Bakterie, którymi oddychamy każdego dnia

Bakterie, którymi oddychamy każdego dnia

W badaniu opublikowanym niedawno w czasopiśmie PNAS Naukowcy zbadali globalne społeczności bakterii przenoszonych drogą powietrzną, aby poznać ich strukturę i biogeograficzne wzorce rozmieszczenia. Ponadto zbadali ich interakcje z innymi mikrobiomami Ziemi, w szczególności z siedliskami powierzchniowymi.

Uczyć się: Globalna społeczność bakterii przenoszonych drogą powietrzną – interakcje z mikrobiomami Ziemi i działalność antropogeniczna. Źródło obrazu: Lightspring/Shutterstock

tło

Atmosfera jest najbardziej dziewiczym siedliskiem drobnoustrojów na Ziemi, a bakterie unoszące się w powietrzu to najbardziej złożone i dynamiczne społeczności wpływające na mikrobiomy Ziemi. W powietrzu znajduje się ponad 1 × 104 komórek bakteryjnych/m3 i setki unikalnych taksonów. Badania na dużą skalę systematycznie dokumentują charakterystykę mikrobiologiczną gleb, oceanów i odpadów ludzkich. Zasugerowali również korelację między mikrobiomami unoszącymi się w powietrzu a środowiskami powierzchniowymi. Brakuje jednak badań dokumentujących mikroorganizmy przenoszone drogą powietrzną, szczególnie w odniesieniu do ich struktury zbiorowiskowej.

Mikroby nie żyją w izolacji. Zamiast tego mają wiele relacji ekologicznych, od mutualizmu po konkurencję. Dlatego określenie wzorców ich biogeograficznego rozmieszczenia i interakcji z innymi mikrobiomami Ziemi, które definiują ich pochodzenie, mogłoby rzucić światło na skutki zmian klimatycznych/środowiskowych i działalności antropogenicznej.

O studiowaniu

W niniejszym badaniu naukowcy najpierw opracowali globalny zbiór danych na temat bakterii przenoszonych drogą powietrzną, aby ocenić stopień ich podobieństwa i wzajemnych powiązań. Ten zbiór danych obejmował 76 nowo pobranych próbek cząstek powietrza w połączeniu z 294 próbkami pobranymi na potrzeby poprzednich badań w 63 lokalizacjach na całym świecie. Miejsca pobierania próbek różniły się pod względem wysokości i położenia geograficznego i obejmowały poziom gruntu, dachy (od 1,5 m do 25 m wysokości) aż do gór na wysokości 5380 m nad poziomem morza, gęsto zaludnione miasta miejskie i odległe koło podbiegunowe.

Zespół uzyskał zestaw danych do porównania z projektu Earth Microbiome Project (EMP), w ramach którego zebrano ponad 5000 próbek z 23 środowisk powierzchniowych. Katalog referencyjny bakterii unoszących się w powietrzu zawierał ponad 27 milionów zbędnych sekwencji genów 16S rybosomalnego RNA (rRNA).

Ponadto badacze skonstruowali globalną sieć współwystępowań społeczności powietrznych, która obejmowała 5038 znaczących relacji korelacyjnych (ρ Spearmana > 0,6) pomiędzy 482 powiązanymi operacyjnymi jednostkami taksonomicznym (OTU). OTU to jednostki analityczne pogrupowane według podobieństwa sekwencji DNA w ekologii drobnoustrojów. Na koniec zespół wykorzystał modelowanie równań strukturalnych (SEM) do zbadania mechanizmów napędzających społeczności drobnoustrojów. Obliczyli także ogólny wpływ filtrów środowiskowych i interakcji bakterii na projekt społeczności.

