Аэропланктон: Микроорганизмы в воздушном океане

Введение

Крошечные формы жизни, парящие и дрейфующие в воздухе, переносимые ветром.

Аэропланктон (или воздушный планктон) – это крошечные формы жизни, которые парят и дрейфуют в воздухе, переносимые ветром. Большинство организмов, составляющих аэропланктон, имеют очень малые или микроскопические размеры, и многие из них трудно идентифицировать из-за их крошечности. Ученые собирают их для изучения с помощью ловушек и сетей, устанавливаемых на самолетах, воздушных змеях или воздушных шарах. Изучение распространения этих частиц называется аэробиологией. Аэропланктон состоит в основном из микроорганизмов, включая вирусы, около 1000 различных видов бактерий, около 40 000 разновидностей грибов и сотни видов простейших, водорослей, мхов и печеночников, которые проводят часть своего жизненного цикла в качестве аэропланктона, часто в виде спор, пыльцы и семян, разносящихся ветром. Кроме того, микроорганизмы попадают в воздух с наземными пыльными бурями, а еще большее количество морских микроорганизмов поднимается в атмосферу с морскими брызгами. Аэропланктон ежедневно осаждает сотни миллионов вирусов и десятки миллионов бактерий на каждый квадратный метр планеты. Мелкий, дрейфующий аэропланктон встречается повсеместно в атмосфере, достигая концентрации до 106 микробных клеток на кубический метр. Процессы, такие как аэрозолизация и перенос ветром, определяют распределение микроорганизмов в атмосфере. Глобальная циркуляция воздушных масс распространяет огромное количество парящих воздушных организмов, которые перемещаются между континентами, создавая биогеографические закономерности, выживая и заселяя отдаленные районы. Помимо колонизации нетронутых сред обитания, глобальные перемещения этих организмов оказывают влияние на здоровье человека. Воздушные микроорганизмы также участвуют в образовании облаков и осадков и играют важную роль в формировании филлосферы – обширной наземной среды обитания, участвующей в круговороте питательных веществ.

Обзор

Атмосфера – наименее изученный биом на Земле, несмотря на ее критически важную роль как среды для переноса микроорганизмов и предположения об их метаболической активности. Различные процессы, такие как аэрозолизация, могут играть важную роль в определении того, какие микроорганизмы существуют в атмосфере. В случае микроорганизмов, циркуляция воздушных масс распространяет огромное количество особей и связывает между собой удаленные среды. Микроорганизмы, переносимые по воздуху, могут перемещаться между континентами, выживать и оседать в удаленных регионах, формируя биогеографические закономерности, а также влиять на устойчивость к антибиотикам, образование облаков и осадков, участвующих в круговороте питательных веществ. Предыдущие исследования биоаэрозолей, основанные на ампликонном секвенировании, в основном фокусировались на бактериальной фракции воздушного микробиома, в то время как грибковая и пыльцевая фракции часто оставались недостаточно изученными. Микроорганизмы, переносимые по воздуху, также оказывают влияние на продуктивность сельского хозяйства, поскольку бактериальные и грибковые виды, распространяемые воздушными потоками, выступают в качестве возбудителей болезней растений. Кроме того, было показано, что атмосферные процессы, такие как конденсация облаков и образование ледяных ядер, зависят от микрочастиц, переносимых по воздуху. Поэтому понимание динамики микробных организмов в воздухе имеет решающее значение для понимания атмосферы как экосистемы, а также для оценки благополучия человека и здоровья дыхательных путей. В последние годы технологии секвенирования ДНК нового поколения, такие как метабаркодирование, а также координированные исследования метагеномики и метатранскриптомики, предоставляют новые сведения о функционировании микробных экосистем и взаимоотношениях, которые микроорганизмы поддерживают с окружающей средой. Проводились исследования почв, океана, кишечника человека и других сред. Однако в атмосфере экспрессия генов микробов и их метаболическое функционирование остаются в значительной степени неизученными, отчасти из-за низкой биомассы и трудностей с отбором проб. Направленная геномика и транскриптомика, ориентированные на рибосомальные гены, подтвердили более ранние данные о поддержании метаболической активности в аэрозолях и облаках. Эффективный перенос пыльцы гарантирует успешное размножение цветковых растений. Независимо от способа распространения пыльцы, распознавание мужских и женских гамет возможно благодаря взаимному контакту рыльца и поверхности пыльцы. Цитохимические реакции отвечают за связывание пыльцы с конкретным рыльцем. Существует ряд свидетельств, указывающих на увеличение числа аллергических реакций, вызванных пыльцой, особенно в высокоиндустриализированных странах.

