Bakterierna vi andas in varje dag

Bakterierna vi andas in varje dag

I en studie som nyligen publicerats i tidskriften PNAS Forskare undersökte globala luftburna bakteriesamhällen för att förstå deras samhällsstruktur och biogeografiska distributionsmönster. Dessutom undersökte de deras interaktioner med andra jordmikrobiomer, särskilt ythabitat.

Lära sig: Globalt luftburet bakteriesamhälle – interaktioner med jordens mikrobiomer och antropogena aktiviteter. Bildkredit: Lightspring/Shutterstock

bakgrund

Atmosfären är den mest orörda mikrobiella livsmiljön på jorden, och luftburna bakterier är de mest komplexa och dynamiska samhällen som påverkar jordens mikrobiomer. Det finns mer än 1 × 104 bakterieceller/m3 och hundratals unika taxa i luften. Storskaliga studier har systematiskt dokumenterat de mikrobiella egenskaperna i jordar, hav och mänskligt avfall. De har också föreslagit en korrelation mellan luftburna mikrobiomer och ytmiljöer. Det finns dock en brist på studier som dokumenterar luftburna mikroorganismer, särskilt när det gäller deras samhällsstruktur.

Mikrober lever inte isolerade. Istället har de flera ekologiska relationer, allt från ömsesidighet till konkurrens. Att fastställa deras biogeografiska distributionsmönster och interaktioner med andra jordmikrobiomer som definierar deras ursprung kan därför kasta ljus över effekterna av klimat-/miljöförändringar och antropogena aktiviteter.

Om att studera

I den aktuella studien utvecklade forskarna först en global datauppsättning om luftburna bakterier för att bedöma deras grad av gemensamhet och inbördes samband. Denna datauppsättning inkluderade 76 nyligen insamlade luftpartikelprover kombinerat med 294 prover som samlats in för tidigare studier på 63 platser över hela världen. Provtagningsplatserna varierade i höjd och geografi och inkluderade marknivå, hustak (från 1,5 m till 25 m höjd) upp till berg 5 380 m över havet, tätbefolkade stadsstäder och den avlägsna polcirkeln.

Teamet fick datauppsättningen för jämförelse från Earth Microbiome Project (EMP), som har samlat in mer än 5 000 prover från 23 ytmiljöer. Den luftburna bakteriella referenskatalogen innehöll mer än 27 miljoner icke-redundanta 16S ribosomala RNA (rRNA) gensekvenser.

Dessutom konstruerade forskare ett globalt luftburet samförekomstnätverk som inkluderade 5 038 signifikanta korrelationsförhållanden (Spearmans ρ > 0,6) mellan 482 associerade operativa taxonomiska enheter (OTU). OTU: er är analytiska enheter grupperade efter DNA-sekvenslikhet i mikrobiell ekologi. Slutligen använde teamet strukturell ekvationsmodellering (SEM) för att undersöka mekanismerna som driver mikrobiella samhällen. De beräknade också den övergripande effekten av miljöfilter och bakterieinteraktioner på samhällsdesign.

Strukturen hos globalt distribuerade luftburna bakteriesamhällen. (A) Platser där luftprover och miljödata samlades in över hela världen. (B) Antalet, andelen och relativa förekomsten av globala kärn-OTUs jämfört med de återstående bakteriella OTU:erna. (C) Den taxonomiska sammansättningen av globala kärnbakterier på fylum- och klassnivåer. (D) Det globala nätverket för samtidig förekomst av det luftburna bakteriesamhället. Kopplingarna (kanterna) representerar en stark (Spearmans ρ > 0,6) och signifikant (p < 0,01) korrelation. Noderna representerar de kombinerade OTU:erna med unika annoteringar på genusnivå i datamängderna. Storleken på varje nod var proportionell mot den genomsnittliga relativa förekomsten över 370 prover. Noderna färgades av bakteriestammarna. (E) Identifiering av "litet nätverk" baserat på ett "smallworldness"-index och den genomsnittliga kortaste väglängden för det globala nätverket av bakterier i luft-, havs- och markmiljöer. (F) Grad – plotten mellan centralitet för varje nod i samförekomstnätverket. Noderna i rött anses vara keystone-arter. Storleken på noderna indikerar de relativa proportionerna av OTUs i hela mikrobiomet.

Studieresultat

10 897 taxa detekterades från 370 individuella luftprover, och de flesta bakteriesekvenser tillhörde fem phyla. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria och Bacteroidetes stod för 24,8 %, 19,7 %, 18,4 %, 18,1 % respektive 8,6 % av dessa bakteriesekvenser. Abundance-occupancy relationen (AOR) mellan proverna som upptas av en bakteriell taxon och dess genomsnittliga massa i den globala luften visade en sigmoidkurva, liknande det observerade mönstret för fördelningen av vilda djur och växter på jorden.

Luft är ett fritt strömmande, dynamiskt ekosystem som möjliggör långdistanstransport av de bakteriesamhällen som den stöder. Dess bakteriesamhälle verkade dock vara väl kopplat till den lokala miljön, särskilt källornas bidrag och luftkvalitetsförhållandena till följd av antropogen verksamhet. Minskade filtreringseffekter från miljön och ökade bidrag från mänskliga källor har lett till lägre biomassabelastningar, högre frekvenser av patogena bakterier och mer destabiliserade nätverksstrukturer.

