Las bacterias que respiramos todos los días.

Las bacterias que respiramos todos los días.

En un estudio publicado recientemente en la revista PNAS Los investigadores examinaron comunidades bacterianas globales transportadas por el aire para comprender su estructura comunitaria y patrones de distribución biogeográfica. Además, examinaron sus interacciones con otros microbiomas terrestres, en particular con los hábitats de la superficie.

Aprender: Comunidad bacteriana global en el aire: interacciones con los microbiomas de la Tierra y actividades antropogénicas. Crédito de la imagen: Lightspring/Shutterstock

fondo

La atmósfera es el hábitat microbiano más prístino de la Tierra, y las bacterias transportadas por el aire son las comunidades más complejas y dinámicas que influyen en los microbiomas de la Tierra. Hay más de 1 × 104 células bacterianas/m3 y cientos de taxones únicos en el aire. Estudios a gran escala han documentado sistemáticamente las características microbianas en suelos, océanos y desechos humanos. También han sugerido una correlación entre los microbiomas en el aire y los entornos superficiales. Sin embargo, faltan estudios que documenten los microorganismos transportados por el aire, particularmente en lo que respecta a su estructura comunitaria.

Los microbios no viven aislados. Más bien, tienen múltiples relaciones ecológicas que van desde el mutualismo hasta la competencia. Por lo tanto, determinar sus patrones de distribución biogeográfica y sus interacciones con otros microbiomas terrestres que definen su origen podría arrojar luz sobre los efectos del cambio climático/ambiental y las actividades antropogénicas.

Sobre estudiar

En el presente estudio, los investigadores desarrollaron primero un conjunto de datos globales sobre bacterias transmitidas por el aire para evaluar su grado de similitud e interrelación. Este conjunto de datos incluyó 76 muestras de partículas de aire recién recolectadas combinadas con 294 muestras recolectadas para estudios anteriores en 63 ubicaciones en todo el mundo. Los sitios de muestreo variaron en elevación y geografía e incluyeron el nivel del suelo, tejados (de 1,5 ma 25 m de altura) hasta montañas a 5.380 m sobre el nivel del mar, ciudades urbanas densamente pobladas y el remoto Círculo Polar Ártico.

El equipo obtuvo el conjunto de datos para comparar del Proyecto Microbioma Terrestre (EMP), que ha recolectado más de 5.000 muestras de 23 ambientes superficiales. El catálogo de referencia de bacterias transportadas por el aire contenía más de 27 millones de secuencias de genes de ARN ribosomal (ARNr) 16S no redundantes.

Además, los investigadores construyeron una red global de coexistencia de comunidades aéreas que incluía 5.038 relaciones de correlación significativas (ρ de Spearman > 0,6) entre 482 unidades taxonómicas operativas (OTU) asociadas. Las OTU son unidades analíticas agrupadas por similitud de secuencia de ADN en ecología microbiana. Finalmente, el equipo utilizó modelos de ecuaciones estructurales (SEM) para investigar los mecanismos que impulsan las comunidades microbianas. También calcularon el efecto general de los filtros ambientales y las interacciones bacterianas en el diseño de la comunidad.

La estructura de las comunidades bacterianas en el aire distribuidas globalmente. (A) Lugares donde se recolectaron muestras de aire y datos ambientales en todo el mundo. (B) El número, la proporción y la abundancia relativa de las OTU centrales globales en comparación con las de las OTU bacterianas restantes. (C) La composición taxonómica de las bacterias centrales globales a nivel de filo y clase. (D) La red global de coexistencia de la comunidad bacteriana transmitida por el aire. Las conexiones (bordes) representan una correlación fuerte (ρ de Spearman > 0,6) y significativa (p < 0,01). Los nodos representan las OTU combinadas con anotaciones únicas a nivel de género en los conjuntos de datos. El tamaño de cada nodo fue proporcional a la abundancia relativa media en 370 muestras. Los ganglios fueron teñidos por las cepas de la bacteria. (E) Identificación de "red pequeña" basada en un índice de "pequeño mundo" y la longitud promedio del camino más corto de la red global de comunidades bacterianas en ambientes aéreos, marinos y del suelo. (F) Grado: el gráfico de centralidad de intermediación de cada nodo en la red de coocurrencia. Los nodos en rojo se consideran especies clave. El tamaño de los nodos indica las proporciones relativas de OTU en todo el microbioma.

Resultados del estudio

Se detectaron 10.897 taxones en 370 muestras de aire individuales, y la mayoría de las secuencias bacterianas pertenecían a cinco filos. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria y Bacteroidetes representaron el 24,8%, 19,7%, 18,4%, 18,1% y 8,6% de estas secuencias bacterianas, respectivamente. La relación abundancia-ocupación (AOR) entre las muestras ocupadas por un taxón bacteriano y su masa promedio en el aire global mostró una curva sigmoidea, similar al patrón observado para la distribución de vida silvestre y plantas en la Tierra.

El aire es un ecosistema dinámico y de flujo libre que permite el transporte a larga distancia de las comunidades bacterianas que sustenta. Sin embargo, su comunidad bacteriana parecía estar bien conectada con el medio ambiente local, en particular con las contribuciones de las fuentes y las condiciones de calidad del aire resultantes de las actividades antropogénicas. La reducción de los efectos de filtrado del medio ambiente y el aumento de las contribuciones de fuentes relacionadas con el hombre han dado lugar a menores cargas de biomasa, mayores frecuencias de bacterias patógenas y estructuras de red más desestabilizadas.