The atmosphere is the least understood biome on Earth despite its critical role as a microbial transport medium. and that they might be metabolically active. Different processes, such as aerosolisation, might be important in selecting which microorganisms exist in the atmosphere. In the case of microorganisms, air mass circulation disperses vast amounts of individuals and interconnects remote environments. Airborne microorganisms can travel between continents, survive and settle on remote environments, which creates biogeographic patterns. and antibiotic resistances, cloud formation and precipitation, involved in nutrient cycling. Previous studies investigating bioaerosols using amplicon sequencing predominantly focussed on the bacterial fraction of the air microbiome, while fungal and plant pollen fractions frequently remained understudied. Airborne microbial organisms also impact agricultural productivity, as bacterial and fungal species distributed by air movement act as plant blights. Furthermore, atmospheric processes, such as cloud condensation and ice nucleation events were shown to depend on airborne microbial particles. Therefore, understanding the dynamics of microbial organisms in air is crucial for insights into the atmosphere as an ecosystem, but also will inform on human wellbeing and respiratory health. In recent years, next generation DNA sequencing technologies, such as metabarcoding as well as coordinated metagenomics and metatranscriptomics studies, have been providing new insights into microbial ecosystem functioning, and the relationships that microorganisms maintain with their environment. There have been studies in soils, the ocean, the human gut, and elsewhere. In the atmosphere, though, microbial gene expression and metabolic functioning remain largely unexplored, in part due to low biomass and sampling difficulties. and targeted genomics and transcriptomics towards ribosomal genes has supported earlier findings about the maintenance of metabolic activity in aerosols and in clouds. An efficient transfer of the pollen guarantees successful reproduction in flowering plants. No matter how pollen is dispersed, the male female recognition is possible by mutual contact of stigma and pollen surfaces. Cytochemical reactions are responsible for pollen binding to a specific stigma. There is a body of evidence suggesting that allergic reactions induced by pollen are on the increase, particularly in highly industrial countries.]]

