Baktērijas, kuras mēs ieelpojam katru dienu

Baktērijas, kuras mēs ieelpojam katru dienu

Pētījumā, kas nesen publicēts žurnālā PNAS Pētnieki pārbaudīja globālās gaisa baktēriju kopienas, lai izprastu to kopienas struktūru un bioģeogrāfiskās izplatības modeļus. Turklāt viņi pārbaudīja to mijiedarbību ar citiem Zemes mikrobiomiem, īpaši ar virsmas biotopiem.

Uzziniet: Globālā gaisa baktēriju kopiena – mijiedarbība ar Zemes mikrobiomiem un antropogēnajām aktivitātēm. Attēla kredīts: Lightspring/Shutterstock

fons

Atmosfēra ir visspilgtākā mikrobu dzīvotne uz Zemes, un gaisā esošās baktērijas ir vissarežģītākās un dinamiskākās kopienas, kas ietekmē Zemes mikrobiomas. Gaisā ir vairāk nekā 1 × 104 baktēriju šūnas/m3 un simtiem unikālu taksonu. Liela mēroga pētījumi ir sistemātiski dokumentējuši mikrobu īpašības augsnēs, okeānos un cilvēku atkritumos. Viņi ir arī ierosinājuši korelāciju starp gaisa mikrobiomiem un virsmas vidi. Tomēr trūkst pētījumu, kas dokumentētu gaisā esošos mikroorganismus, jo īpaši attiecībā uz to kopienas struktūru.

Mikrobi nedzīvo izolēti. Tā vietā viņiem ir vairākas ekoloģiskas attiecības, sākot no savstarpējas attieksmes līdz konkurencei. Tāpēc, nosakot to bioģeogrāfiskās izplatības modeļus un mijiedarbību ar citiem Zemes mikrobiomiem, kas nosaka to izcelsmi, varētu noskaidrot klimata / vides pārmaiņu un antropogēno darbību ietekmi.

Par mācībām

Šajā pētījumā pētnieki vispirms izstrādāja globālu datu kopu par gaisā esošām baktērijām, lai novērtētu to kopības un savstarpējās attiecības pakāpi. Šajā datu kopā tika iekļauti 76 nesen savākti gaisa daļiņu paraugi kopā ar 294 paraugiem, kas savākti iepriekšējiem pētījumiem 63 vietās visā pasaulē. Paraugu ņemšanas vietas atšķīrās augstumā un ģeogrāfijas ziņā un ietvēra zemes līmeni, jumtus (augstums no 1,5 m līdz 25 m) līdz kalniem 5380 m virs jūras līmeņa, blīvi apdzīvotas pilsētu pilsētas un attālo polāro loku.

Komanda ieguva datu kopu salīdzināšanai no Zemes mikrobioma projekta (EMP), kurā ir savākti vairāk nekā 5000 paraugu no 23 virsmas vidēm. Gaisa baktēriju atsauces katalogā bija vairāk nekā 27 miljoni nelieku 16S ribosomu RNS (rRNS) gēnu sekvences.

Turklāt pētnieki izveidoja globālu gaisa kopienas līdzāsparādīšanos tīklu, kas ietvēra 5038 nozīmīgas korelācijas attiecības (Spīrmena ρ > 0,6) starp 482 saistītām operatīvajām taksonomijas vienībām (OTU). OTU ir analītiskas vienības, kas sagrupētas pēc DNS sekvences līdzības mikrobu ekoloģijā. Visbeidzot, komanda izmantoja strukturālo vienādojumu modelēšanu (SEM), lai izpētītu mehānismus, kas virza mikrobu kopienas. Viņi arī aprēķināja vides filtru un baktēriju mijiedarbības kopējo ietekmi uz kopienas dizainu.

