakteriesamfund. (A) Steder, hvor luftprøver og miljødata blev indsamlet over hele verden. (B) Antallet, andelen og den relative overflod af globale kerne-OTU'er sammenlignet med de resterende bakterielle OTU'er. (C) Den taksonomiske sammensætning af globale kernebakterier på phylum- og klasseniveau. (D) Det globale co-forekomst netværk af det luftbårne bakteriesamfund. Forbindelserne (kanterne) repræsenterer en stærk (Spearmans ρ > 0,6) og signifikant (p < 0,01) korrelation. Noderne repræsenterer de kombinerede OTU'er med unikke annoteringer på slægtsniveau i datasættene. Størrelsen af ​​hver knude var proportional med den gennemsnitlige relative overflod på tværs af 370 prøver. Noderne blev farvet af bakteriestammerne. (E) "Lille netværk"-identifikation baseret på et "smallworldness"-indeks og den gennemsnitlige korteste vejlængde af det globale bakterielle samfundsnetværk i luft-, hav- og jordmiljøer. (F) Grad – plottet mellemhed centralitet for hver node i co-forekomst netværket. Noderne i rødt betragtes som keystone-arter. Størrelsen af ​​noderne angiver de relative andele af OTU'er i hele mikrobiomet.

Studieresultater

10.897 taxa blev påvist fra 370 individuelle luftprøver, og de fleste bakterielle sekvenser tilhørte fem phyla. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria og Bacteroidetes tegnede sig for henholdsvis 24,8 %, 19,7 %, 18,4 %, 18,1 % og 8,6 % af disse bakteriesekvenser. Abundance-occupancy forholdet (AOR) mellem prøverne optaget af en bakteriel taxon og dens gennemsnitlige masse i den globale luft viste en sigmoid kurve, svarende til det observerede mønster for fordelingen af ​​dyreliv og planter på Jorden.

Luft er et fritflydende, dynamisk økosystem, der muliggør langdistancetransport af de bakteriesamfund, den understøtter. Dets bakteriesamfund så ud til at være godt forbundet med det lokale miljø, især kildebidragene og luftkvalitetsforholdene som følge af menneskeskabte aktiviteter. Reducerede filtreringseffekter fra miljøet og øgede menneskerelaterede kildebidrag har ført til lavere biomassebelastninger, højere frekvenser af patogene bakterier og mere destabiliserede netværksstrukturer.

Navnlig var luftbårne bakterier ikke tæt forbundet sammenlignet med deres modstykker i muldjord og havmiljøer og havde en gennemsnitlig intranode-forbindelse på 5,24. De havde en tilfældig klyngetilgang, og topologien havde lav modstand mod forandring. De observerede fjerne relationer og løse klynger af netværket antydede, at det luftbårne bakteriesamfund er mere tilbøjeligt til at blive forstyrret afhængigt af miljøforholdene, som normalt fører til drastiske ændringer i bakteriesammensætningen. Funktionerne af atmosfæriske bakterielle taxaer er blevet udledt baseret på deres genetiske information i andre levesteder.

Omics e-bog

Samling af de bedste interviews, artikler og nyheder fra det sidste år. Download en gratis kopi

Holdet fandt potentielle sammenhænge mellem luftbårne bakteriesamfund og andre overflade mikrobielle levesteder. Den estimerede samlede overflod af luftbårne bakterier (1,72 × 1024 celler) var sammenlignelig med hydrosfærens og en til tre størrelsesordener lavere end i andre habitater (f.eks. jord).

Af de 23 store jordhabitater, der er undersøgt i den aktuelle undersøgelse, viste landluft større lighed med menneske- og dyremiljøer, mens offshoreluft viste et tættere forhold til oceaniske systemer. Ydermere viste evalueringer baseret på Bayesianske metoder, at egenskaberne ved det tilsvarende overflademiljø bestemte de dominerende kilder til luftbårne bakterier. Navnlig bidrog menneskelige kilder mere til luftbårne bakterier i byområder, især på landbaserede steder, et fund stort set ignoreret i tidligere emissionsmodelleringsundersøgelser.

