Микробы в тропическом воздухе живут по точному суточному ритму
Ученые из Сингапурского центра наук об окружающей среде и инженерии (SCELSE) Наньянского технологического университета (NTU) обнаружили, что воздух в тропиках насыщен по меньшей мере 725 различными микроорганизмами.
Используя новый протокол отбора проб и секвенирования ДНК микробных сообществ в воздухе Сингапура, ученые выяснили, что состав этого сообщества меняется предсказуемо: днем преобладают бактерии, а ночью — грибы.
Ранее этот суточный паттерн и разнообразие микроорганизмов в приземной атмосфере были неизвестны, поскольку атмосфера технологически сложна для изучения. Новые данные о тропических биоаэрозолях — мельчайших воздушных частицах, состоящих из грибов, бактерий и растительного материала, — опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Исследование под руководством профессора геномики NTU Штефана Шустера показало, что тропический воздух обладает микробным разнообразием, сопоставимым по сложности с другими хорошо изученными экосистемами, такими как морская вода, почва и кишечник человека.
Сообщества биоаэрозолей (частиц биологического происхождения) демонстрируют неожиданно высокое количество видов бактерий и грибов и следуют суточному (24-часовому) циклу, который, по мнению ученых, обусловлен условиями окружающей среды: влажностью, дождем, солнечной радиацией и уровнем CO2.
Состав сообщества меняется сильнее в течение суток, чем между днями или даже месяцами. Эта устойчивая структура сохраняет долгосрочную предсказуемость, несмотря на изменения воздушных потоков и муссонных ветров в течение тропических сезонов.
Влияние на здоровье человека
Способность анализировать биоаэрозоли дает представление о многих аспектах городской жизни, влияющих на благополучие человека, а также о взаимодействии атмосферных, наземных и водных экосистем, что особенно ценно в условиях изменения климата.
В среднем человек вдыхает 11 кубических метров воздуха в день, что в тропиках днем может содержать около 50 тысяч клеток организмов, а ночью — в 30–100 раз больше.
Ученые начинают понимать влияние воздушных микробных сообществ на окружающую среду и здоровье человека, с наиболее непосредственным воздействием на пациентов с респираторными заболеваниями. Долгосрочно можно избежать ущерба сельскохозяйственным культурам, поскольку многие из обнаруженных организмов являются фитопатогенами или грибами, вызывающими гниение древесины.
Новый метод секвенирования биоаэрозолей
Исследователи установили серию коллекторов проб воздуха на крыше кампуса NTU, которые собирали образцы каждые два часа в течение пяти дней (180 образцов за временной ряд). Этот эксперимент повторяли каждые три месяца в течение 13 месяцев, включая два муссонных сезона Сингапура.
Воздушная биомасса собиралась путем прокачки воздуха через электростатический фильтр, улавливающий частицы размером от 0,5 до 10 микрометров. Ранее образцы воздуха приходилось накапливать в течение недель или месяцев, чтобы получить достаточный материал для анализа.
Благодаря новому протоколу секвенирования ДНК сверхнизкой биомассы, разработанному командой NTU, стало возможным анализировать гораздо меньшие объемы воздуха и впервые изучать почасовые изменения в составе воздушного микробиома.
Все биоаэрозоли были классифицированы по сходству и различию их ДНК, что позволило идентифицировать воздушные организмы на уровне видов после сравнения с существующими базами данных последовательностей ДНК.
Исследователи превзошли уровень идентификации биоаэрозолей, достигнутый ранее, без необходимости амплификации ДНК или использования долгосрочных периодов отбора проб, которые не дают достаточно детальной информации с малыми временными интервалами.
Статья "Microbial communities in the tropical air ecosystem follow a precise diel cycle" опубликована в PNAS 29 октября 2019 года.