Ученые из Сингапурского центра инженерных наук об окружающей среде (SCELSE) при Наньянском технологическом университете Сингапура (NTU Singapore) обнаружили, что воздух в тропиках изобилует богатым и разнообразным набором не менее 725 различных микроорганизмов..
Ученые NTU использовали новый протокол отбора проб и секвенирования ДНК микробных сообществ в воздухе Сингапура. Они обнаружили, что состав микробного сообщества в тропическом воздухе предсказуемо меняется: днем преобладают бактерии, а ночью - грибы.
Эта схема смены дня и ночи и разнообразие переносимых по воздуху микроорганизмов в приповерхностной атмосфере ранее были неизвестны, поскольку атмосфера технологически сложна для изучения, что делает ее самой малоизученной экосистемой в планетарном масштабе по сравнению с землей и морские экосистемы.
Новые данные о тропических биоаэрозолях - мельчайших переносимых по воздуху частицах, состоящих из грибов, бактерий и растительного материала - представлены на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В исследовательской работе под руководством профессора геномики NTU Стефана Шустера команда сообщила, что микробное разнообразие тропического воздуха схоже по сложности с другими хорошо изученными экосистемами, такими как морская вода, почва и кишечник человека.
Эти биоаэрозольные сообщества (взвешенные в воздухе частицы биологического происхождения) содержат неожиданно большое количество видов бактерий и грибков, и они следуют дневному циклу (24-часовой цикл дня и ночи), который, по мнению ученых, определяется условиями окружающей среды. таких как влажность, дождь, солнечное излучение и уровень углекислого газа.
Они также демонстрируют большую изменчивость состава в течение дня, чем между днями или даже месяцами. Эта надежная структура сообщества сохраняет предсказуемость в долгосрочной перспективе, несмотря на колебания воздушного потока и муссонных ветров в тропические сезоны.
Влияние на здоровье человека
Профессор Шустер, директор по исследованиям в SCELSE, сказал, что возможность анализировать биоаэрозоли дает представление о многих аспектах городской жизни, которые влияют на нашу повседневную жизнь и благополучие человека. Он также обеспечивает понимание взаимодействия между атмосферными, наземными и водными планетарными экосистемами, что особенно ценно во время изменения климата.
«Наше текущее исследование показывает, что температура также является глобальным фактором динамики микробного сообщества в атмосфере вблизи поверхности. Такое понимание имеет основополагающее значение для обеспечения устойчивости экосистемы в городских условиях и за их пределами», - добавил профессор Шустер.
В местном масштабе понимание динамики биоаэрозоля также будет информировать нас о том, как мы управляем окружающей нас атмосферой, например, о влиянии качества воздуха в помещении, механической вентиляции и загрязнения на микробиомы воздуха, которые нас окружают. Кроме того, наше исследование дает важную информацию. и столь необходимое понимание биоаэрозолей в тропической среде, учитывая, что существующие исследования касались исключительно умеренного климата».
В среднем люди вдыхают 11 кубометров воздуха в день (11 тысяч литров), что может содержать около 50 тысяч клеток организма в тропиках в дневное время, но в 30-100 раз больше ночью.
Ученые говорят, что начинают понимать влияние микробных сообществ воздуха на окружающую среду и здоровье человека, причем самым непосредственным образом они воздействуют на пациентов с респираторными заболеваниями. Кроме того, можно избежать повреждения сельскохозяйственных культур в долгосрочной перспективе, поскольку многие из обнаруженных организмов являются патогенами растений или грибками, вызывающими гниение древесины.
Выводы побудили исследовательскую группу инициировать текущий междисциплинарный исследовательский проект между SCELSE и Медицинской школой Ли Кон Чиана NTU в области респираторного здоровья.
Вместе с клиническими экспертами во главе с врачом-пульмонологом доцентом Санджаем Чотирмаллом, проректором кафедры молекулярной медицины, совместная группа оценивает влияние биоаэрозолей на пациентов с бронхитом, хронической обструктивной болезнью легких и тяжелой астмой.
Новый метод секвенирования биоаэрозолей
Исследовательская группа установила серию коллекторов проб воздуха на крыше кампуса NTU, которые собирали пробы каждые два часа в течение пяти дней (180 проб на временной ряд). Этот же эксперимент повторялся каждые три месяца в течение 13 месяцев, включая два сезона дождей в Сингапуре.
Биомасса, переносимая по воздуху, собиралась путем прокачки воздуха через электростатический фильтр, задерживающий частицы из 0. Диапазон от 5 до 10 микрометров (примерно в 50-10 раз меньше, чем средняя толщина человеческого волоса соответственно). Раньше пробы воздуха приходилось собирать в течение недель или месяцев, чтобы собрать достаточно материала для анализа.
Благодаря новому протоколу секвенирования ДНК со сверхнизкой биомассой, разработанному исследовательской группой NTU, можно анализировать гораздо меньшие объемы воздуха, что впервые дает возможность изучать ежечасные изменения в составе микробиома воздуха.
Все биоаэрозоли были классифицированы в соответствии с их сходствами и различиями ДНК, что позволило идентифицировать переносимые по воздуху организмы на уровне видов после сравнения с существующими базами данных последовательностей ДНК.
Исследователи превзошли уровень идентификации биоаэрозолей, ранее достигнутый учеными, без необходимости амплификации ДНК или использования длительных периодов отбора проб, которые не дают достаточно подробной информации за короткие промежутки времени.
Предыдущие исследования, проведенные другими исследовательскими группами, сообщали о биоаэрозольных сообществах, основанных либо на культивировании, либо на амплификации генов, оба из которых влекут за собой существенные погрешности и совокупность времени, однако без достижения временного разрешения, которое позволило бы наблюдать суточную цикличность воздушно-капельные микроорганизмы.
Член группы д-р Елена Гусарева, научный сотрудник с докторской степенью в НТУ, сказала, что беспрецедентный масштаб и глубина анализа и классификации позволили команде идентифицировать более 1200 видов бактерий и грибков, которые изменяют модель микробного сообщества. состав.
Текущие исследования в NTU в настоящее время направлены на использование того же метода для глобального анализа биоаэрозолей в других местах, что может привести к аналогичным тенденциям с точки зрения отслеживания суточных циклов.