Bakterijos, kuriomis kvėpuojame kiekvieną dieną

Bakterijos, kuriomis kvėpuojame kiekvieną dieną

Neseniai žurnale paskelbtame tyrime PNAS Tyrėjai ištyrė pasaulines ore esančias bakterijų bendruomenes, kad suprastų jų bendruomenės struktūrą ir biogeografinio pasiskirstymo modelius. Be to, jie ištyrė jų sąveiką su kitais Žemės mikrobiomais, ypač paviršiaus buveinėmis.

Sužinokite: Pasaulinė oro bakterijų bendruomenė – sąveika su Žemės mikrobiomais ir antropogeninė veikla. Vaizdo kreditas: „Lightspring“ / „Shutterstock“.

fone

Atmosfera yra pati nesugadinta mikrobų buveinė Žemėje, o ore esančios bakterijos yra sudėtingiausios ir dinamiškiausios bendruomenės, darančios įtaką Žemės mikrobiomams. Ore yra daugiau nei 1 × 104 bakterijų ląstelių/m3 ir šimtai unikalių taksonų. Didelio masto tyrimai sistemingai dokumentavo mikrobų savybes dirvožemyje, vandenynuose ir žmonių atliekose. Jie taip pat pasiūlė ryšį tarp ore esančių mikrobiomų ir paviršiaus aplinkos. Tačiau trūksta tyrimų, kuriuose būtų dokumentuojami ore plintantys mikroorganizmai, ypač kalbant apie jų bendruomenės struktūrą.

Mikrobai negyvena atskirai. Vietoj to, jie turi daugybę ekologinių santykių nuo abipusiškumo iki konkurencijos. Todėl nustatant jų biogeografinio pasiskirstymo modelius ir sąveiką su kitais Žemės mikrobiomais, apibrėžiančiais jų kilmę, būtų galima išsiaiškinti klimato / aplinkos pokyčių ir antropogeninės veiklos poveikį.

Apie studijas

Šiame tyrime mokslininkai pirmiausia sukūrė pasaulinį duomenų rinkinį apie ore esančias bakterijas, kad įvertintų jų bendrumo ir tarpusavio ryšio laipsnį. Į šį duomenų rinkinį buvo įtraukti 76 naujai surinkti oro dalelių mėginiai kartu su 294 mėginiais, surinktais ankstesniems tyrimams 63 vietose visame pasaulyje. Mėginių ėmimo vietos skyrėsi pagal aukštį ir geografiją – žemės lygis, stogai (nuo 1,5 m iki 25 m aukščio) iki 5 380 m virš jūros lygio iškilę kalnai, tankiai apgyvendinti miestų miestai ir atokus poliarinis ratas.

Palyginimui komanda gavo duomenų rinkinį iš Žemės mikrobiomų projekto (EMP), kuris surinko daugiau nei 5000 mėginių iš 23 paviršiaus aplinkų. Oro bakterijų informaciniame kataloge buvo daugiau nei 27 milijonai nereikalingų 16S ribosomų RNR (rRNR) genų sekų.

Be to, mokslininkai sukūrė pasaulinį ore vykstančių bendruomenių bendrų įvykių tinklą, kuris apėmė 5038 reikšmingus koreliacinius ryšius (Spearmano ρ > 0,6) tarp 482 susijusių operatyvinių taksonominių vienetų (OTU). OTU yra analitiniai vienetai, sugrupuoti pagal DNR sekos panašumą mikrobų ekologijoje. Galiausiai, komanda naudojo struktūrinių lygčių modeliavimą (SEM), kad ištirtų mechanizmus, skatinančius mikrobų bendruomenes. Jie taip pat apskaičiavo bendrą aplinkos filtrų ir bakterijų sąveikos poveikį bendruomenės dizainui.