Споры грибков

Грибки, являющиеся основным элементом атмосферных биоаэрозолей, способны существовать и выживать в воздухе в течение длительных периодов времени. И споры, и мицелий могут быть опасны для людей, страдающих аллергией, вызывая различные проблемы со здоровьем, включая астму. Помимо негативного воздействия на здоровье человека, атмосферные грибы могут быть опасны для растений как источники инфекции. Кроме того, грибковые организмы могут создавать дополнительные токсины, вредные для человека и животных, такие как эндотоксины или микотоксины. С учетом этого аспекта, аэромикологические исследования считаются способными предсказывать будущие симптомы болезней растений как у культурных, так и у дикорастущих растений. В частности, в горных районах было установлено наличие многочисленных грибковых организмов, патогенных для растений. Интересны сообщения о грозовой астме. В классическом исследовании, проведенном в Соединенном Королевстве, вспышка острой астмы была связана с увеличением концентрации аскоспор Didymella exitialis и базидиоспор Sporobolomyces, зафиксированным во время сильного шторма. Грозы связаны с выбросами спор: когда концентрация спор резко возрастает за короткий промежуток времени, например, с 20 000 спор/м³ до более чем 170 000 спор/м³ за 2 часа. Однако другие источники считают, что причиной грозовой астмы является пыльца или загрязнение воздуха. Трансокеанские и трансконтинентальные переносы пыли перемещают большое количество спор на огромные расстояния и могут повлиять на здоровье населения; аналогичные данные связывают пыль, поднятую с Сахары, с обращениями детей в отделения неотложной помощи на острове Тринидад. Споры грибков обычно занимают первое место среди компонентов биоаэрозоля по численности, которая может достигать , в то время как зерна пыльцы и споры папоротников могут достигать . Многие мелкие животные, в основном членистоногие (например, насекомые и пауки), также поднимаются в атмосферу воздушными потоками и могут быть обнаружены плавающими на высоте нескольких тысяч футов. Например, тли часто встречаются на больших высотах. Дрейф, иногда называемый "байтоном", – это процесс, при котором пауки и некоторые другие мелкие беспозвоночные перемещаются по воздуху, выпуская одну или несколько тонких нитей паутины, чтобы уловить ветер, что позволяет им взлетать и перемещаться под воздействием воздушных потоков. Паук (обычно ограниченный небольшими видами) или паучок после вылупления забирается как можно выше, встает на поднятые ноги, с брюшком, направленным вверх ("на цыпочках"), и затем выпускает несколько шелковых нитей из паутинных желез в воздух. Они автоматически формируют треугольный парашют, который уносит паука вверх по восходящим потокам воздуха, где даже легкий ветерок может разнести паука. Даже в атмосферных пробах, собранных с помощью воздушных шаров на большой высоте и с кораблей в открытом океане, сообщалось о посадках пауков. Смертность высока. Достаточная подъемная сила для дрейфа может возникать даже в безветренную погоду, если в атмосфере присутствует градиент электростатического заряда.

Fungi, a major element of atmospheric bioaerosols, are capable of existing and surviving in the air for extended periods of time. Both the spores and the mycelium may be dangerous for people suffering from allergies, causing various health issues including asthma. Apart from their negative impact on human health, atmospheric fungi may be dangerous for plants as sources of infection. Moreover, fungal organisms may be capable of creating additional toxins that are harmful to humans and animals, such as endotoxins or mycotoxins. Considering this aspect, aeromycological research is considered capable of predicting future symptoms of plant diseases in both crops and wild plants. Notably, the presence of numerous fungal organisms pathogenic to plants has been determined in mountainous regions. Intriguing are reports of thunderstorm asthma. In a now classic study from the United Kingdom, an outbreak of acute asthma was linked to increases in Didymella exitialis ascospores and Sporobolomyces basidiospores associated with a severe weather event. Thunderstorms are associated with spore plumes: when spore concentrations increase dramatically over a short period of time, for example from 20,000 spores/m3 to over 170,000 spores/m3 in 2 hours. However, other sources consider pollen or pollution as causes of thunderstorm asthma. Transoceanic and transcontinental dust events move large numbers of spores across vast distances and have the potential to impact public health, and similar correlative evidence links dust blown off the Sahara with pediatric emergency room admissions on the island of Trinidad. Fungal spores usually rank first among bioaerosol constituents due to their count numbers which can reach to between , while pollen grains and fern spores can each reach to between .]] Many small animals, mainly arthropods (such as insects and spiders), are also carried upwards into the atmosphere by air currents and may be found floating several thousand feet up. Aphids, for example, are frequently found at high altitudes. Ballooning, sometimes called kiting, is a process by which spiders, and some other small invertebrates, move through the air by releasing one or more gossamer threads to catch the wind, causing them to become airborne at the mercy of air currents. A spider (usually limited to individuals of a small species), or spiderling after hatching, will climb as high as it can, stand on raised legs with its abdomen pointed upwards ("tiptoeing"), and then release several silk threads from its spinnerets into the air. These automatically form a triangular shaped parachute which carries the spider away on updrafts of winds where even the slightest of breezes will disperse the arachnid. Even atmospheric samples collected from balloons at altitude and ships mid ocean have reported spider landings. Mortality is high. Enough lift for ballooning may occur, even in windless conditions, if an electrostatic charge gradient is present in the atmosphere.

