De bacteriën die we dagelijks inademen

De bacteriën die we dagelijks inademen

Dat blijkt uit een onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd PNAS Onderzoekers onderzochten mondiale bacteriegemeenschappen in de lucht om hun gemeenschapsstructuur en biogeografische verspreidingspatronen te begrijpen. Daarnaast onderzochten ze hun interacties met andere microbiomen op aarde, met name oppervlaktehabitats.

Leren: Mondiale bacteriële gemeenschap in de lucht – interacties met de microbiomen van de aarde en antropogene activiteiten. Afbeelding tegoed: Lightspring/Shutterstock

achtergrond

De atmosfeer is de meest ongerepte microbiële habitat op aarde, en bacteriën in de lucht zijn de meest complexe en dynamische gemeenschappen die de microbiomen van de aarde beïnvloeden. Er zijn meer dan 1 × 104 bacteriecellen/m3 en honderden unieke taxa in de lucht. Grootschalige studies hebben systematisch de microbiële kenmerken in bodems, oceanen en menselijk afval gedocumenteerd. Ze hebben ook een verband gesuggereerd tussen microbiomen in de lucht en oppervlakteomgevingen. Er is echter een gebrek aan studies die micro-organismen in de lucht documenteren, vooral wat betreft hun gemeenschapsstructuur.

Microben leven niet geïsoleerd. In plaats daarvan hebben ze meerdere ecologische relaties, variërend van mutualisme tot concurrentie. Daarom zou het bepalen van hun biogeografische verspreidingspatronen en interacties met andere microbiomen op aarde die hun oorsprong bepalen, licht kunnen werpen op de effecten van klimaatverandering/milieuverandering en antropogene activiteiten.

Over studeren

In de huidige studie ontwikkelden onderzoekers eerst een mondiale dataset over bacteriën in de lucht om hun mate van gemeenschappelijkheid en onderlinge relatie te beoordelen. Deze dataset omvatte 76 nieuw verzamelde luchtdeeltjesmonsters gecombineerd met 294 monsters verzameld voor eerdere onderzoeken op 63 locaties wereldwijd. Bemonsteringslocaties varieerden in hoogte en geografie en omvatten grondniveau, daken (van 1,5 m tot 25 m hoog) tot bergen 5.380 m boven zeeniveau, dichtbevolkte stedelijke steden en de afgelegen poolcirkel.

Het team heeft de dataset ter vergelijking verkregen van het Earth Microbiome Project (EMP), dat meer dan 5.000 monsters heeft verzameld uit 23 oppervlakteomgevingen. De bacteriële referentiecatalogus in de lucht bevatte meer dan 27 miljoen niet-redundante 16S ribosomaal RNA (rRNA) gensequenties.

Bovendien construeerden onderzoekers een mondiaal netwerk voor gelijktijdige voorvallen in de lucht, dat 5.038 significante correlatierelaties omvatte (Spearman's ρ> 0,6) tussen 482 geassocieerde operationele taxonomische eenheden (OTU's). OTU's zijn analytische eenheden gegroepeerd op DNA-sequentie-overeenkomst in de microbiële ecologie. Ten slotte gebruikte het team structurele vergelijkingsmodellering (SEM) om de mechanismen te onderzoeken die microbiële gemeenschappen aandrijven. Ze berekenden ook het totale effect van omgevingsfilters en bacteriële interacties op het gemeenschapsontwerp.