Speciellt var luftburna bakterier inte tätt sammankopplade jämfört med sina motsvarigheter i matjord och marina miljöer och hade en genomsnittlig intranod-anslutning på 5,24. De hade ett slumpmässigt klustringssätt och topologin hade lågt motstånd mot förändring. De observerade avlägsna relationerna och lösa klustren i nätverket antydde att det är mer sannolikt att det luftburna bakteriesamhället störs beroende på miljöförhållandena, vilket vanligtvis leder till drastiska förändringar i bakteriesammansättningen. Funktionerna hos atmosfäriska bakteriella taxa har antagits baserat på deras genetiska information i andra livsmiljöer.

Omics e-bok

Sammanställning av de bästa intervjuerna, artiklarna och nyheterna från det senaste året. Ladda ner en gratis kopia

Teamet hittade potentiella samband mellan luftburna bakteriesamhällen och andra ytmikrobiella livsmiljöer. Den uppskattade totala förekomsten av luftburna bakterier (1,72 × 1024 celler) var jämförbar med den i hydrosfären och en till tre storleksordningar lägre än i andra livsmiljöer (t.ex. jord).

Av de 23 stora livsmiljöerna på jorden som undersöktes i den aktuella studien visade markluften större likhet med människors och djurs miljöer, medan offshoreluften visade ett närmare förhållande till oceaniska system. Vidare visade utvärderingar baserade på Bayesianska metoder att egenskaperna hos motsvarande ytmiljö avgjorde de dominerande källorna till luftburna bakterier. Mänskliga källor bidrog mer till luftburna bakterier i stadsområden, särskilt på landbaserade platser, ett fynd som till stor del ignorerats i tidigare studier av utsläppsmodeller.

Luftburna bakteriers roll i jordens mikrobiella värld. (A) Uppskattning av globalt mikrobiellt överflöd och rikedom i olika livsmiljöer. Global rikedom (S) och totalt överflöd (N) i motsvarande livsmiljöer visar ett skalningsförhållande (den streckade orange linjen är 95 % förutsägelseintervall). Richness förutspåddes från den lognormala modellen med hjälp av Nmax härledd från våra sekvenseringsdata (fyllda cirklar) eller Nmax förutspått från dominansskalningslagen (öppna cirklar). De uppskattade S- och N-värdena för varje livsmiljö är i sig en global summa. Vissa S och N härleddes från tidigare studier. (B) En Bray-Curtis-baserad ickemetrisk flerdimensionell skalningsplot (NMDS) visar att olika mikrobiella livsmiljöer är värd för olika bakteriesamhällen på jorden (n = 5 189). Bray-Curtis-avståndet beräknades för att representera skillnader i sammansättningen av bakteriesamhällen. (C) Jordens nätverk för samtidig förekomst av bakterier visar sambanden mellan 23 stora mikrobiella livsmiljöer. Kopplingarna (kanterna) representerar en stark (Spearmans ρ > 0,7) och signifikant (p < 0,01) korrelation. Tjockleken på linjerna representerar värdet på Spearmans ρ. Miljöerna grupperades i tre grupper med olika färger genom modularisering. (D) Global analys av luftburen bakteriekälla. Procent av potentiella bidrag från bakteriesläkten från olika miljöer till luftburna bakteriesamhällen i urbana, terrestra bakgrunder respektive offshoreområden på global skala.

Författarna fann inga signifikanta skillnader i rikedomen av luftburna bakteriesamhällen mellan stads- och naturområden inom samma breddgradsområde. Det geografiska läget spelade dock roll. Bakteriesamhällenas enhetlighet i stadsluften var betydligt lägre. Till exempel var den relativa förekomsten av patogena arter, Burkholderia och Pseudomonas, högre i stadsområden än i naturområden (5,56 och 2,50 % mot 1,44 och 1,11 %). Dessutom bidrog bakterier mindre till partikelmassa (PM) i stadsområden än i naturområden, vilket tyder på att urbanisering ökade andelen icke-biologiska partiklar i luften (t.ex. damm).

Patogenerna med högst dödsrisk, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa och Enterobacter arter (ESKAPE), var vanligare i stadsluft. Samförekomstnätverket av urbana luftburna bakteriesamhällen antydde att antropogena influenser destabiliserade deras nätverksstruktur, vilket i sin tur också förändrade den bakteriella taxonomiska sammansättningen.

Författarna fann att flera faktorer påverkade luftburna bakteriesamhällen - till exempel geografiska platser tillsammans med typiska miljöfaktorer. De biotiska interaktionerna mellan keystone och kärnbakteriesamhällen och bakterierikedom interagerade signifikant. Av alla deterministiska processer var miljöfiltrering den viktigaste bestämningsfaktorn för strukturen och fördelningen av luftburna mikrobiella samhällen.

Slutsatser

Sammanfattningsvis härstammar nästan 46,3 % av luftburna bakterier från miljön, och stokastiska processer formade främst samhällsbildningen. Dessutom har luftburna bakteriers utmärkande egenskaper i stadsområden varit den ökande andelen potentiella patogener från mänskliga källor. Slutligen påverkade luftburna bakteriekällprofiler en signifikant högre andel av strukturella variationer än de för luftkvalitet och lokala meteorologiska förhållanden (43,7 % mot 29,4 % och 25,8 %), enligt bedömning av variationsfördelningsanalys (VPA).

Hänvisning:

• 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

.