Dans une récente étude publiée dans la revue PNAS, les chercheurs ont étudié les communautés bactériennes aéroportées mondiales pour comprendre leur structure communautaire et leurs schémas de distribution biogéographiques. De plus, ils ont examiné leurs interactions avec les autres microbiomes de la Terre, en particulier les habitats de surface.
Étude : Communauté bactérienne aéroportée mondiale – interactions avec les microbiomes terrestres et les activités anthropiques. Crédit d’image : Lightspring / Shutterstock
Sommaire
Arrière plan
L’atmosphère est l’habitat microbien le plus intact sur Terre, et les bactéries en suspension dans l’air sont les communautés les plus complexes et les plus dynamiques qui influencent les microbiomes de la Terre. Il y a plus de 1 × 104 cellules bactériennes/m3 et des centaines de taxons uniques dans l’air. Des études à grande échelle ont systématiquement documenté les caractéristiques microbiennes du sol, de l’océan et des déchets humains. En outre, ils ont suggéré une relation entre les microbiomes aéroportés et les environnements de surface. Cependant, il y a un manque d’études documentant les micro-organismes aéroportés, en particulier concernant leur structure communautaire.
Les microbes ne vivent pas isolés. Au lieu de cela, ils ont de multiples relations écologiques, allant du mutualisme à la concurrence. Ainsi, la détermination de leurs schémas de distribution biogéographiques et de leurs interactions avec les autres microbiomes de la Terre, qui définissent leurs origines, pourrait éclairer les effets du changement climatique/environnemental et des activités anthropiques.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont d’abord développé un ensemble de données sur les bactéries aéroportées mondiales pour évaluer leur degré de similitude et leurs interrelations. Cet ensemble de données comprenait 76 échantillons de particules atmosphériques nouvellement collectés combinés à 294 échantillons collectés pour des études antérieures sur 63 sites dans le monde. Les sites d’échantillonnage étaient variés en termes d’altitude et de géographie et englobaient le niveau du sol jusqu’aux toits (de 1,5 m à 25 m de haut) aux montagnes à 5 380 m au-dessus du niveau de la mer, des villes urbaines densément peuplées et le lointain cercle polaire arctique.
L’équipe a obtenu l’ensemble de données à des fins de comparaison du Earth Microbiome Project (EMP), qui a accumulé plus de 5 000 échantillons provenant de 23 environnements de surface. Le catalogue de référence des bactéries aéroportées contenait plus de 27 millions de séquences de gènes d’ARN ribosomal (ARNr) 16S non redondants.
En outre, les chercheurs ont construit un réseau mondial de cooccurrence de communautés aéroportées englobant 5 038 relations de corrélation significatives (ρ de Spearman > 0,6) parmi 482 unités taxonomiques opérationnelles (OTU) connectées. Les OTU sont des unités analytiques regroupées par similarité de séquence d’ADN dans l’écologie microbienne. Enfin, l’équipe a utilisé la modélisation par équations structurelles (SEM) pour explorer les mécanismes à l’origine des communautés microbiennes. De même, ils ont calculé les effets totaux du filtrage environnemental et des interactions bactériennes sur la formation des communautés.
La structure des communautés bactériennes aéroportées distribuées dans le monde. (A) Emplacements où des échantillons d’air et des données environnementales ont été collectés à travers le monde. (B) Le nombre, la proportion et l’abondance relative des OTU de base mondiales par rapport à celles des OTU bactériennes restantes. (C) La composition taxonomique des bactéries centrales globales au niveau du phylum et de la classe. (D) Le réseau mondial de cooccurrence de la communauté bactérienne aéroportée. Les connexions (arêtes) représentent une corrélation forte (ρ de Spearman > 0,6) et significative (p < 0,01). Les nœuds représentent les OTU combinées avec des annotations uniques pour le niveau de genre dans les ensembles de données. La taille de chaque nœud était proportionnelle à l'abondance relative moyenne sur 370 échantillons. Les nœuds étaient colorés par les embranchements des bactéries. (E) Identification de « petit réseau » basée sur un indice de « petit monde » et la longueur moyenne du chemin le plus court du réseau mondial de la communauté bactérienne dans les environnements aérien, marin et du sol. (F) Degré—le diagramme de centralité d'intermédiarité de chaque nœud dans le réseau de cooccurrence. Les nœuds en rouge sont considérés comme des espèces clés. La taille des nœuds montre les proportions relatives des OTU dans le microbiome total.
Résultats de l’étude
Il y avait 10 897 taxons détectés à partir de 370 échantillons d’air individuels, et la plupart des séquences bactériennes appartenaient à cinq phylums. Firmicutes, Alphaprotéobactéries, Gammaprotéobactéries, Actinobactérieset Bacteroidetes constituaient respectivement 24,8 %, 19,7 %, 18,4 %, 18,1 % et 8,6 % de ces séquences bactériennes. La relation abondance-occupation (AOR) entre les échantillons occupés par un taxon bactérien et sa masse moyenne dans l’air global a montré une courbe sigmoïde, similaire au schéma observé pour la distribution des animaux sauvages et des plantes sur Terre.
L’air est un écosystème fluide et dynamique permettant le transport à longue distance des communautés bactériennes qu’il transporte. Cependant, sa communauté bactérienne est apparue bien connectée aux environnements locaux, en particulier les contributions des sources et les conditions de qualité de l’air résultant des activités anthropiques. La réduction des effets de filtrage environnemental et les contributions élevées des sources liées à l’homme ont entraîné une diminution des charges de biomasse, une plus grande abondance de bactéries pathogènes et des structures de réseau plus déstabilisées.