Globāli izplatīto gaisa baktēriju kopienu struktūra. (A) Vietas, kur tika savākti gaisa paraugi un vides dati visā pasaulē. (B) Globālo galveno OTU skaits, proporcija un relatīvais daudzums, salīdzinot ar atlikušo baktēriju OTU. (C) Globālo kodolbaktēriju taksonomiskais sastāvs patvēruma un klases līmenī. (D) Gaisa baktēriju kopienas globālais līdzāsparādīšanās tīkls. Savienojumi (malas) atspoguļo spēcīgu (Spīrmena ρ > 0,6) un nozīmīgu (p < 0,01) korelāciju. Mezgli attēlo kombinētos OTU ar unikālām ģints līmeņa anotācijām datu kopās. Katra mezgla lielums bija proporcionāls vidējam relatīvajam skaitam 370 paraugos. Mezglus iekrāsoja baktēriju celmi. (E) “Mazā tīkla” identifikācija, kuras pamatā ir “mazās pasaules” indekss un globālā baktēriju kopienas tīkla vidējā īsākā ceļa garums gaisa, jūras un augsnes vidē. (F) Pakāpe – katra mezgla starpības centralitātes diagramma līdzāsparādīšanās tīklā. Sarkanās krāsas mezgli tiek uzskatīti par stūrakmens sugām. Mezglu izmērs norāda OTU relatīvās proporcijas visā mikrobiomā.

Studiju rezultāti

No 370 atsevišķiem gaisa paraugiem tika atklāti 10 897 taksoni, un lielākā daļa baktēriju sekvences piederēja piecām filām. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria un Bacteroidetes veidoja attiecīgi 24,8%, 19,7%, 18,4%, 18,1% un 8,6% no šīm baktēriju sekvencēm. Pārpilnības un noslogojuma attiecība (AOR) starp paraugiem, ko aizņem baktēriju taksons, un tā vidējo masu globālajā gaisā uzrādīja sigmoīdu līkni, kas ir līdzīga novērotajam savvaļas dzīvnieku un augu izplatības modelim uz Zemes.

Gaiss ir brīvi plūstoša, dinamiska ekosistēma, kas nodrošina atbalstīto baktēriju kopienu transportēšanu lielos attālumos. Tomēr tā baktēriju kopiena, šķiet, ir labi saistīta ar vietējo vidi, jo īpaši ar avotu ieguldījumu un gaisa kvalitātes apstākļiem, kas radušies antropogēno darbību rezultātā. Samazināts filtrēšanas efekts no vides un palielināts ar cilvēku saistīto avotu ieguldījums ir izraisījis zemāku biomasas slodzi, lielāku patogēno baktēriju biežumu un destabilizētākas tīkla struktūras.

Proti, gaisā esošās baktērijas nebija cieši saistītas, salīdzinot ar to kolēģēm augsnes virskārtā un jūras vidē, un to vidējā intranoda savienojamība bija 5, 24. Viņiem bija nejaušas klasterizācijas pieeja, un topoloģijai bija zema pretestība izmaiņām. Novērotās attālās attiecības un tīkla vaļīgās kopas liecināja, ka gaisa baktēriju kopiena, visticamāk, tiks traucēta atkarībā no vides apstākļiem, kas parasti izraisa krasas izmaiņas baktēriju sastāvā. Atmosfēras baktēriju taksonu funkcijas ir secinātas, pamatojoties uz to ģenētisko informāciju citos biotopos.

Omics e-grāmata

Pagājušā gada populārāko interviju, rakstu un ziņu apkopojums. Lejupielādējiet bezmaksas kopiju

Komanda atrada potenciālas saiknes starp gaisā esošām baktēriju kopienām un citiem virsmas mikrobu biotopiem. Aprēķinātais kopējais gaisā esošo baktēriju daudzums (1, 72 × 1024 šūnas) bija salīdzināms ar hidrosfēras daudzumu un par vienu līdz trim kārtām mazāks nekā citos biotopos (piemēram, augsnē).

No 23 galvenajām Zemes biotopiem, kas tika pārbaudīti pašreizējā pētījumā, sauszemes gaiss uzrādīja lielāku līdzību ar cilvēku un dzīvnieku vidi, savukārt jūras gaiss uzrādīja ciešāku saistību ar okeāna sistēmām. Turklāt novērtējumi, kas balstīti uz Bajesa metodēm, parādīja, ka atbilstošās virsmas vides īpašības noteica dominējošos gaisā esošo baktēriju avotus. Proti, cilvēku avoti ir vairāk veicinājuši gaisā esošās baktērijas pilsētu teritorijās, jo īpaši sauszemes vietās, un tas tika ignorēts iepriekšējos emisiju modelēšanas pētījumos.