Struktura globalnie rozproszonych zbiorowisk bakterii unoszących się w powietrzu. (A) Miejsca, w których pobrano próbki powietrza i dane środowiskowe na całym świecie. (B) Liczba, proporcja i względna liczebność globalnych rdzeniowych OTU w porównaniu z pozostałymi bakteryjnymi OTU. (C) Skład taksonomiczny globalnych bakterii rdzeniowych na poziomie gromady i klasy. (D) Globalna sieć współwystępowania społeczności bakterii unoszących się w powietrzu. Połączenia (krawędzie) reprezentują silną (ρ Spearmana > 0,6) i istotną (p < 0,01) korelację. Węzły reprezentują połączone OTU z unikalnymi adnotacjami na poziomie rodzaju w zbiorach danych. Rozmiar każdego węzła był proporcjonalny do średniej względnej liczebności w 370 próbkach. Węzły zostały zabarwione przez szczepy bakterii. (E) Identyfikacja „małej sieci” w oparciu o wskaźnik „małego świata” i średnią najkrótszą długość ścieżki globalnej sieci społeczności bakteryjnych w środowisku powietrznym, morskim i glebowym. (F) Stopień – wykres centralności pomiędzy każdym węzłem w sieci współwystępowania. Węzły zaznaczone na czerwono są uważane za gatunki zwornikowe. Rozmiar węzłów wskazuje względne proporcje OTU w całym mikrobiomie.

Wyniki badań

W 370 pojedynczych próbkach powietrza wykryto 10 897 taksonów, a większość sekwencji bakteryjnych należała do pięciu typów. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria i Bacteroidetes stanowiły odpowiednio 24,8%, 19,7%, 18,4%, 18,1% i 8,6% tych sekwencji bakteryjnych. Zależność liczebności i obłożenia (AOR) między próbkami zajmowanymi przez takson bakteryjny a jego średnią masą w globalnym powietrzu wykazywała krzywą sigmoidalną, podobną do obserwowanego wzorca rozmieszczenia dzikich zwierząt i roślin na Ziemi.

Powietrze jest swobodnie przepływającym, dynamicznym ekosystemem, który umożliwia transport społeczności bakteryjnych na duże odległości. Jednakże wydawało się, że tamtejsza społeczność bakteryjna jest dobrze powiązana ze środowiskiem lokalnym, w szczególności z wkładami źródłowymi i warunkami jakości powietrza wynikającymi z działalności antropogenicznej. Zmniejszone efekty filtrowania ze środowiska i zwiększony udział źródeł pochodzenia ludzkiego doprowadziły do ​​niższych ładunków biomasy, wyższej częstotliwości występowania bakterii chorobotwórczych i bardziej zdestabilizowanych struktur sieciowych.

Warto zauważyć, że bakterie unoszące się w powietrzu nie były ściśle powiązane w porównaniu ze swoimi odpowiednikami w wierzchniej warstwie gleby i w środowisku morskim, a ich średnia łączność wewnątrzwęzłowa wynosiła 5,24. Mieli podejście polegające na losowym grupowaniu, a topologia miała niski opór przed zmianami. Zaobserwowane odległe powiązania i luźne skupiska sieci sugerują, że prawdopodobieństwo zakłócenia społeczności bakterii unoszących się w powietrzu jest większe w zależności od warunków środowiskowych, które zwykle prowadzą do drastycznych zmian w składzie bakterii. Funkcje taksonów bakterii atmosferycznych wywnioskowano na podstawie ich informacji genetycznej w innych siedliskach.

Książka elektroniczna Omiki

Zestawienie najważniejszych wywiadów, artykułów i aktualności z ostatniego roku. Pobierz bezpłatną kopię

Zespół odkrył potencjalne powiązania między zbiorowiskami bakterii unoszącymi się w powietrzu a innymi siedliskami drobnoustrojów powierzchniowych. Szacunkowa całkowita liczebność bakterii unoszących się w powietrzu (1,72 × 1024 komórek) była porównywalna z liczebnością hydrosfery i o jeden do trzech rzędów wielkości mniejsza niż w innych siedliskach (np. Glebie).

Spośród 23 głównych siedlisk ziemskich zbadanych w bieżącym badaniu powietrze lądowe wykazywało większe podobieństwo do środowiska ludzi i zwierząt, podczas gdy powietrze na morzu wykazywało bliższy związek z systemami oceanicznymi. Ponadto oceny oparte na metodach Bayesa wykazały, że cechy odpowiedniego środowiska powierzchniowego determinują dominujące źródła bakterii unoszących się w powietrzu. Warto zauważyć, że czynniki ludzkie w większym stopniu przyczyniły się do powstania bakterii przenoszonych w powietrzu na obszarach miejskich, szczególnie w lokalizacjach lądowych, co zostało w dużej mierze zignorowane w poprzednich badaniach modelowania emisji.