Нематоды

Нематоды (круглые черви) – наиболее распространенный таксон животных, также встречаются среди аэропланктона. Соответственно, нематоды могут легко распространяться ветром. Однако, как сообщают Vanschoenwinkel et al., некоторые микроорганизмы поднимаются из наземных пыльных бурь, но большинство происходит от морских микроорганизмов в морском спрее. В 2018 году ученые сообщили, что сотни миллионов вирусов и десятки миллионов бактерий ежедневно откладываются на каждом квадратном метре планеты. Наличие цианобактерий и микроводорослей в воздухе, а также их негативное воздействие на здоровье человека, задокументировано многими исследователями во всем мире. Однако исследований цианобактерий и микроводорослей меньше, чем исследований других бактерий и вирусов. Особенно не хватает исследований о наличии и таксономическом составе цианобактерий и микроводорослей вблизи экономически важных водоемов с развитым туризмом. Исследования воздушно-капельных водорослей особенно важны в туристических районах у водоемов. Купающиеся подвергаются воздействию особенно высоких концентраций вредных цианобактерий и микроводорослей. Кроме того, вредные вспышки микроводорослей и цианобактерий часто происходят как в морских, так и в пресноводных водоемах летом. Предыдущие работы показали, что в Средиземном море доминируют пикоцианобактерии Synechococcus sp. и Synechocystis sp., которые ответственны за производство группы гепатотоксинов, известных как микроцистины. Поскольку большая часть туризма приходится на лето, многие туристы подвергаются наиболее выраженному негативному воздействию микроводорослей, переносимых по воздуху. Воздушно-капельные бактерии выделяются большинством поверхностей Земли (растения, океаны, суша и городские районы) в атмосферу посредством различных механических процессов, таких как эоловая эрозия почвы, образование морского спрея или механические возмущения, включая антропогенную деятельность, и переносятся ветром на большие расстояния. В результате бактерии присутствуют в воздухе, по крайней мере, до нижней стратосферы. Учитывая, что атмосфера – это огромный конвейер, перемещающий воздух на тысячи километров, микроорганизмы распространяются по всему миру. В зависимости от их размера, цианобактерии и микроводоросли могут вдыхаться человеком и оседать в различных частях дыхательной системы, что приводит к возникновению или обострению многочисленных заболеваний и недомоганий, например, аллергии, дерматита и ринита. Согласно Wiśniewska et al., воздушные микроводоросли и цианобактерии – наименее изученные организмы в аэробиологии и фикологии. Однако было показано в 2012 году, что среднее количество атмосферных водорослей составляет от 100 до 1000 клеток на кубический метр воздуха. Цианобактерии и микроводоросли попадают в воздух в результате их выбросов из почвы, зданий, деревьев и крыш. Среди них микроорганизмы представляют особый интерес в таких различных областях, как эпидемиология, включая фитопатологию, биотерроризм, судебную медицину и общественное здравоохранение, а также науки об окружающей среде, такие как микробная экология, метеорология и климатология. В частности, микроорганизмы, переносимые по воздуху, вносят вклад в пул частиц, инициирующих конденсацию и кристаллизацию воды, и, таким образом, потенциально участвуют в образовании облаков и возникновении осадков. Постоянный поток бактерий из атмосферы на поверхность Земли из-за осадков и сухого осаждения также может влиять на глобальное биоразнообразие, но они редко учитываются при проведении экологических исследований. Как подчеркивают эти исследования, направленные на расшифровку и понимание распространения микробов по планете, необходимы согласованные данные для документирования обилия и распространения микроорганизмов, переносимых по воздуху, в том числе в отдаленных и высокогорных районах. ), единицы расселения (например, грибковые споры и пыльца растений) и различные фрагменты или выделения (например, растительные остатки и брохосомы). Диаметр частиц биоаэрозоля варьируется от нанометров до примерно десятой миллиметра. Верхний предел диапазона размеров частиц аэрозоля определяется быстрой седиментацией, то есть более крупные частицы слишком тяжелы, чтобы оставаться в воздухе в течение длительного времени. Биоаэрозоли включают в себя живые и мертвые организмы, а также их фрагменты и выделения, выбрасываемые из биосферы в атмосферу. Исторически первые исследования о распространении микроорганизмов и спор в воздухе восходят к началу XIX века. С тех пор изучение биоаэрозолей продвинулось далеко вперед, и образцы воздуха, собранные с помощью самолетов, воздушных шаров и ракет, показали, что биоаэрозоли, выбрасываемые с суши и океана, могут переноситься на большие расстояния и на очень большие высоты, то есть между континентами и за пределы тропосферы. и потенциал расселения определяет распределение, численность и, следовательно, динамику сообществ видов в разных местах. Новая среда обитания должна быть достигнута, прежде чем такие фильтры, как способности и адаптации организмов, качество среды обитания и сложившееся биологическое сообщество, определят эффективность колонизации вида. В то время как крупные животные могут преодолевать расстояния самостоятельно и активно искать подходящие места обитания, мелкие организмы (<2 мм) часто рассеиваются пассивно. В то время как активное расселение обеспечивает довольно предсказуемые модели распределения, пассивное расселение приводит к более случайной иммиграции организмов. Пропагула – это любой материал, который способствует распространению организма на следующей стадии его жизненного цикла, например, посредством расселения. Пропагула обычно отличается по форме от родительского организма. Пропагулы производятся растениями (в форме семян или спор), грибами (в форме спор) и бактериями (например, эндоспоры или микробные цисты). Часто упоминаемым важным требованием для эффективного ветрового расселения является наличие пропагул (например, покоящихся яиц, цист, эфиппий, ювенильных и взрослых покоящихся стадий), которые также позволяют организмам выживать в неблагоприятных условиях окружающей среды до тех пор, пока они не попадут в подходящую среду обитания. Эти единицы расселения могут сдуваться с таких поверхностей, как почва, мох и высушенные отложения временных или прерывистых водоемов. Пассивно рассеиваемые организмы обычно являются пионерскими колонизаторами, при этом вес и форма пропагул, а следовательно, скорость ветра, необходимая для их переноса, определяют расстояние расселения. Например, у нематод покоящиеся яйца переносятся ветром менее эффективно, чем другие стадии жизни, в то время как организмы в ангидробиозе легче и, следовательно, переносятся ветром легче, чем гидратированные формы. Поскольку разные организмы в основном не рассеиваются на одинаковые расстояния, также важны исходные места обитания, при этом количество организмов в воздухе уменьшается с увеличением расстояния от исходной системы. Расстояния, преодолеваемые мелкими животными, варьируются от нескольких метров. Пресноводные организмы, которые должны «пересечь сухое море». Хотя они были качественно хорошо изучены, точные оценки их скорости расселения отсутствуют. Микроорганизмы могут подвергаться процессу отбора во время своего подъема в тропосферу и стратосферу, и от 40 до 8 × 104 клеток на кубический метр в самой высокой части тропосферы, называемой свободной тропосферой. Тропосфера является наиболее динамичным слоем с точки зрения химии и физики аэрозолей и содержит сложные химические реакции и метеорологические явления, которые приводят к сосуществованию газовой фазы, жидких фаз (то есть облачной, дождевой и туманной воды) и твердых фаз (то есть микроскопической взвешенной материи, песчаной пыли). Различные атмосферные фазы представляют собой множество биологических ниш, сезонов и условий поверхности.