Pasaulyje paskirstytų ore esančių bakterijų bendruomenių struktūra. (A) Vietos, kuriose visame pasaulyje buvo renkami oro mėginiai ir aplinkos duomenys. (B) pasaulinių pagrindinių OTU skaičius, dalis ir santykinis gausa, palyginti su likusių bakterinių OTU. (C) pasaulinių pagrindinių bakterijų taksonominė sudėtis prieglobsčio ir klasės lygiais. (D) Pasaulinis ore plintančių bakterijų bendruomenės bendrų atvejų tinklas. Ryšiai (kraštai) rodo stiprią (Spearmano ρ > 0,6) ir reikšmingą (p < 0,01) koreliaciją. Mazgai vaizduoja kombinuotus OTU su unikaliomis genties lygio anotacijomis duomenų rinkiniuose. Kiekvieno mazgo dydis buvo proporcingas vidutiniam santykiniam gausumui 370 mėginių. Mazgai buvo nudažyti bakterijų padermėmis. (E) „Mažojo tinklo“ identifikavimas, pagrįstas „mažo pasaulio“ indeksu ir vidutiniu trumpiausiu pasaulinio bakterijų bendruomenės tinklo kelio ilgiu oro, jūros ir dirvožemio aplinkoje. (F) Laipsnis – kiekvieno koįvykio tinklo mazgo tarpiškumo centriškumo grafikas. Raudoni mazgai laikomi kertinėmis rūšimis. Mazgų dydis rodo santykines OTU proporcijas visame mikrobiome.

Studijų rezultatai

Iš 370 atskirų oro mėginių buvo aptikti 10 897 taksonai, o dauguma bakterijų sekų priklausė penkioms filoms. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria ir Bacteroidetes sudarė atitinkamai 24,8%, 19,7%, 18,4%, 18,1% ir 8,6% šių bakterijų sekų. Gausumo ir užimtumo santykis (AOR) tarp mėginių, kuriuos užima bakterijų taksonas, ir jo vidutinės masės pasaulio ore parodė sigmoidinę kreivę, panašią į stebimą laukinės gamtos ir augalų pasiskirstymo Žemėje modelį.

Oras yra laisvai tekanti, dinamiška ekosistema, leidžianti palaikyti bakterijų bendruomenių transportavimą dideliais atstumais. Tačiau atrodė, kad jos bakterijų bendruomenė yra gerai susijusi su vietine aplinka, ypač šaltinių indėliu ir oro kokybės sąlygomis, atsirandančiomis dėl antropogeninės veiklos. Sumažėjęs filtravimo poveikis iš aplinkos ir padidėjęs su žmonėmis susijusių šaltinių indėlis sumažino biomasės apkrovą, didesnį patogeninių bakterijų dažnį ir destabilizavo tinklo struktūras.

Pažymėtina, kad ore plintančios bakterijos nebuvo glaudžiai sujungtos, palyginti su jų kolegomis viršutiniame dirvožemio sluoksnyje ir jūroje, o vidutinis intramazgų ryšys buvo 5, 24. Jie turėjo atsitiktinį klasterizacijos metodą, o topologijos atsparumas pokyčiams buvo mažas. Stebėti tolimi ryšiai ir laisvos tinklo grupės rodo, kad ore esančių bakterijų bendruomenė greičiausiai bus sutrikdyta, atsižvelgiant į aplinkos sąlygas, o tai paprastai lemia drastiškus bakterijų sudėties pokyčius. Atmosferos bakterijų taksonų funkcijos buvo padarytos remiantis jų genetine informacija kitose buveinėse.

Omics e-knyga

Populiariausių praėjusių metų interviu, straipsnių ir naujienų rinkinys. Atsisiųsti nemokamą kopiją

Komanda nustatė galimus ryšius tarp ore esančių bakterijų bendruomenių ir kitų paviršinių mikrobų buveinių. Apskaičiuotas bendras ore plintančių bakterijų (1, 72 × 1024 ląstelių) gausumas buvo panašus į hidrosferos gausą ir nuo vieno iki trijų laipsnių mažesnis nei kitose buveinėse (pvz., Dirvožemyje).

Iš 23 pagrindinių Žemės buveinių, ištirtų šiame tyrime, sausumos oras buvo labiau panašus į žmonių ir gyvūnų aplinką, o atviroje jūroje esantis oras glaudžiau susijęs su vandenynų sistemomis. Be to, įvertinimai, pagrįsti Bajeso metodais, parodė, kad atitinkamos paviršiaus aplinkos savybės nulėmė dominuojančius ore esančių bakterijų šaltinius. Pažymėtina, kad žmonių šaltiniai labiau prisidėjo prie ore plintančių bakterijų miestuose, ypač sausumos vietose, o ankstesniuose išmetamųjų teršalų modeliavimo tyrimuose ši išvada iš esmės buvo ignoruojama.

