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微生物在热带空气中显示出精确的每日节律

新加坡南洋理工大学新加坡环境生命科学工程中心(SCELSE)的科学家们发现,热带地区的空气中充斥着至少725种不同微生物的丰富多样的范围。

微生物在热带空气中显示出精确的每日节律

NTU的科学家使用了一种新的采样方法,对新加坡空气中的微生物群落进行了DNA测序。他们发现热带空气中微生物群落的组成可以预测地发生变化,白天细菌占主导地位,夜间真菌占主导地位。

这种昼夜模式和近地表大气中空气传播的微生物的多样性以前是未知的,因为大气对技术的研究具有挑战性,因此与陆地和海洋生态系统相比,它是行星尺度上最未开发的生态系统。

本周在《美国国家科学院院刊》上报道了有关热带生物气溶胶的新知识-包括真菌,细菌和植物材料的微小空气传播颗粒。

在NTU基因组学教授斯蒂芬·舒斯特尔(Stephan Schuster)领导的研究论文中,研究小组报告说,热带空气具有与其他经过充分研究的生态系统(如海水,土壤和人类肠道)相似的微生物多样性。

这些生物气溶胶群落(生物来源的空气传播颗粒)具有意想不到的大量细菌和真菌物种,它们遵循diel循环(昼夜周期为24小时),科学家认为这是受湿度,雨水等环境条件驱动的,太阳辐照度和二氧化碳水平。

他们还证明,一天之内的成分变化要比几天甚至几个月的变化大。尽管整个热带季节的气流和季风风有所变化,但这种强大的社区结构仍保持了长期的可预测性。

对人类健康的影响

SCELSE的研究主管Schuster教授说,具有分析生物气溶胶的能力可以洞悉影响我们日常生活和人类福祉的城市生活的许多方面。它还提供了对大气,陆地和水生行星生态系统之间相互作用的理解,这在气候变化期间特别有价值。

我们当前的研究表明,温度还是表层附近大气微生物群落动态的全球驱动力。这种理解对于确保城市环境及其以外地区的生态系统可持续性至关重要。

在本地,了解生物气溶胶动力学也将为我们管理周围大气的方式提供信息,例如室内空气质量,机械通风和污染对周围空气微生物群的影响。此外,鉴于现有研究仅涉及温带气候,我们的研究为热带环境中的生物气溶胶提供了重要且急需的见解。”

平均而言,人类每天呼吸的空气量为11立方米(1.1万升),白天在热带地区可能包含约5万个有机体细胞,而夜间则是其中的30到100倍。

科学家说,他们开始了解空气微生物群落对环境和人类健康的影响,对呼吸系统疾病的患者具有最直接的影响。此外,可以长期避免对农作物的损害,因为许多检测到的生物是植物病原体或木材腐烂真菌。

这些发现促使研究团队在呼吸系统健康领域与南大理学院和南大李光前医学院进行了跨学科研究项目。

联合小组与由Provost分子医学教授助理的呼吸内科医师助理Sanjay Chotirmall教授领导的临床专家一起,评估生物气溶胶如何影响支气管炎,慢性阻塞性肺疾病和严重哮喘的患者。

新型生物气溶胶测序方法

研究团队在NTU校园的屋顶上设置了一系列空气样本收集器,在五天的过程中每两小时收集一次样本(每个时间序列180个样本)。每三个月重复一次相同的实验,持续13个月,其中包括新加坡的两个季风季节。

通过泵送空气通过静电过滤器收集空气中的生物质,该过滤器保留了0.5到10微米范围内的颗粒(分别比人的头发平均厚度小50到10倍)。以前,空气样本必须聚集数周或数月才能聚集足够的材料进行分析。

通过NTU研究团队开发的新的超低生物量DNA测序方案,可以分析更小体积的空气,从而首次使研究空气微生物组组成每小时变化的能力成为可能。

所有生物气溶胶均根据其DNA的相似性和差异进行分类,与现有DNA序列数据库进行比较后,可以对空气传播的生物进行物种级鉴定。

研究人员超越了科学家以前鉴定的生物气溶胶的水平,而无需扩增DNA或使用长期采样周期而无法在短时间间隔内提供足够详细的信息。

其他研究小组先前的研究已经报告了基于耕作或基因扩增的生物气溶胶群落,这两种生物都造成了明显的偏差和时间的聚集,但是没有达到可以观察到空气中微生物日常循环的时间分辨率。

NTU的博士后研究员Elena Gusareva博士说,前所未有的规模和深度的分析和分类,使该团队能够识别出1,200多种细菌和真菌物种,这些物种和微生物群落组成发生了变化。

南洋理工大学正在进行的研究正在研究使用相同的方法在全球范围内分析其他地方的生物气溶胶,这可能会在跟随diel周期方面产生类似的趋势。

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