Nematodes (roundworms), the most common animal taxon, are also found among aeroplankton. Accordingly, nematodes can be readily dispersed by wind. However, as reported by Vanschoenwinkel et al., Some microorganisms are swept up from terrestrial dust storms, but most originate from marine microorganisms in sea spray. In 2018, scientists reported that hundreds of millions of viruses and tens of millions of bacteria are deposited daily on every square meter around the planet. The presence of airborne cyanobacteria and microalgae as well as their negative impacts on human health have been documented by many researchers worldwide. However, studies on cyanobacteria and microalgae are few compared with those on other bacteria and viruses. Research is especially lacking on the presence and taxonomic composition of cyanobacteria and microalgae near economically important water bodies with much tourism. Research on airborne algae is especially important in tourist areas near water bodies. Sunbathers are exposed to particularly high quantities of harmful cyanobacteria and microalgae. Additionally, harmful microalgae and cyanobacteria blooms tend to occur in both marine and freshwater reservoirs during summer. Previous work has shown that the Mediterranean Sea is dominated by the picocyanobacteria Synechococcus sp. and Synechocystis sp., which are responsible for the production of a group of hepatotoxins known as microcystins. Because most tourism occurs in summer, many tourists are exposed to the most extreme negative impacts of airborne microalgae.]] Airborne bacteria are emitted by most Earth surfaces (plants, oceans, land, and urban areas) to the atmosphere via a variety of mechanical processes such as aeolian soil erosion, sea spray production, or mechanical disturbances including anthropogenic activities. and carried by wind to long distances. As a consequence, bacteria are present in the air up to at least the lower stratosphere. Given that the atmosphere is a large conveyor belt that moves air over thousands of kilometers, microorganisms are disseminated globally. Depending on their size, airborne cyanobacteria and microalgae can be inhaled by humans and settle in different parts of the respiratory system, leading to the formation or intensification of numerous diseases and ailments, e. g., allergies, dermatitis, and rhinitis. According to Wiśniewska et al.,