Gaisa baktēriju loma Zemes mikrobu pasaulē. (A) Globālās mikrobu pārpilnības un bagātības novērtējums dažādos biotopos. Globālā bagātība (S) un kopējais pārpilnība (N) attiecīgajos biotopos uzrāda mērogošanas saistību (raustītā oranžā līnija ir 95% prognozēšanas intervāls). Bagātība tika prognozēta no lognormālā modeļa, izmantojot Nmax, kas iegūts no mūsu secības datiem (aizpildīti apļi), vai Nmax, kas prognozēts no dominējošā stāvokļa mērogošanas likuma (atvērtie apļi). Aprēķinātās S un N vērtības katram biotopam pēc būtības ir globāla summa. Daži S un N tika iegūti no iepriekšējiem pētījumiem. (B) Nemetrisks daudzdimensiju mērogošanas grafiks (NMDS), kura pamatā ir Bray-Curtis, parāda, ka dažādos mikrobu biotopos uz Zemes ir dažādas baktēriju kopienas (n = 5189). Bray-Curtis attālums tika aprēķināts, lai atspoguļotu atšķirības baktēriju kopienu sastāvā. (C) Zemes baktēriju līdzāsparādīšanās tīkls parāda savienojamības attiecības starp 23 galvenajiem mikrobu biotopiem. Savienojumi (malas) atspoguļo spēcīgu (Spīrmena ρ > 0,7) un nozīmīgu (p < 0,01) korelāciju. Līniju biezums atspoguļo Spīrmena ρ vērtību. Vides tika sagrupētas trīs grupās ar dažādām krāsām, izmantojot modularizāciju. (D) Gaisa baktēriju avota globālā analīze. Procentuālā daļa no baktēriju ģinšu iespējamā ieguldījuma no dažādām vidēm uz gaisa baktēriju kopienām attiecīgi pilsētu, sauszemes un piekrastes zonās globālā mērogā.

Autori neatrada būtiskas atšķirības gaisa baktēriju kopienu bagātībā starp pilsētu un dabas teritorijām vienā platuma diapazonā. Tomēr savu lomu spēlēja ģeogrāfiskā atrašanās vieta. Baktēriju kopienu vienveidība pilsētas gaisā bija ievērojami zemāka. Piemēram, patogēno sugu, Burkholderia un Pseudomonas, relatīvais daudzums pilsētu teritorijās bija augstāks nekā dabiskajās teritorijās (5, 56 un 2, 50% pret 1, 44 un 1, 11 %). Turklāt baktērijas mazāk ietekmēja daļiņu (PM) masu pilsētās nekā dabiskajās teritorijās, kas liecina, ka urbanizācija palielināja nebioloģisko daļiņu (piemēram, putekļu) īpatsvaru gaisā.

Pilsētu gaisā biežāk bija sastopami patogēni ar augstāko mirstības risku Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa un Enterobacter sugas (ESKAPE). Pilsētu gaisā esošo baktēriju kopienu līdzāspastāvēšanas tīkls liecināja, ka antropogēnas ietekmes destabilizēja to tīkla struktūru, kas savukārt mainīja arī baktēriju taksonomisko sastāvu.

Autori atklāja, ka vairāki faktori ietekmēja gaisā esošās baktēriju kopienas, piemēram, ģeogrāfiskās atrašanās vietas kopā ar tipiskiem vides faktoriem. Biotiskā mijiedarbība starp pamatakmens un pamata baktēriju kopienām un baktēriju bagātība būtiski mijiedarbojās. No visiem deterministiskajiem procesiem vides filtrēšana bija vissvarīgākais gaisa mikrobu kopienu struktūras un izplatības noteicējs.

Secinājumi

Kopumā gandrīz 46, 3% gaisā esošo baktēriju radās no vides, un stohastiskie procesi galvenokārt veidoja kopienas veidošanos. Turklāt gaisa baktēriju atšķirīgā iezīme pilsētu teritorijās ir pieaugošais potenciālo patogēnu īpatsvars no ar cilvēkiem saistītiem avotiem. Visbeidzot, gaisa baktēriju avotu profili ietekmēja ievērojami lielāku strukturālo izmaiņu procentuālo daļu nekā gaisa kvalitātes un vietējo meteoroloģisko apstākļu rādītāji (43,7% pret 29,4% un 25,8%), kā novērtēts ar variācijas sadalījuma analīzi (VPA).

Atsauce:

• 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

.