Baktérie, ktoré každý deň dýchame

Baktérie, ktoré každý deň dýchame

V štúdii nedávno publikovanej v časopise PNAS Výskumníci skúmali globálne vzdušné bakteriálne komunity, aby pochopili štruktúru ich komunity a biogeografické distribučné vzorce. Okrem toho skúmali ich interakcie s inými mikrobiómami Zeme, najmä s povrchovými biotopmi.

Naučte sa: Globálna vzdušná bakteriálna komunita – interakcie s mikrobiómami Zeme a antropogénne aktivity. Obrazový kredit: Lightspring/Shutterstock

pozadia

Atmosféra je najdotknutejším mikrobiálnym prostredím na Zemi a baktérie prenášané vzduchom sú najzložitejšie a najdynamickejšie spoločenstvá ovplyvňujúce mikrobiómy Zeme. Vo vzduchu je viac ako 1 × 104 bakteriálnych buniek/m3 a stovky unikátnych taxónov. Rozsiahle štúdie systematicky dokumentujú mikrobiálne vlastnosti v pôde, oceánoch a ľudskom odpade. Navrhli tiež koreláciu medzi vzdušnými mikrobiómami a povrchovými prostrediami. Existuje však nedostatok štúdií dokumentujúcich mikroorganizmy vo vzduchu, najmä pokiaľ ide o ich štruktúru komunity.

Mikróby nežijú izolovane. Namiesto toho majú viaceré ekologické vzťahy od vzájomnosti až po konkurenciu. Preto určenie ich biogeografických distribučných vzorcov a interakcií s inými mikrobiómami Zeme, ktoré definujú ich pôvod, by mohlo objasniť účinky klimatických / environmentálnych zmien a antropogénnych aktivít.

O štúdiu

V tejto štúdii výskumníci najprv vyvinuli globálny súbor údajov o baktériách prenášaných vzduchom, aby posúdili stupeň ich zhody a vzájomného vzťahu. Tento súbor údajov zahŕňal 76 novo zhromaždených vzoriek častíc vzduchu v kombinácii s 294 vzorkami zozbieranými pre predchádzajúce štúdie na 63 miestach po celom svete. Miesta odberu vzoriek sa líšili nadmorskou výškou a geografickou polohou a zahŕňali úroveň terénu, strechy (od 1,5 m do 25 m na výšku) až po hory 5 380 m nad morom, husto obývané mestské mestá a vzdialený polárny kruh.

Tím získal súbor údajov na porovnanie z projektu Earth Microbiome Project (EMP), ktorý zhromaždil viac ako 5 000 vzoriek z 23 povrchových prostredí. Vzdušný bakteriálny referenčný katalóg obsahoval viac ako 27 miliónov neredundantných génových sekvencií 16S ribozomálnej RNA (rRNA).

Okrem toho výskumníci vytvorili globálnu sieť spoločného výskytu vzdušných komunít, ktorá zahŕňala 5 038 významných korelačných vzťahov (Spearmanovo ρ > 0,6) medzi 482 súvisiacimi operačnými taxonomickými jednotkami (OTU). OTU sú analytické jednotky zoskupené podľa podobnosti sekvencií DNA v mikrobiálnej ekológii. Nakoniec tím použil modelovanie štrukturálnych rovníc (SEM) na preskúmanie mechanizmov, ktoré riadia mikrobiálne spoločenstvá. Vypočítali tiež celkový vplyv environmentálnych filtrov a bakteriálnych interakcií na komunitný dizajn.