En particular, las bacterias en el aire no estaban estrechamente conectadas en comparación con sus contrapartes en la capa superior del suelo y en ambientes marinos y tenían una conectividad intranodo promedio de 5,24. Tenían un enfoque de agrupación aleatoria y la topología tenía poca resistencia al cambio. Las relaciones distantes observadas y los grupos sueltos de la red sugirieron que es más probable que la comunidad bacteriana en el aire se altere dependiendo de las condiciones ambientales, que generalmente conducen a cambios drásticos en la composición bacteriana. Las funciones de los taxones de bacterias atmosféricas se han inferido a partir de su información genética en otros hábitats.

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El equipo encontró asociaciones potenciales entre las comunidades bacterianas en el aire y otros hábitats microbianos de superficie. La abundancia total estimada de bacterias en el aire (1,72 × 1024 células) fue comparable a la de la hidrosfera y de uno a tres órdenes de magnitud menor que en otros hábitats (por ejemplo, el suelo).

De los 23 principales hábitats de la Tierra examinados en el estudio actual, el aire terrestre mostró una mayor similitud con los entornos humanos y animales, mientras que el aire de alta mar mostró una relación más estrecha con los sistemas oceánicos. Además, las evaluaciones basadas en métodos bayesianos mostraron que las características del entorno superficial correspondiente determinaban las fuentes dominantes de bacterias en el aire. En particular, las fuentes humanas contribuyeron más a las bacterias transmitidas por el aire en las áreas urbanas, particularmente en ubicaciones terrestres, un hallazgo ignorado en gran medida en estudios anteriores de modelos de emisiones.

Papel de las bacterias transportadas por el aire en el mundo microbiano de la Tierra. (A) Estimación de la abundancia y riqueza microbiana global en diferentes hábitats. La riqueza global (S) y la abundancia total (N) en los hábitats correspondientes muestran una relación de escala (la línea naranja discontinua es el intervalo de predicción del 95%). La riqueza se predijo a partir del modelo lognormal utilizando Nmax derivado de nuestros datos de secuenciación (círculos rellenos) o Nmax predicho a partir de la ley de escala de dominancia (círculos abiertos). Los valores estimados de S y N para cada hábitat son inherentemente una suma global. Algo de S y N se derivaron de estudios previos. (B) Un gráfico de escalamiento multidimensional no métrico (NMDS) basado en Bray-Curtis muestra que diferentes hábitats microbianos albergan diferentes comunidades bacterianas en la Tierra (n = 5,189). Se calculó la distancia de Bray-Curtis para representar diferencias en la composición de las comunidades bacterianas. (C) La red de coexistencia bacteriana de la Tierra muestra las relaciones de conectividad entre 23 hábitats microbianos principales. Las conexiones (bordes) representan una correlación fuerte (ρ de Spearman > 0,7) y significativa (p < 0,01). El grosor de las líneas representa el valor de ρ de Spearman. Los ambientes se agruparon en tres grupos con diferentes colores mediante modularización. (D) Análisis global de la fuente bacteriana en el aire. Porcentaje de contribuciones potenciales de géneros bacterianos de diferentes ambientes a comunidades bacterianas en el aire en entornos urbanos, terrestres y áreas marinas, respectivamente, a escala global.

Los autores no encontraron diferencias significativas en la riqueza de comunidades bacterianas en el aire entre áreas urbanas y naturales dentro del mismo rango de latitud. Sin embargo, la ubicación geográfica influyó. La uniformidad de las comunidades bacterianas en el aire de la ciudad era significativamente menor. Por ejemplo, la abundancia relativa de especies patógenas, Burkholderia y Pseudomonas, fue mayor en las zonas urbanas que en las naturales (5,56 y 2,50% frente a 1,44 y 1,11%). Además, las bacterias contribuyeron menos a la masa de partículas (PM) en las áreas urbanas que en las áreas naturales, lo que sugiere que la urbanización aumentó la proporción de partículas no biológicas en el aire (por ejemplo, polvo).

Los patógenos con mayor riesgo de mortalidad, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa y Enterobacter sp. (ESKAPE), fueron más comunes en el aire urbano. La red de coexistencia de comunidades bacterianas urbanas transmitidas por el aire sugirió que las influencias antropogénicas desestabilizaron la estructura de su red, lo que a su vez también cambió la composición taxonómica bacteriana.

Los autores descubrieron que varios factores afectaban a las comunidades bacterianas transmitidas por el aire, por ejemplo, la ubicación geográfica junto con factores ambientales típicos. Las interacciones bióticas entre las comunidades bacterianas clave y central y la riqueza bacteriana interactuaron significativamente. De todos los procesos deterministas, el filtrado ambiental fue el determinante más importante de la estructura y distribución de las comunidades microbianas en el aire.

Conclusiones

En resumen, casi el 46,3% de las bacterias transmitidas por el aire se originaron en el medio ambiente y los procesos estocásticos dieron forma principalmente a la formación de comunidades. Además, la característica distintiva de las bacterias transmitidas por el aire en las zonas urbanas ha sido la creciente proporción de patógenos potenciales de origen humano. Finalmente, los perfiles de fuentes bacterianas en el aire influyeron en un porcentaje significativamente mayor de variaciones estructurales que los de la calidad del aire y las condiciones meteorológicas locales (43,7% versus 29,4% y 25,8%), según lo evaluado mediante análisis de distribución variacional (VPA).

Referencia:

• 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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