De structuur van wereldwijd verspreide bacteriegemeenschappen in de lucht. (A) Locaties waar wereldwijd luchtmonsters en milieugegevens werden verzameld. (B) Het aantal, het aandeel en de relatieve overvloed van mondiale kern-OTU's vergeleken met die van de resterende bacteriële OTU's. (C) De taxonomische samenstelling van mondiale kernbacteriën op fylum- en klasseniveau. (D) Het wereldwijde co-voorkomensnetwerk van de bacteriële gemeenschap in de lucht. De verbindingen (randen) vertegenwoordigen een sterke (Spearman's ρ > 0,6) en significante (p <0,01) correlatie. De knooppunten vertegenwoordigen de gecombineerde OTU's met unieke annotaties op geslachtsniveau in de datasets. De grootte van elk knooppunt was evenredig met de gemiddelde relatieve overvloed over 370 monsters. De knooppunten werden gekleurd door de stammen van de bacterie. (E) Identificatie van 'klein netwerk' op basis van een 'smallworldness'-index en de gemiddelde kortste padlengte van het wereldwijde bacteriële gemeenschapsnetwerk in lucht-, zee- en bodemomgevingen. (F) Graad – de betweenness-centraliteitsgrafiek van elk knooppunt in het co-occurrence-netwerk. De knooppunten in het rood worden beschouwd als hoeksteensoorten. De grootte van de knooppunten geeft de relatieve verhoudingen van OTU's in het gehele microbioom aan.

Studieresultaten

Er werden 10.897 taxa gedetecteerd uit 370 individuele luchtmonsters, en de meeste bacteriële sequenties behoorden tot vijf phyla. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria en Bacteroidetes waren respectievelijk verantwoordelijk voor 24,8%, 19,7%, 18,4%, 18,1% en 8,6% van deze bacteriële sequenties. De relatie tussen de hoeveelheid en de bezetting (AOR) tussen de monsters die door een bacterieel taxon worden ingenomen en de gemiddelde massa ervan in de mondiale lucht vertoonde een sigmoïde curve, vergelijkbaar met het waargenomen patroon voor de verspreiding van wilde dieren en planten op aarde.

Lucht is een vrij stromend, dynamisch ecosysteem dat transport over lange afstanden mogelijk maakt van de bacteriële gemeenschappen die het ondersteunt. De bacteriële gemeenschap leek echter goed verbonden te zijn met de lokale omgeving, met name de bronbijdragen en de luchtkwaliteitsomstandigheden als gevolg van antropogene activiteiten. Verminderde filtereffecten uit de omgeving en grotere bijdragen van menselijke bronnen hebben geleid tot lagere biomassabelastingen, hogere frequenties van pathogene bacteriën en meer gedestabiliseerde netwerkstructuren.

Met name bacteriën in de lucht waren niet nauw met elkaar verbonden in vergelijking met hun tegenhangers in de bovengrond en in het mariene milieu, en hadden een gemiddelde intranode-connectiviteit van 5,24. Ze hadden een willekeurige clusterbenadering en de topologie had een lage weerstand tegen verandering. De waargenomen verre relaties en losse clusters van het netwerk suggereerden dat de kans groter is dat de bacteriële gemeenschap in de lucht wordt verstoord, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden, wat meestal leidt tot drastische veranderingen in de bacteriële samenstelling. De functies van atmosferische bacteriële taxa zijn afgeleid op basis van hun genetische informatie in andere habitats.

Omics e-boek

Compilatie van de beste interviews, artikelen en nieuws van het afgelopen jaar. Download een gratis exemplaar

Het team vond mogelijke associaties tussen bacteriële gemeenschappen in de lucht en andere microbiële habitats aan het oppervlak. De geschatte totale overvloed aan bacteriën in de lucht (1,72 x 1024 cellen) was vergelijkbaar met die van de hydrosfeer en één tot drie ordes van grootte lager dan in andere habitats (bijvoorbeeld de bodem).

Van de 23 grote habitats op aarde die in het huidige onderzoek zijn onderzocht, vertoonde de terrestrische lucht een grotere gelijkenis met de menselijke en dierlijke omgeving, terwijl de offshore-lucht een nauwere relatie vertoonde met oceanische systemen. Bovendien toonden evaluaties op basis van Bayesiaanse methoden aan dat de kenmerken van de overeenkomstige oppervlakteomgeving de dominante bronnen van bacteriën in de lucht bepaalden. Met name menselijke bronnen droegen meer bij aan bacteriën in de lucht in stedelijke gebieden, vooral op locaties op het land, een bevinding die in eerdere onderzoeken naar emissiemodellen grotendeels werd genegeerd.

