Bakteri yang kita hirup setiap hari

Read Also

Dalam sebuah studi baru-baru ini yang diterbitkan dalam jurnal PNAS, para peneliti mensurvei komunitas bakteri di udara global untuk memahami struktur komunitas dan pola distribusi biogeografis mereka. Selain itu, mereka memeriksa interaksi mereka dengan mikrobioma Bumi lainnya, terutama habitat permukaan.

Latar belakang

Atmosfer adalah habitat mikroba yang paling tak tersentuh di Bumi, dan bakteri di udara adalah komunitas paling kompleks dan dinamis yang memengaruhi mikrobioma Bumi. Ada lebih dari 1 × 104 sel bakteri/m³ dan ratusan taksa unik di udara. Studi skala besar telah secara sistematis mendokumentasikan fitur mikroba di tanah, laut, dan kotoran manusia. Juga, mereka telah menyarankan hubungan timbal balik antara mikrobioma udara dan lingkungan permukaan. Namun, ada kekurangan penelitian yang mendokumentasikan mikroorganisme di udara, terutama mengenai struktur komunitas mereka.

Mikroba tidak hidup dalam isolasi. Sebaliknya, mereka memiliki banyak hubungan ekologis, mulai dari mutualisme hingga persaingan. Dengan demikian, menentukan pola distribusi biogeografis dan interaksinya dengan mikrobioma Bumi lainnya, yang menentukan asal-usulnya, dapat menjelaskan efek perubahan iklim/lingkungan dan aktivitas antropogenik.

Tentang studi

Dalam penelitian ini, para peneliti pertama kali mengembangkan kumpulan data bakteri udara global untuk menilai tingkat kesamaan dan keterkaitan mereka. Dataset ini terdiri dari 76 sampel partikulat udara yang baru dikumpulkan dikombinasikan dengan 294 sampel yang dikumpulkan untuk penelitian sebelumnya dari 63 lokasi di seluruh dunia. Lokasi pengambilan sampel beragam dalam hal ketinggian dan geografi dan mencakup permukaan tanah hingga atap (dari 1,5 m hingga 25 m) hingga pegunungan 5.380 m di atas permukaan laut, kota-kota perkotaan yang padat penduduk, dan Lingkaran Arktik yang terpencil.

Tim memperoleh dataset untuk perbandingan dari Earth Microbiome Project (EMP), yang mengumpulkan 5.000+ sampel dari 23 lingkungan permukaan. Katalog referensi bakteri di udara memiliki lebih dari 27 juta non-redundant 16S ribosomal RNA (rRNA) gene sequences.

Selanjutnya, para peneliti membangun jaringan ko-kejadian komunitas udara global yang mencakup 5.038 hubungan korelasi yang signifikan (Spearman > 0,6) di antara 482 operational taxonomic units (OTUs) yang terhubung. OTU adalah unit analitik yang dikelompokkan berdasarkan kesamaan urutan DNA dalam ekologi mikroba. Akhirnya, tim menggunakan structural equation modeling (SEM) untuk mengeksplorasi mekanisme yang mendorong komunitas mikroba. Demikian juga, mereka menghitung efek total penyaringan lingkungan dan interaksi bakteri dalam membentuk komunitas.

The structure of globally distributed airborne bacterial communities. (A) Locations where air samples and environmental data were collected across the globe. (B) The number, proportion, and relative abundance of the global core OTUs compared with those of the remaining bacterial OTUs. (C) The taxonomic composition of the global core bacteria at the phylum and class level. (D) The global airborne bacterial community co-occurrence network. The connections (edges) stand for a strong (Spearman’s ρ > 0.6) and significant (p < 0.01) correlation. The nodes represent the combined OTUs with unique annotations for genus level in the datasets. The size of each node was proportional to the mean relative abundance across 370 samples. Nodes were colored by the phyla of the bacteria. (E) “Small-network” identification based on a “smallworldness” index and the average shortest path length of the global bacterial community network in the air, marine, and soil environments. (F) Degree—the betweenness centrality plot of each node in the co-occurrence network. The nodes in red are viewed as keystone species. The size of the nodes shows the relative proportions of the OTUs in the total microbiome.

Temuan studi

Ada 10.897 taksa yang terdeteksi dari 370 sampel udara individu, dan sebagian besar urutan bakteri milik lima filum. Firmicutes, Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Actinobacteria, dan Bacteroidetes merupakan 24,8%, 19,7%, 18,4%, 18,1%, dan 8,6% dari urutan bakteri ini, masing-masing. abundance–occupancy relationship (AOR) antara sampel yang ditempati takson bakteri dan massa rata-ratanya di udara global menunjukkan kurva sigmoid, mirip dengan pola yang diamati untuk hewan liar dan distribusi tumbuhan di Bumi.

Udara adalah ekosistem dinamis yang mengalir bebas yang memungkinkan transportasi jarak jauh komunitas bakteri yang dibawanya. Namun, komunitas bakterinya tampak terhubung dengan baik ke lingkungan lokal, terutama kontribusi sumber dan kondisi kualitas udara yang dihasilkan dari aktivitas antropogenik. Berkurangnya efek penyaringan lingkungan dan peningkatan kontribusi sumber terkait manusia telah menyebabkan beban biomassa yang lebih sedikit, kelimpahan bakteri patogen yang lebih tinggi, dan struktur jaringan yang lebih tidak stabil.