Airborne microalgae and cyanobacteria are the most poorly studied organisms in aerobiology and phycology. However, it was shown in 2012 that the average quantity of atmospheric algae is between 100 and 1000 cells per cubic meter of air. Cyanobacteria and microalgae end up in the air as a consequence of their emission from soil, buildings, trees, and roofs. Among these, microorganisms are of particular interest in fields as diverse as epidemiology, including phytopathology, bioterrorism, forensic science, and public health, and environmental sciences, like microbial ecology, meteorology and climatology. More precisely concerning the latter, airborne microorganisms contribute to the pool of particles nucleating the condensation and crystallization of water and they are thus potentially involved in cloud formation and in the triggering of precipitation. The constant flux of bacteria from the atmosphere to the Earth's surface due to precipitation and dry deposition can also affect global biodiversity, but they are rarely taken into account when conducting ecological surveys. As stressed by these studies attempting to decipher and understand the spread of microbes over the planet, concerted data are needed for documenting the abundance and distribution of airborne microorganisms, including at remote and altitudes sites. ), dispersal units (e. g., fungal spores and plant pollen), and various fragments or excretions (e. g., plant debris and brochosomes). Bioaerosol particle diameters range from nanometers up to about a tenth of a millimeter. The upper limit of the aerosol particle size range is determined by rapid sedimentation, i. e., larger particles are too heavy to remain airborne for extended periods of time. Bioaerosols include living and dead organisms as well as their fragments and excrements emitted from the biosphere into the atmosphere. Historically, the first investigations of the occurrence and dispersion of microorganisms and spores in the air can be traced back to the early 19th century. Since then, the study of bioaerosols has come a long way, and air samples collected with aircraft, balloons, and rockets have shown that bioaerosols released from land and ocean surfaces can be transported over long distances and up to very high altitudes, i. e., between continents and beyond the troposphere. and the potential for dispersal determines the distribution, abundance, and thus, the community dynamics of species at different sites. A new habitat must first be reached before filters such as organismal abilities and adaptations, the quality of a habitat, and the established biological community determine the colonization efficiency of a species. While larger animals can cover distances on their own and actively seek suitable habitats, small (<2 mm) organisms are often passively dispersed, While active dispersal accounts for rather predictable distribution patterns, passive dispersal leads to a more randomized immigration of organisms. A propagule is any material that functions in propagating an organism to the next stage in its life cycle, such as by dispersal. The propagule is usually distinct in form from the parent organism. Propagules are produced by plants (in the form of seeds or spores), fungi (in the form of spores), and bacteria (for example endospores or microbial cysts). Often cited as an important requirement for effective wind dispersal is the presence of propagules (e. g., resting eggs, cysts, ephippia, juvenile and adult resting stages), which also enables organisms to survive unfavorable environmental conditions until they enter a suitable habitat. These dispersal units can be blown from surfaces such as soil, moss, and the desiccated sediments of temporary or intermittent waters. The passively dispersed organisms are typically pioneer colonizers. with the weight and form of the propagules, and therefore, the wind speed required for their transport, determining the dispersal distance. For example, in nematodes, resting eggs are less effectively transported by wind than other life stages, while organisms in anhydrobiosis are lighter and thus more readily transported than hydrated forms. Because different organisms are, for the most part, not dispersed over the same distances, source habitats are also important, with the number of organisms contained in air declining with increasing distance from the source system. The distances covered by small animals range from a few meters, Freshwater organisms that must "cross the dry ocean" While these have been qualitatively well studied, accurate estimates of their dispersal rates are lacking. Microorganisms might undergo a selection process during their way up into the troposphere and the stratosphere. and 40 to 8 × 104 cells per cubic metre in the highest part of the troposphere called the free troposphere. The troposphere is the most dynamic layer in terms of chemistry and physics of aerosols and harbors complex chemical reactions and meteorological phenomena that lead to the coexistence of a gas phase, liquid phases (i. e., cloud, rain, and fog water) and solid phases (i. e., microscopic particulate matter, sand dust). The various atmospheric phases represent multiple biological niches. seasons, surface conditions