De rol van bacteriën in de lucht in de microbiële wereld van de aarde. (A) Schatting van de mondiale microbiële overvloed en rijkdom in verschillende habitats. De mondiale rijkdom (S) en de totale overvloed (N) in de overeenkomstige habitats vertonen een schaalrelatie (de oranje stippellijn is het voorspellingsinterval van 95%). De rijkdom werd voorspeld op basis van het lognormale model met behulp van Nmax afgeleid van onze sequentiegegevens (gevulde cirkels) of Nmax voorspeld op basis van de dominantieschalingswet (open cirkels). De geschatte S- en N-waarden voor elke habitat zijn inherent een globale som. Sommige S en N zijn afgeleid van eerdere onderzoeken. (B) Een op Bray-Curtis gebaseerde niet-metrische multidimensionale schaalgrafiek (NMDS) laat zien dat verschillende microbiële habitats verschillende bacteriegemeenschappen op aarde herbergen (n = 5.189). De Bray-Curtis-afstand werd berekend om verschillen in de samenstelling van bacteriegemeenschappen weer te geven. (C) Het bacteriële co-voorkomensnetwerk op aarde toont de relaties van connectiviteit tussen 23 grote microbiële habitats. De verbindingen (randen) vertegenwoordigen een sterke (Spearman's ρ > 0,7) en significante (p <0,01) correlatie. De dikte van de lijnen vertegenwoordigt de waarde van Spearman's ρ. Door middel van modularisatie zijn de omgevingen geclusterd in drie groepen met verschillende kleuren. (D) Globale analyse van bacteriële bron in de lucht. Percentage potentiële bijdragen van bacteriegeslachten uit verschillende omgevingen aan bacteriegemeenschappen in de lucht in respectievelijk stedelijke, terrestrische achtergronden en offshore-gebieden op mondiale schaal.

De auteurs vonden geen significante verschillen in de rijkdom aan bacteriële gemeenschappen in de lucht tussen stedelijke en natuurgebieden binnen hetzelfde breedtegraadbereik. De geografische locatie speelde echter een rol. De uniformiteit van de bacteriegemeenschappen in de stadslucht was aanzienlijk lager. De relatieve overvloed aan pathogene soorten, Burkholderia en Pseudomonas, was bijvoorbeeld hoger in stedelijke gebieden dan in natuurgebieden (5,56 en 2,50% versus 1,44 en 1,11%). Bovendien droegen bacteriën in stedelijke gebieden minder bij aan de fijnstofmassa dan in natuurgebieden, wat erop wijst dat door de verstedelijking het aandeel niet-biologische deeltjes in de lucht (bijvoorbeeld stof) is toegenomen.

De ziekteverwekkers met het hoogste sterfterisico, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa en Enterobacter-soorten (ESKAPE), kwamen vaker voor in de stedelijke lucht. Het naast elkaar voorkomende netwerk van bacteriële gemeenschappen in de lucht suggereerde dat antropogene invloeden hun netwerkstructuur destabiliseerden, wat op zijn beurt ook de bacteriële taxonomische samenstelling veranderde.

De auteurs ontdekten dat verschillende factoren de bacteriële gemeenschappen in de lucht beïnvloedden, bijvoorbeeld geografische locaties en typische omgevingsfactoren. De biotische interacties tussen keystone- en kernbacteriegemeenschappen en bacteriële rijkdom hadden een significante wisselwerking. Van alle deterministische processen was omgevingsfiltering de belangrijkste bepalende factor voor de structuur en verspreiding van microbiële gemeenschappen in de lucht.

Conclusies

Samenvattend is bijna 46,3% van de bacteriën in de lucht afkomstig uit het milieu, en stochastische processen hebben in de eerste plaats de vorming van gemeenschappen bepaald. Bovendien is het onderscheidende kenmerk van bacteriën in de lucht in stedelijke gebieden het toenemende aandeel potentiële ziekteverwekkers uit menselijke bronnen. Ten slotte beïnvloedden bacteriële bronprofielen in de lucht een aanzienlijk hoger percentage structurele variaties dan die voor luchtkwaliteit en lokale meteorologische omstandigheden (43,7% versus 29,4% en 25,8%), zoals beoordeeld door variatieverdelingsanalyse (VPA).

Referentie:

• 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

.