Notamment, par rapport à leurs homologues de la couche arable et des environnements marins, les bactéries en suspension dans l’air n’étaient pas étroitement interconnectées, avec une connexion intra-nœud moyenne de 5,24. Ils avaient une approche de clustering aléatoire et la topologie avait une faible résistance aux changements. Les relations distantes observées et les grappes lâches du réseau suggèrent que la communauté bactérienne aéroportée est plus susceptible d’être perturbée en fonction des conditions environnementales qui conduisent généralement à des changements drastiques dans la composition bactérienne. Les fonctions des taxons bactériens atmosphériques ont été déduites sur la base de leur information génétique dans d’autres habitats.
L’équipe a trouvé des associations potentielles entre les communautés bactériennes en suspension dans l’air et d’autres habitats microbiens de surface. L’abondance totale estimée des bactéries aéroportées mondiales (1,72 × 1024 cellules) étaient comparables à celles de l’hydrosphère et inférieures d’un à trois ordres de grandeur à celles d’autres habitats (par exemple, le sol).
Sur les 23 principaux habitats terrestres étudiés dans l’étude actuelle, l’air terrestre présentait plus de similitudes avec les environnements humains et animaux, tandis que l’air marin présentait une relation plus étroite avec les systèmes océaniques. De plus, des évaluations basées sur des méthodes bayésiennes ont montré que les caractéristiques de l’environnement de surface correspondant déterminaient les sources dominantes de bactéries en suspension dans l’air. Notamment, les sources liées à l’homme ont davantage contribué aux bactéries en suspension dans l’air dans les zones urbaines, en particulier sur les sites terrestres, une découverte qui a été largement ignorée dans les études de modélisation des émissions précédentes.
Rôle des bactéries aéroportées dans le monde microbien de la Terre. (A) Estimation de l’abondance et de la richesse microbiennes mondiales dans divers habitats. La richesse globale (S) et l’abondance totale (N) dans les habitats correspondants montrent une relation d’échelle (la ligne orange pointillée est l’intervalle de prédiction à 95%). La richesse a été prédite à partir du modèle lognormal utilisant Nmaximum déduit de nos données de séquençage (cercles pleins) ou Nmaximum prédit à partir de la loi d’échelle de dominance (cercles ouverts). Les valeurs estimées de S et N pour chaque habitat sont, en soi, une somme globale. Certains S et N ont été dérivés d’études antérieures. (B) Un graphique de mise à l’échelle multidimensionnelle non métrique (NMDS) basé sur Bray-Curtis montre que différents habitats microbiens abritent différentes communautés bactériennes sur la Terre (n = 5 189). La distance Bray-Curtis a été calculée pour représenter les dissemblances dans la composition des communautés bactériennes. (C) Le réseau de cooccurrence bactérienne de la Terre montre les relations d’interconnexion entre 23 habitats microbiens majeurs. Les connexions (arêtes) représentent une corrélation forte (ρ de Spearman > 0,7) et significative (p < 0,01). L'épaisseur des lignes représente la valeur du ρ de Spearman. Les environnements ont été regroupés en trois groupes avec des couleurs différentes par modularisation. (D) Analyse globale des sources de bactéries en suspension dans l'air. Pourcentage des contributions potentielles de genres bactériens de divers environnements aux communautés bactériennes aéroportées dans les zones urbaines, terrestres et offshore, respectivement, à l'échelle mondiale.
Les auteurs n’ont noté aucune disparité substantielle dans la richesse des communautés bactériennes aéroportées entre les zones urbaines et naturelles dans la même plage de latitude. Cependant, la situation géographique a joué un rôle. Ainsi, la régularité des communautés bactériennes était beaucoup plus faible dans l’air urbain. Par exemple, l’abondance relative des espèces pathogènes, Burkholderia et Pseudomonas, était plus élevé dans les zones urbaines que dans les zones naturelles (5,56 et 2,50 % contre 1,44 et 1,11 %). De plus, les bactéries contribuaient moins à la masse de matières particulaires (MP) dans les zones urbaines que dans les zones naturelles, ce qui indique que l’urbanisation a augmenté la proportion de particules non biologiques dans l’air (par exemple, la poussière).
Les agents pathogènes les plus à risque de mortalité, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosaet Enterobacter (ESKAPE) étaient plus abondants dans l’air urbain. Le réseau de cooccurrence des communautés bactériennes aéroportées urbaines a indiqué que les impacts anthropiques ont déstabilisé leur structure de réseau, ce qui, à son tour, a également modifié la composition taxonomique bactérienne.
Les auteurs ont noté que plusieurs facteurs avaient un impact sur les communautés bactériennes en suspension dans l’air, par exemple, les emplacements géographiques ainsi que les facteurs environnementaux typiques. Les interactions biotiques entre les communautés bactériennes clés et centrales, ainsi que la richesse bactérienne, ont interagi de manière significative. De tous les processus déterministes, le filtrage environnemental était le principal déterminant de la structure et de la distribution des communautés microbiennes en suspension dans l’air.
conclusion
Pour résumer, près de 46,3 % des bactéries en suspension dans l’air provenaient des environnements environnants et les processus stochastiques ont principalement façonné l’assemblage de la communauté. De plus, la caractéristique distinctive des bactéries aéroportées dans les zones urbaines était sa proportion croissante composée d’agents pathogènes potentiels d’origine humaine. Enfin, les profils de sources bactériennes aéroportées ont affecté un pourcentage sensiblement plus élevé des variations structurelles que celui de la qualité de l’air et des conditions météorologiques locales (43,7 % contre 29,4 % et 25,8 %), tel qu’évalué par l’analyse de répartition des variations (APV).
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