Štruktúra globálne distribuovaných vzdušných bakteriálnych spoločenstiev. (A) Miesta, kde sa na celom svete zbierali vzorky vzduchu a údaje o životnom prostredí. (B) Počet, podiel a relatívny počet globálnych základných OTU v porovnaní s ostatnými bakteriálnymi OTU. (C) Taxonomické zloženie globálnych jadrových baktérií na úrovni kmeňa a triedy. (D) Globálna sieť spoločného výskytu vzdušných baktérií. Spojenia (hrany) predstavujú silnú (Spearmanovo ρ > 0,6) a významnú (p < 0,01) koreláciu. Uzly predstavujú kombinované OTU s jedinečnými anotáciami na úrovni rodu v súboroch údajov. Veľkosť každého uzla bola úmerná priemernej relatívnej abundancii v 370 vzorkách. Uzliny boli zafarbené kmeňmi baktérií. (E) Identifikácia „malej siete“ na základe indexu „smallworldness“ a priemernej najkratšej dĺžky cesty globálnej siete bakteriálnych spoločenstiev vo vzdušnom, morskom a pôdnom prostredí. (F) Stupeň – graf centrality medzi jednotlivými uzlami v sieti spoločného výskytu. Uzly v červenej farbe sa považujú za základné druhy. Veľkosť uzlov udáva relatívne podiely OTU v celom mikrobióme.

Výsledky štúdie

Z 370 individuálnych vzoriek vzduchu bolo zistených 10 897 taxónov a väčšina bakteriálnych sekvencií patrila do piatich kmeňov. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria a Bacteroidetes predstavovali 24,8 %, 19,7 %, 18,4 %, 18,1 % a 8,6 % z týchto bakteriálnych sekvencií. Vzťah hojnosti a obsadenosti (AOR) medzi vzorkami obsadenými bakteriálnym taxónom a jeho priemernou hmotnosťou v globálnom vzduchu ukázal esovitú krivku, podobnú pozorovanému vzoru distribúcie voľne žijúcich živočíchov a rastlín na Zemi.

Vzduch je voľne prúdiaci dynamický ekosystém, ktorý umožňuje prenos bakteriálnych spoločenstiev, ktoré podporuje, na veľké vzdialenosti. Zdá sa však, že jeho bakteriálna komunita je dobre spojená s miestnym prostredím, najmä zdrojmi a podmienkami kvality ovzdušia vyplývajúcimi z antropogénnych aktivít. Znížené filtračné efekty z prostredia a zvýšené príspevky súvisiace s ľudskými zdrojmi viedli k nižšiemu zaťaženiu biomasou, vyšším frekvenciám patogénnych baktérií a destabilizovanejším sieťovým štruktúram.

Je pozoruhodné, že baktérie prenášané vzduchom neboli pevne spojené v porovnaní s ich náprotivkami v ornici a morskom prostredí a mali priemernú intranodovú konektivitu 5,24. Mali prístup náhodného zoskupovania a topológia mala nízku odolnosť voči zmenám. Pozorované vzdialené vzťahy a voľné zhluky siete naznačujú, že bakteriálna komunita prenášaná vzduchom bude pravdepodobnejšie narušená v závislosti od podmienok prostredia, ktoré zvyčajne vedú k drastickým zmenám v zložení baktérií. Funkcie atmosferických bakteriálnych taxónov boli odvodené na základe ich genetických informácií v iných biotopoch.

Elektronická kniha Omics

Kompilácia top rozhovorov, článkov a noviniek za posledný rok. Stiahnite si bezplatnú kópiu

Tím našiel potenciálne asociácie medzi vzdušnými bakteriálnymi komunitami a inými povrchovými mikrobiálnymi biotopmi. Odhadovaná celková abundancia vzdušných baktérií (1,72 × 1024 buniek) bola porovnateľná s hydrosférou a o jeden až tri rády nižšia ako v iných biotopoch (napr. v pôde).

Z 23 hlavných biotopov Zeme skúmaných v súčasnej štúdii vykazoval suchozemský vzduch väčšiu podobnosť s ľudským a zvieracím prostredím, zatiaľ čo pobrežný vzduch vykazoval užší vzťah k oceánskym systémom. Okrem toho hodnotenia založené na Bayesovských metódach ukázali, že charakteristiky zodpovedajúceho povrchového prostredia určili dominantné zdroje vzdušných baktérií. Najmä ľudské zdroje prispeli viac k baktériám prenášaným vzduchom v mestských oblastiach, najmä v pozemných lokalitách, čo je zistenie, ktoré sa v predchádzajúcich štúdiách modelovania emisií do značnej miery ignorovalo.