Oro bakterijų vaidmuo Žemės mikrobų pasaulyje. (A) Pasaulinio mikrobų gausos ir turtingumo įvairiose buveinėse įvertinimas. Pasaulinis turtingumas (S) ir bendras gausumas (N) atitinkamose buveinėse rodo mastelio ryšį (punktyrinė oranžinė linija yra 95 % prognozės intervalas). Turtingumas buvo prognozuojamas pagal lognormalų modelį, naudojant Nmax, gautą iš mūsų sekos duomenų (užpildyti apskritimai), arba Nmax, numatytą pagal dominavimo mastelio dėsnį (atviri apskritimai). Apskaičiuotos S ir N vertės kiekvienai buveinei iš esmės yra pasaulinė suma. Kai kurie S ir N buvo gauti iš ankstesnių tyrimų. (B) Bray-Curtis pagrindu sukurtas nemetrinis daugiamatis mastelio brėžinys (NMDS) rodo, kad skirtingose ​​mikrobų buveinėse Žemėje gyvena skirtingos bakterijų bendruomenės (n = 5 189). Bray-Curtis atstumas buvo apskaičiuotas taip, kad atspindėtų bakterijų bendruomenių sudėties skirtumus. (C) Žemės bakterijų bendro atsiradimo tinklas rodo ryšį tarp 23 pagrindinių mikrobų buveinių. Ryšiai (kraštai) rodo stiprią (Spearmano ρ > 0,7) ir reikšmingą (p < 0,01) koreliaciją. Linijų storis parodo Spearmano ρ reikšmę. Aplinka buvo suskirstyta į tris grupes su skirtingomis spalvomis naudojant moduliavimą. (D) Visuotinė ore plintančių bakterijų šaltinio analizė. Galimo skirtingų aplinkų bakterijų genčių įnašo į ore esančias bakterijų bendruomenes miestuose, sausumoje ir atviroje jūroje, atitinkamai, procentas pasauliniu mastu.

Autoriai nenustatė reikšmingų skirtumų tarp ore esančių bakterijų bendruomenių turtingumo tarp miesto ir gamtos teritorijų toje pačioje platumos diapazone. Tačiau geografinė padėtis suvaidino tam tikrą vaidmenį. Bakterijų bendrijų vienodumas miesto ore buvo žymiai mažesnis. Pavyzdžiui, patogeninių rūšių, Burkholderia ir Pseudomonas, santykinis gausumas miestuose buvo didesnis nei natūraliose vietovėse (5,56 ir 2,50 %, palyginti su 1,44 ir 1,11 %). Be to, bakterijos mažiau prisidėjo prie kietųjų dalelių (PM) masės miestuose nei natūraliose vietovėse, o tai rodo, kad dėl urbanizacijos padidėjo nebiologinių dalelių (pvz., dulkių) dalis ore.

Didžiausią mirtingumo riziką turintys sukėlėjai – Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa ir Enterobacter rūšys (ESKAPE) buvo labiau paplitę miestų ore. Miesto ore esančių bakterijų bendruomenių tinklas parodė, kad antropogeninės įtakos destabilizavo jų tinklo struktūrą, o tai savo ruožtu pakeitė ir bakterijų taksonominę sudėtį.

Autoriai nustatė, kad keli veiksniai paveikė ore esančias bakterijų bendruomenes, pavyzdžiui, geografines vietas ir tipiškus aplinkos veiksnius. Biotinė sąveika tarp kertinių akmenų ir pagrindinių bakterijų bendruomenių bei bakterijų turtingumo labai sąveikavo. Iš visų deterministinių procesų aplinkos filtravimas buvo svarbiausias ore esančių mikrobų bendruomenių struktūrą ir pasiskirstymą lemiantis veiksnys.

Išvados

Apibendrinant galima pasakyti, kad beveik 46, 3% ore esančių bakterijų atsirado iš aplinkos, o stochastiniai procesai pirmiausia formavo bendruomenės formavimąsi. Be to, skiriamasis oru plintančių bakterijų miesto vietovėse bruožas buvo didėjanti galimų patogenų iš su žmonėmis susijusių šaltinių dalis. Galiausiai, ore plintančių bakterijų šaltinių profiliai įtakojo žymiai didesnį struktūrinių svyravimų procentą nei oro kokybės ir vietinių meteorologinių sąlygų (43,7 %, palyginti su 29,4 % ir 25,8 %), įvertinus variacinio pasiskirstymo analize (VPA).

Nuoroda:

• 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

.