As bactérias que respiramos todos os dias

As bactérias que respiramos todos os dias

Em um estudo publicado recentemente na revista PNAS Os pesquisadores examinaram comunidades bacterianas globais transportadas pelo ar para compreender sua estrutura comunitária e padrões de distribuição biogeográfica. Além disso, examinaram as suas interações com outros microbiomas da Terra, particularmente habitats superficiais.

Aprender: Comunidade bacteriana global transportada pelo ar – interações com os microbiomas da Terra e atividades antropogênicas. Crédito da imagem: Lightspring/Shutterstock

fundo

A atmosfera é o habitat microbiano mais puro da Terra, e as bactérias transportadas pelo ar são as comunidades mais complexas e dinâmicas que influenciam os microbiomas da Terra. Existem mais de 1 × 104 células bacterianas/m3 e centenas de táxons únicos no ar. Estudos em grande escala documentaram sistematicamente as características microbianas nos solos, oceanos e dejetos humanos. Eles também sugeriram uma correlação entre microbiomas transportados pelo ar e ambientes superficiais. No entanto, faltam estudos que documentem microrganismos transportados pelo ar, particularmente no que diz respeito à sua estrutura comunitária.

Os micróbios não vivem isolados. Em vez disso, têm múltiplas relações ecológicas que vão do mutualismo à competição. Portanto, determinar os seus padrões de distribuição biogeográfica e as interações com outros microbiomas terrestres que definem a sua origem poderia lançar luz sobre os efeitos das alterações climáticas/ambientais e das atividades antropogénicas.

Sobre estudar

No presente estudo, os investigadores desenvolveram primeiro um conjunto de dados globais sobre bactérias transportadas pelo ar para avaliar o seu grau de semelhança e inter-relação. Este conjunto de dados incluiu 76 amostras de partículas de ar recentemente coletadas, combinadas com 294 amostras coletadas para estudos anteriores em 63 locais em todo o mundo. Os locais de amostragem variaram em altitude e geografia e incluíram o nível do solo, telhados (de 1,5 m a 25 m de altura) até montanhas 5.380 m acima do nível do mar, cidades urbanas densamente povoadas e o remoto Círculo Polar Ártico.

A equipe obteve o conjunto de dados para comparação do Earth Microbiome Project (EMP), que coletou mais de 5.000 amostras de 23 ambientes de superfície. O catálogo de referência de bactérias transportadas pelo ar continha mais de 27 milhões de sequências do gene 16S ribossômico (rRNA) não redundantes.

Além disso, os pesquisadores construíram uma rede global de co-ocorrência de comunidades aerotransportadas que incluiu 5.038 relações de correlação significativas (ρ de Spearman > 0,6) entre 482 unidades taxonômicas operacionais (OTUs) associadas. OTUs são unidades analíticas agrupadas por similaridade de sequência de DNA em ecologia microbiana. Finalmente, a equipe usou modelagem de equações estruturais (SEM) para investigar os mecanismos que impulsionam as comunidades microbianas. Eles também calcularam o efeito geral dos filtros ambientais e das interações bacterianas no projeto da comunidade.

A estrutura das comunidades bacterianas transportadas pelo ar distribuídas globalmente. (A) Locais onde amostras de ar e dados ambientais foram coletados em todo o mundo. (B) O número, proporção e abundância relativa das OTUs centrais globais em comparação com as das restantes OTUs bacterianas. (C) A composição taxonômica das bactérias centrais globais em níveis de filo e classe. (D) A rede global de co-ocorrência da comunidade bacteriana transportada pelo ar. As conexões (arestas) representam uma correlação forte (ρ de Spearman > 0,6) e significativa (p < 0,01). Os nós representam as OTUs combinadas com anotações exclusivas em nível de gênero nos conjuntos de dados. O tamanho de cada nó foi proporcional à abundância relativa média em 370 amostras. Os nódulos foram corados pelas cepas da bactéria. (E) Identificação de “rede pequena” baseada em um índice de “mundo pequeno” e no comprimento médio do caminho mais curto da rede global de comunidades bacterianas em ambientes aéreos, marinhos e de solo. (F) Grau – o gráfico de centralidade de intermediação de cada nó na rede de coocorrência. Os nós em vermelho são considerados espécies-chave. O tamanho dos nós indica as proporções relativas de OTUs em todo o microbioma.

Resultados do estudo

10.897 táxons foram detectados em 370 amostras de ar individuais, e a maioria das sequências bacterianas pertenciam a cinco filos. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria e Bacteroidetes representaram 24,8%, 19,7%, 18,4%, 18,1% e 8,6% dessas sequências bacterianas, respectivamente. A relação abundância-ocupação (AOR) entre as amostras ocupadas por um táxon bacteriano e sua massa média no ar global apresentou uma curva sigmóide, semelhante ao padrão observado para a distribuição da vida selvagem e das plantas na Terra.

O ar é um ecossistema dinâmico e de fluxo livre que permite o transporte de longa distância das comunidades bacterianas que suporta. No entanto, a sua comunidade bacteriana parecia estar bem ligada ao ambiente local, particularmente às contribuições das fontes e às condições de qualidade do ar resultantes de atividades antropogénicas. A redução dos efeitos de filtragem do ambiente e o aumento das contribuições de fontes relacionadas com o homem levaram a cargas de biomassa mais baixas, frequências mais elevadas de bactérias patogénicas e estruturas de rede mais desestabilizadas.