Khususnya, dibandingkan dengan rekan-rekan mereka di lingkungan tanah lapisan atas dan laut, bakteri di udara tidak saling berhubungan erat, memiliki koneksi intranode rata-rata 5,24. Mereka memiliki pendekatan pengelompokan acak, dan topologi memiliki resistensi yang rendah terhadap perubahan. Hubungan jauh yang diamati dan kelompok jaringan yang longgar menunjukkan bahwa komunitas bakteri di udara lebih mungkin terganggu sebagai fungsi dari kondisi lingkungan yang biasanya menyebabkan perubahan drastis dalam komposisi bakteri. Fungsi taksa bakteri atmosfer disimpulkan berdasarkan informasi genetik mereka di habitat lain.

Tim menemukan hubungan potensial antara komunitas bakteri di udara dan habitat mikroba permukaan lainnya. Perkiraan kelimpahan total bakteri udara global (1,72 × 1024 sel) sebanding dengan hidrosfer dan satu hingga tiga kali lipat lebih rendah daripada habitat lain (misalnya, tanah).

Dari 23 habitat utama Bumi yang dipelajari dalam penelitian ini, udara terestrial menunjukkan lebih banyak kesamaan dengan lingkungan manusia dan hewan, sementara udara lepas pantai menunjukkan hubungan yang lebih dekat dengan sistem lautan. Selanjutnya, evaluasi berdasarkan metode Bayesian menunjukkan bahwa karakteristik lingkungan permukaan yang sesuai menentukan sumber dominan bakteri di udara. Khususnya, sumber yang berhubungan dengan manusia berkontribusi lebih banyak pada bakteri di udara di daerah perkotaan, terutama di lokasi darat, sebuah temuan yang diabaikan dalam studi pemodelan emisi sebelumnya.

Role of airborne bacteria in the Earth’s microbial world. (A) Estimation of the global microbial abundance and richness in various habitats. The global richness (S) and the total abundance (N) in the corresponding habitats show a scaling relationship (the dashed orange line is the 95% prediction interval). Richness was predicted from the lognormal model using Nmax inferred from our sequencing data (filled circles) or Nmax predicted from the dominance-scaling law (open circles). The estimated S and N values for each habitat are, per see, a global sum. Some S and N were derived from previous studies. (B) A Bray–Curtis-based nonmetric multidimensional scaling (NMDS) plot shows that different microbial habitats harbor different bacterial communities on the Earth (n = 5,189). The Bray–Curtis distance was calculated to represent dissimilarities in the composition of bacterial communities. (C) Earth’s bacterial co-occurrence network shows the relationships of interconnection among 23 major microbial habitats. The connections (edges) stand for a strong (Spearman’s ρ > 0.7) and significant (p < 0.01) correlation. The thickness of lines represents the value of Spearman’s ρ. The environments were clustered into three groups with different colors by modularization. (D) Global airborne bacteria source analysis. Percentage of potential bacterial genera contributions from various environments to airborne bacterial communities in the urban, terrestrial background, and offshore areas, respectively, on a global scale.

Para penulis mencatat tidak ada perbedaan substansial dalam kekayaan komunitas bakteri di udara antara daerah perkotaan dan alam dalam kisaran garis lintang yang sama. Namun, lokasi geografis memang memiliki peran. Dengan demikian, kemerataan komunitas bakteri jauh lebih rendah di udara perkotaan. Misalnya, kelimpahan relatif spesies patogen, Burkholderia dan Pseudomonas, lebih tinggi di daerah perkotaan dibandingkan daerah alami (5,56 dan 2,50% vs 1,44 dan 1,11%). Selanjutnya, bakteri berkontribusi lebih sedikit terhadap particulate matter (PM) di perkotaan daripada di daerah alami, menunjukkan bahwa urbanisasi meningkatkan proporsi partikulat non-biologis di udara (misalnya, debu).

Patogen dengan risiko kematian tertinggi yaitu Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, and Enterobacter species (ESKAPE) lebih banyak ditemukan di udara perkotaan. Jaringan ko-terjadinya komunitas bakteri di udara perkotaan menunjukkan bahwa dampak antropogenik mengacaukan struktur jaringan mereka, yang, pada gilirannya, juga mengubah komposisi taksonomi bakteri.

Para penulis mencatat bahwa banyak faktor memengaruhi komunitas bakteri di udara — misalnya, lokasi geografis bersama dengan faktor lingkungan yang khas. Interaksi biotik antara komunitas bakteri kunci dan inti, serta kekayaan bakteri, berinteraksi secara signifikan. Dari semua proses deterministik, penyaringan lingkungan adalah penentu utama dari struktur dan distribusi komunitas mikroba di udara.

Kesimpulan

Untuk meringkas, hampir 46,3% bakteri di udara berasal dari lingkungan sekitarnya, dan proses stokastik terutama membentuk perakitan komunitas. Selain itu, ciri khas bakteri di udara di daerah perkotaan adalah peningkatan proporsinya yang terdiri dari patogen potensial dari sumber yang berhubungan dengan manusia. Terakhir, profil sumber bakteri di udara mempengaruhi persentase variasi struktural yang jauh lebih tinggi daripada kualitas udara dan kondisi meteorologi lokal (43,7% vs 29,4% dan 25,8%), sebagaimana dinilai melalui variation partition analysis (VPA).

Journal reference:

Global airborne bacterial community—interactions with Earth’s microbiomes and anthropogenic activities, 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