研究揭示了地球上全球空气传播细菌的组成和起源

众所周知，微生物群落是居住在特定环境中的微生物，包括有益和有害的细菌种类。了解破坏性微生物组如何起源于不断变化的环境及其对环境和人类健康的影响，有助于更有效地应对全球福祉挑战。

香港理工大学以及中国和美国的机构和大学的研究人员最近开展了一项研究，调查地球上空气传播(即在空气中运输)微生物组的组成和起源。他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上，表明人类和动物是全球空气传播细菌的主要来源之一。

“我们在这项全球性研究上总共花费了大约9年时间，包括起草最初的提案、在全球范围内进行抽样、收集和处理数据以及起草和修改手稿，”执行这项研究的主要研究人员之一李向东说。这项研究告诉Phys.org。“我们建立了一个对微生物学、生态学、空气污染和公共卫生具有影响的全球空气传播细菌综合图谱，我们相信空气传播细菌将越来越受到社会各界的关注。”

为了编制全球空气传播细菌图谱，Li和他的同事获得并组织了一个数据集，其中包含76个新收集的空气样本(每周803个样本的化合物)。然后，他们将此数据集与另外294个空气样本相结合，这些样本是作为著名科学研究的一部分收集的，覆盖全球63个地方。

研究人员使用的样本是在各种各样的地点收集的，从城市地区的屋顶到高山顶和北极圈。他们希望这将使他们能够识别空气传播细菌的生物地理分布，例如与不同类型细菌相关的生态系统和环境。

“我们最有趣的发现之一是中纬度地区微生物的最大微生物多样性，这与宏观生物多样性模式的典型纬度递减梯度完全不同，”李说。

在分析他们编制的空气传播细菌库时，李和他的同事发现，地球上现有空气传播微生物群落范围最广的地方位于所谓的中纬度地区。这是有道理的，因为众所周知，这些区域与更丰富的微生物组生态系统和更大的细菌群落生物多样性有关。

从城市空气条件到蓝天下自然山脉的空气污染梯度垂直剖面。图片来源：李向东(通讯作者之一)于2020年12月在香港九龙山顶(海拔600米)拍摄的照片。

“我们在研究中证实，与背景和相对原始的空气环境(例如西藏4000masl)相比，人类活动对微生物群落的影响更大，”李说。“人类活动确实改变了环境空气中微生物组的结构，特别是城市空气中的病原菌含量更高。因此，我们仍然需要倡导保护自然生态系统的努力。”

Li和他的同事估计，大气中细菌的丰富度(~109)与所谓的水圈(即包含地球表面所有水的区域)中细菌的丰富度相当。

“随着生物技术的快速发展，我们现在可以看到更多的全球微生物世界，并逐渐突破传统生物观察的局限，”李解释说。“因此，我们强烈建议在未来的教科书中涵盖更多的微生物学知识，包括对微生物组新的生物地理模式的讨论，以帮助公众更多地了解地球上看不见的微生物世界。”

在COVID-19大流行之后，世界各地的许多人更加意识到地球上的空气如何促进有害微生物群落(例如病毒和病原体)的快速传播。这组研究人员最近的工作为这些不可见但影响广泛的微生物的分布提供了有趣的见解。

作为他们最近研究的一部分，李和他的同事主要关注地球上不同微生物群落地理分布背后的机制。由于他们收集的样本仅从一年周期中获得，因此他们无法可靠地探索支撑这些微生物组随时间演变的过程。

“进化过程也推动了微生物生物地理学，甚至由于环境条件的变化而在生态尺度上发生，”李解释说。“因此，未来应该进行更长时间(约10年)的系统采样工作，以全面了解塑造各种宏观生态模式和细菌群落结构的机制。”

未来，这组研究人员收集的研究结果可能会激发制定旨在增加生物多样性的战略，以促进更广泛的生态有益微生物群的增殖。此外，他们编译的微生物组库可以被其他环境科学家用来评估城市化和其他人类活动对微生物组分布的影响。

“我们现在计划探索代谢活跃的细菌群落，了解它们在大气中的功能(例如，冰核、污染物转化、与其他生物成分的相互作用等)，以及对人类健康的影响(例如，健康的细菌群落/次级代谢产物和/或有害影响，例如过敏原、病原体、抗菌素耐药性等)，”李补充道。

“我们还计划扩大空气中微生物组(如真菌、病毒、过敏原等)的范围，以丰富与人类健康相关的生物气溶胶和大气科学的研究领域，并有助于扩大对空气微生物的理解前沿。地球的微生物组。”