Úloha vzdušných baktérií v mikrobiálnom svete Zeme. (A) Odhad globálneho mikrobiálneho množstva a bohatstva v rôznych biotopoch. Globálna bohatosť (S) a celková abundancia (N) v zodpovedajúcich biotopoch vykazujú vzťah mierky (prerušovaná oranžová čiara predstavuje 95 % interval predikcie). Bohatosť bola predpovedaná z lognormálneho modelu pomocou Nmax odvodených z našich sekvenčných údajov (plné krúžky) alebo Nmax predpovedané zo zákona o mierke dominancie (prázdne krúžky). Odhadované hodnoty S a N pre každý biotop sú vo svojej podstate globálnym súčtom. Niektoré S a N boli odvodené z predchádzajúcich štúdií. (B) Nemetrický multidimenzionálny škálovací graf (NMDS) založený na Bray-Curtisovi ukazuje, že rôzne mikrobiálne biotopy sú hostiteľmi rôznych bakteriálnych spoločenstiev na Zemi (n = 5 189). Vzdialenosť Bray-Curtis bola vypočítaná tak, aby predstavovala rozdiely v zložení bakteriálnych spoločenstiev. (C) Sieť bakteriálneho spoločného výskytu Zeme ukazuje vzťahy konektivity medzi 23 hlavnými mikrobiálnymi biotopmi. Spojenia (hrany) predstavujú silnú (Spearmanovo ρ > 0,7) a významnú (p < 0,01) koreláciu. Hrúbka čiar predstavuje hodnotu Spearmanovho ρ. Prostredia boli prostredníctvom modularizácie zoskupené do troch skupín s rôznymi farbami. (D) Globálna analýza vzdušného bakteriálneho zdroja. Percento potenciálnych príspevkov bakteriálnych rodov z rôznych prostredí do vzdušných bakteriálnych spoločenstiev v mestských, suchozemských a pobrežných oblastiach v globálnom meradle.

Autori nezistili žiadne významné rozdiely v bohatstve vzdušných bakteriálnych spoločenstiev medzi mestskými a prírodnými oblasťami v rovnakom rozsahu zemepisnej šírky. Svoju úlohu však zohrala geografická poloha. Jednotnosť bakteriálnych spoločenstiev v mestskom ovzduší bola výrazne nižšia. Napríklad relatívna abundancia patogénnych druhov Burkholderia a Pseudomonas bola vyššia v mestských oblastiach ako v prírodných oblastiach (5,56 a 2,50 % oproti 1,44 a 1,11 %). Okrem toho baktérie prispeli k hmote pevných častíc (PM) menej v mestských oblastiach ako v prírodných oblastiach, čo naznačuje, že urbanizácia zvýšila podiel nebiologických častíc vo vzduchu (napr.

Patogény s najvyšším rizikom úmrtnosti, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa a Enterobacter species (ESKAPE), boli bežnejšie v mestskom ovzduší. Sieť spoločného výskytu mestských vzdušných bakteriálnych spoločenstiev naznačila, že antropogénne vplyvy destabilizovali ich sieťovú štruktúru, čo následne zmenilo aj bakteriálne taxonomické zloženie.

Autori zistili, že vzdušné bakteriálne spoločenstvá ovplyvnilo viacero faktorov – napríklad geografické polohy spolu s typickými environmentálnymi faktormi. Biotické interakcie medzi základnými a jadrovými bakteriálnymi komunitami a bakteriálna bohatosť významne interagovali. Zo všetkých deterministických procesov bolo filtrovanie prostredia najdôležitejším determinantom štruktúry a distribúcie vzdušných mikrobiálnych spoločenstiev.

Závery

V súhrne takmer 46,3 % baktérií prenášaných vzduchom pochádza z prostredia a formovanie spoločenstiev primárne formovali stochastické procesy. Okrem toho, charakteristickým znakom baktérií prenášaných vzduchom v mestských oblastiach je zvyšujúci sa podiel potenciálnych patogénov z ľudských zdrojov. Napokon, profily bakteriálnych zdrojov vo vzduchu ovplyvnili výrazne vyššie percento štrukturálnych variácií ako tie, ktoré sa týkajú kvality ovzdušia a miestnych meteorologických podmienok (43,7 % oproti 29,4 % a 25,8 %), ako bolo hodnotené analýzou variačnej distribúcie (VPA).

Referencia:

• 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

.