細菌和真菌在熱帶空氣中顯示出精確的每日節(jié)律

新加坡南洋理工大學(xué)新加坡環(huán)境生命科學(xué)工程中心(SCELSE)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，熱帶地區(qū)的空氣中充斥著至少725種不同微生物，種類繁多。

NTU的科學(xué)家使用了一種新的采樣方法，對新加坡空氣中的微生物群落進行了DNA測序。他們發(fā)現(xiàn)熱帶空氣中微生物群落的組成可以預(yù)測地發(fā)生變化，白天細菌占主導(dǎo)地位，夜間真菌占主導(dǎo)地位。

這種晝夜模式和近地表大氣中空氣傳播的微生物的多樣性以前是未知的，因為大氣對技術(shù)的研究具有挑戰(zhàn)性，因此與陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)相比，它是行星尺度上最未開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)。

本周在《美國國家科學(xué)院院刊》上報道了有關(guān)熱帶生物氣溶膠的新知識-由真菌，細菌和植物材料組成的微小空氣傳播顆粒。

在NTU基因組學(xué)教授斯蒂芬·舒斯特爾(Stephan Schuster)領(lǐng)導(dǎo)的研究論文中，研究小組報告說，熱帶空氣具有與其他經(jīng)過充分研究的生態(tài)系統(tǒng)(如海水，土壤和人類腸道)相似的微生物多樣性。

這些生物氣溶膠群落(生物來源的空氣傳播顆粒)具有意想不到的大量細菌和真菌物種，它們遵循diel循環(huán)(晝夜周期為24小時)，科學(xué)家認為這是受濕度，雨水等環(huán)境條件驅(qū)動的，太陽輻照度和二氧化碳水平。

他們還證明，一天之內(nèi)的成分變化要比幾天甚至幾個月的變化大。盡管整個熱帶季節(jié)的氣流和季風(fēng)風(fēng)有所變化，但這種強大的社區(qū)結(jié)構(gòu)仍保持了長期的可預(yù)測性。

對人類健康的影響

SCELSE的研究主管Schuster教授說，具有分析生物氣溶膠的能力可以洞悉影響我們?nèi)粘Ｉ詈腿祟惛ｌ淼某鞘猩畹脑S多方面。它還提供了對大氣，陸地和水生行星生態(tài)系統(tǒng)之間相互作用的理解，這在氣候變化期間特別有價值。

舒斯特教授補充說：“我們目前的研究表明，溫度也是造成表層附近大氣微生物群落動態(tài)的全球驅(qū)動力。這種理解是確保城市及其他地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的基礎(chǔ)。”

“在本地，了解生物氣溶膠動力學(xué)也將為我們管理周圍大氣的方式提供信息，例如室內(nèi)空氣質(zhì)量，機械通風(fēng)和污染對我們周圍空氣微生物的影響。此外，我們的研究提供了重要且急需的見解鑒于現(xiàn)有研究僅涉及溫帶氣候，因此在熱帶環(huán)境中將其引入生物氣溶膠。”

平均而言，人類每天呼吸的空氣量為11立方米(1.1萬升)，白天在熱帶地區(qū)可能包含約5萬個有機體細胞，而夜間則是其中的30到100倍。

科學(xué)家說，他們開始了解空氣微生物群落對環(huán)境和人類健康的影響，對呼吸系統(tǒng)疾病的患者具有最直接的影響。此外，可以長期避免對農(nóng)作物的損害，因為許多檢測到的生物是植物病原體或木材腐爛真菌。

這些發(fā)現(xiàn)促使研究團隊在呼吸系統(tǒng)健康領(lǐng)域與南大理學(xué)院和南大李光前醫(yī)學(xué)院進行了跨學(xué)科研究項目。

聯(lián)合小組與由Provost分子醫(yī)學(xué)教授助理的呼吸內(nèi)科醫(yī)師助理Sanjay Chotirmall教授領(lǐng)導(dǎo)的臨床專家一起，評估生物氣溶膠如何影響支氣管炎，慢性阻塞性肺疾病和嚴重哮喘的患者。

新型生物氣溶膠測序方法

研究團隊在NTU校園的屋頂上設(shè)置了一系列空氣樣本收集器，在五天的過程中每兩小時收集一次樣本(每個時間序列180個樣本)。每三個月重復(fù)一次相同的實驗，持續(xù)13個月，其中包括新加坡的兩個季風(fēng)季節(jié)。

通過泵送空氣通過靜電過濾器收集空氣中的生物質(zhì)，該過濾器保留0.5至10微米范圍內(nèi)的顆粒(分別比人的頭發(fā)平均厚度小50倍至10倍)。以前，空氣樣本必須聚集數(shù)周或數(shù)月才能聚集足夠的材料進行分析。

通過NTU研究團隊開發(fā)的新的超低生物量DNA測序方案，可以分析更小體積的空氣，從而首次使研究空氣微生物組組成每小時變化的能力成為可能。

所有生物氣溶膠均根據(jù)其DNA的相似性和差異進行分類，與現(xiàn)有DNA序列數(shù)據(jù)庫進行比較后，可以對空氣傳播的生物進行物種級鑒定。

研究人員超越了科學(xué)家以前鑒定的生物氣溶膠的水平，而無需擴增DNA或使用長期采樣周期而無法在短時間間隔內(nèi)提供足夠詳細的信息。

其他研究小組先前的研究已經(jīng)報告了基于耕作或基因擴增的生物氣溶膠群落，這兩種生物都造成了明顯的偏差和時間的聚集，但是沒有達到可以觀察到空氣中微生物日常循環(huán)的時間分辨率。

NTU的博士后研究員Elena Gusareva博士說，前所未有的規(guī)模和深度的分析和分類，使該團隊能夠識別出1,200多種細菌和真菌物種，這些物種和微生物群落組成發(fā)生了變化。

南洋理工大學(xué)正在進行的研究正在研究使用相同的方法在全球范圍內(nèi)分析其他地方的生物氣溶膠，這可能會在跟隨diel周期方面產(chǎn)生類似的趨勢。

論文題為“熱帶生態(tài)系統(tǒng)空氣微生物群落遵循一個精確的晝夜周期”，發(fā)表在PNAS，2019年10月29日。