Notavelmente, as bactérias transportadas pelo ar não estavam fortemente ligadas em comparação com as suas homólogas no solo superficial e em ambientes marinhos e tinham uma conectividade intranós média de 5,24. Eles tinham uma abordagem de agrupamento aleatório e a topologia tinha baixa resistência a mudanças. As relações distantes observadas e os aglomerados soltos da rede sugeriram que a comunidade bacteriana transportada pelo ar tem maior probabilidade de ser interrompida dependendo das condições ambientais, o que geralmente leva a mudanças drásticas na composição bacteriana. As funções dos taxa bacterianos atmosféricos foram inferidas com base na sua informação genética em outros habitats.

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A equipe encontrou associações potenciais entre comunidades bacterianas transportadas pelo ar e outros habitats microbianos superficiais. A abundância total estimada de bactérias transportadas pelo ar (1,72 × 1024 células) foi comparável à da hidrosfera e uma a três ordens de grandeza menor do que em outros habitats (por exemplo, solo).

Dos 23 principais habitats terrestres examinados no presente estudo, o ar terrestre mostrou maior semelhança com os ambientes humanos e animais, enquanto o ar offshore mostrou uma relação mais próxima com os sistemas oceânicos. Além disso, avaliações baseadas em métodos bayesianos mostraram que as características do ambiente superficial correspondente determinaram as fontes dominantes de bactérias transportadas pelo ar. Notavelmente, as fontes humanas contribuíram mais para as bactérias transportadas pelo ar nas áreas urbanas, particularmente em locais terrestres, uma descoberta largamente ignorada em estudos anteriores de modelização de emissões.

Papel das bactérias transportadas pelo ar no mundo microbiano da Terra. (A) Estimativa da abundância e riqueza microbiana global em diferentes habitats. A riqueza global (S) e a abundância total (N) nos habitats correspondentes mostram uma relação de escala (a linha laranja tracejada é o intervalo de previsão de 95%). A riqueza foi prevista a partir do modelo lognormal usando Nmax derivado de nossos dados de sequenciamento (círculos preenchidos) ou Nmax previsto a partir da lei de escala de dominância (círculos abertos). Os valores estimados de S e N para cada habitat são inerentemente uma soma global. Alguns S e N foram derivados de estudos anteriores. (B) Um gráfico de escala multidimensional não métrica (NMDS) baseado em Bray-Curtis mostra que diferentes habitats microbianos hospedam diferentes comunidades bacterianas na Terra (n = 5.189). A distância de Bray-Curtis foi calculada para representar diferenças na composição das comunidades bacterianas. (C) A rede de co-ocorrência bacteriana da Terra mostra as relações de conectividade entre 23 principais habitats microbianos. As conexões (arestas) representam uma correlação forte (ρ de Spearman > 0,7) e significativa (p < 0,01). A espessura das linhas representa o valor do ρ de Spearman. Os ambientes foram agrupados em três grupos com cores diferentes por meio de modularização. (D) Análise global da fonte bacteriana transportada pelo ar. Porcentagem de contribuições potenciais de gêneros bacterianos de diferentes ambientes para comunidades bacterianas transportadas pelo ar em ambientes urbanos, terrestres e áreas offshore, respectivamente, em escala global.

Os autores não encontraram diferenças significativas na riqueza de comunidades bacterianas transportadas pelo ar entre áreas urbanas e naturais dentro da mesma faixa de latitude. No entanto, a localização geográfica desempenhou um papel. A uniformidade das comunidades bacterianas no ar da cidade foi significativamente menor. Por exemplo, a abundância relativa de espécies patogénicas, Burkholderia e Pseudomonas, foi maior nas áreas urbanas do que nas áreas naturais (5,56 e 2,50% versus 1,44 e 1,11%). Além disso, as bactérias contribuíram menos para a massa de partículas (PM) nas áreas urbanas do que nas áreas naturais, sugerindo que a urbanização aumentou a proporção de partículas não biológicas no ar (por exemplo, poeira).

Os patógenos com maior risco de mortalidade, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa e espécies de Enterobacter (ESKAPE), foram mais comuns no ar urbano. A rede de co-ocorrência de comunidades bacterianas urbanas transportadas pelo ar sugeriu que as influências antrópicas desestabilizaram a estrutura da sua rede, o que por sua vez também alterou a composição taxonómica bacteriana.

Os autores descobriram que vários fatores afetaram as comunidades bacterianas transportadas pelo ar – por exemplo, localizações geográficas juntamente com fatores ambientais típicos. As interações bióticas entre as comunidades bacterianas fundamentais e centrais e a riqueza bacteriana interagiram significativamente. De todos os processos determinísticos, a filtragem ambiental foi o determinante mais importante da estrutura e distribuição das comunidades microbianas transportadas pelo ar.

Conclusões

Em resumo, quase 46,3% das bactérias transportadas pelo ar originaram-se do meio ambiente, e os processos estocásticos moldaram principalmente a formação de comunidades. Além disso, a característica distintiva das bactérias transportadas pelo ar nas áreas urbanas tem sido a proporção crescente de potenciais agentes patogénicos provenientes de fontes relacionadas com o homem. Finalmente, os perfis de fontes bacterianas transportadas pelo ar influenciaram uma percentagem significativamente maior de variações estruturais do que os da qualidade do ar e das condições meteorológicas locais (43,7% versus 29,4% e 25,8%), conforme avaliado pela análise de distribuição variacional (VPA).

Referência:

• 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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