Rola bakterii unoszących się w powietrzu w świecie mikroorganizmów Ziemi. (A) Oszacowanie globalnej liczebności i bogactwa drobnoustrojów w różnych siedliskach. Globalne bogactwo (S) i całkowita liczebność (N) w odpowiednich siedliskach wykazują zależność skalowania (pomarańczowa linia przerywana to 95% przedział przewidywań). Bogactwo przewidywano na podstawie modelu lognormalnego przy użyciu Nmax pochodzącego z naszych danych sekwencjonowania (wypełnione kółka) lub Nmax przewidywanego na podstawie prawa skalowania dominacji (puste kółka). Szacowane wartości S i N dla każdego siedliska są z natury sumą globalną. Niektóre S i N uzyskano z poprzednich badań. (B) Niemetryczny wielowymiarowy wykres skalowania (NMDS) oparty na Bray'u-Curtisie pokazuje, że w różnych siedliskach drobnoustrojów na Ziemi żyją różne społeczności bakteryjne (n = 5189). Obliczono odległość Braya-Curtisa, aby przedstawić różnice w składzie społeczności bakteryjnych. (C) Ziemska sieć współwystępowania bakterii pokazuje powiązania pomiędzy 23 głównymi siedliskami drobnoustrojów. Połączenia (krawędzie) reprezentują silną (ρ Spearmana > 0,7) i istotną (p < 0,01) korelację. Grubość linii reprezentuje wartość ρ Spearmana. Środowiska zostały podzielone na trzy grupy o różnych kolorach poprzez modularyzację. (D) Globalna analiza źródła bakterii unoszących się w powietrzu. Procent potencjalnego wkładu rodzajów bakterii z różnych środowisk do unoszących się w powietrzu zbiorowisk bakterii odpowiednio na obszarach miejskich, lądowych i na obszarach przybrzeżnych w skali globalnej.

Autorzy nie stwierdzili znaczących różnic w bogactwie zbiorowisk bakterii unoszących się w powietrzu pomiędzy obszarami miejskimi i naturalnymi w tym samym zakresie szerokości geograficznej. Jednak położenie geograficzne odegrało rolę. Jednolitość zbiorowisk bakterii w powietrzu miejskim była znacznie niższa. Na przykład względna liczebność gatunków chorobotwórczych, Burkholderia i Pseudomonas, była wyższa na obszarach miejskich niż na obszarach naturalnych (5,56 i 2,50% w porównaniu z 1,44 i 1,11%). Ponadto bakterie w mniejszym stopniu przyczyniały się do masy cząstek stałych (PM) na obszarach miejskich niż na obszarach naturalnych, co sugeruje, że urbanizacja zwiększyła udział cząstek niebiologicznych w powietrzu (np. kurzu).

W powietrzu miejskim częściej występowały patogeny o najwyższym ryzyku śmiertelności: Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa i Enterobacter spp. (ESKAPE). Sieć współwystępowania miejskich zbiorowisk bakterii przenoszonych w powietrzu sugeruje, że wpływy antropogeniczne zdestabilizowały strukturę ich sieci, co z kolei zmieniło również skład taksonomiczny bakterii.

Autorzy odkryli, że na społeczności bakterii unoszących się w powietrzu wpływa kilka czynników – na przykład położenie geograficzne wraz z typowymi czynnikami środowiskowymi. Interakcje biotyczne między kluczowymi i rdzeniowymi społecznościami bakteryjnymi oraz bogactwem bakterii wzajemnie na siebie oddziaływały. Ze wszystkich procesów deterministycznych filtrowanie środowiskowe było najważniejszym wyznacznikiem struktury i rozmieszczenia zbiorowisk drobnoustrojów unoszących się w powietrzu.

Wnioski

Podsumowując, prawie 46,3% bakterii unoszących się w powietrzu pochodzi ze środowiska, a procesy stochastyczne kształtowały przede wszystkim powstawanie zbiorowisk. Co więcej, cechą wyróżniającą bakterie przenoszone drogą powietrzną na obszarach miejskich jest rosnący odsetek potencjalnych patogenów pochodzących ze źródeł ludzkich. Wreszcie, profile źródeł bakterii unoszących się w powietrzu wpłynęły na znacznie wyższy odsetek zmian strukturalnych niż te dotyczące jakości powietrza i lokalnych warunków meteorologicznych (43,7% w porównaniu z 29,4% i 25,8%), jak oszacowano za pomocą analizy rozkładu wariacyjnego (VPA).

Odniesienie:

• 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

.