Luftbårne bakteriers rolle i Jordens mikrobielle verden. (A) Estimering af global mikrobiel overflod og rigdom i forskellige levesteder. Global rigdom (S) og total overflod (N) i de tilsvarende habitater viser et skaleringsforhold (den stiplede orange linje er 95 % forudsigelsesintervallet). Righed blev forudsagt ud fra den lognormale model ved hjælp af Nmax afledt af vores sekventeringsdata (udfyldte cirkler) eller Nmax forudsagt fra dominansskaleringsloven (åbne cirkler). De estimerede S- og N-værdier for hvert habitat er i sagens natur en global sum. Nogle S og N blev afledt fra tidligere undersøgelser. (B) Et Bray-Curtis-baseret ikke-metrisk multidimensionelt skaleringsplot (NMDS) viser, at forskellige mikrobielle habitater er vært for forskellige bakteriesamfund på Jorden (n = 5.189). Bray-Curtis-afstanden blev beregnet til at repræsentere forskelle i sammensætningen af ​​bakteriesamfund. (C) Jordens bakterielle samforekomstnetværk viser sammenhængen mellem 23 store mikrobielle levesteder. Forbindelserne (kanterne) repræsenterer en stærk (Spearmans ρ > 0,7) og signifikant (p < 0,01) korrelation. Tykkelsen af ​​linjerne repræsenterer værdien af ​​Spearmans ρ. Miljøerne blev grupperet i tre grupper med forskellige farver gennem modularisering. (D) Global analyse af luftbåren bakteriekilde. Procentdel af potentielle bidrag fra bakterieslægter fra forskellige miljøer til luftbårne bakteriesamfund i henholdsvis urbane, terrestriske baggrunde og offshore-områder på global skala.

Forfatterne fandt ingen signifikante forskelle i rigdommen af ​​luftbårne bakteriesamfund mellem by- og naturområder inden for samme breddegradsområde. Den geografiske placering spillede dog en rolle. Ensartetheden af ​​bakteriesamfundene i byluften var væsentligt lavere. For eksempel var den relative overflod af patogene arter, Burkholderia og Pseudomonas, højere i byområder end i naturområder (5,56 og 2,50 % mod 1,44 og 1,11 %). Derudover bidrog bakterier mindre til partikelmasse (PM) i byområder end i naturområder, hvilket tyder på, at urbanisering øgede andelen af ​​ikke-biologiske partikler i luften (f.eks. støv).

Patogenerne med den højeste dødelighedsrisiko, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa og Enterobacter arter (ESKAPE), var mere almindelige i byluft. Det samtidige netværk af luftbårne bakteriesamfund i byerne antydede, at menneskeskabte påvirkninger destabiliserede deres netværksstruktur, hvilket igen ændrede den bakterielle taksonomiske sammensætning.

Forfatterne fandt, at flere faktorer påvirkede luftbårne bakteriesamfund - for eksempel geografiske placeringer sammen med typiske miljøfaktorer. De biotiske interaktioner mellem keystone og kernebakteriesamfund og bakterierigdom interagerede betydeligt. Af alle deterministiske processer var miljøfiltrering den vigtigste determinant for strukturen og fordelingen af ​​luftbårne mikrobielle samfund.

Konklusioner

Sammenfattende stammer næsten 46,3% af luftbårne bakterier fra miljøet, og stokastiske processer har primært formet samfundsdannelsen. Desuden har luftbårne bakteriers kendetegn i byområder været den stigende andel af potentielle patogener fra menneskerelaterede kilder. Endelig påvirkede luftbårne bakterielle kildeprofiler en signifikant højere procentdel af strukturelle variationer end dem for luftkvalitet og lokale meteorologiske forhold (43,7 % versus 29,4 % og 25,8 %), som vurderet ved variationsfordelingsanalyse (VPA).

Reference:

• 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

.