В пространстве и времени

Микроорганизмы, прикрепленные к аэрозолям, могут перемещаться на межконтинентальные расстояния, выживать и далее колонизировать отдаленные среды. На микробы, переносимые по воздуху, влияют экологические и климатические закономерности, которые, как ожидается, изменятся в ближайшем будущем, с непредсказуемыми последствиями. Воздушные микробные сообщества играют важную роль в общественном здравоохранении и метеорологических процессах, поэтому важно понимать, как эти сообщества распределены во времени и пространстве. Учитывая, что культивируемые организмы составляют около 1% всей микробной популяции, методы, не требующие культивирования, и особенно метагеномные исследования в области атмосферной микробиологии, могут предоставить дополнительную информацию о селекции и генетической адаптации микроорганизмов, переносимых по воздуху. Наблюдаемая корреляция между функциональным потенциалом микробных сообществ и физико-химическими характеристиками их среды обитания могла возникнуть в результате генетических модификаций (микробной адаптации). Специфическая функциональная сигнатура микробов в атмосфере пока не исследована и может отличаться в своем поведении от бактериальных клеток. Тем не менее, доля и состав (то есть грибов и бактерий) микробных клеток, устойчивых к суровым атмосферным условиям в воздушных микробных сообществах, остаются неизвестными. При этом ряд исследований продемонстрировал возможность восстановления разнообразных микробных биосигнатур из атмосферы. Показано, что перенос микроорганизмов происходит на межконтинентальные расстояния над наземными экосистемами, что может иметь последствия для здоровья человека. Сильное загрязнение твердыми частицами связано с хронической обструктивной болезнью легких и астмой, а также с повышенным риском преждевременной смерти. Хотя химический состав твердых частиц и их влияние на здоровье человека широко изучены, потенциальное влияние микробов, связанных с загрязнителями, остается неясным. Воздействие микроорганизмов, переносимых по воздуху, включая воздействие организмов, связанных с пылью, установлено как защитное и усугубляющее течение определенных заболеваний. Понимание временной динамики таксономического и функционального разнообразия микроорганизмов в городском воздухе, особенно во время смога, позволит лучше понять потенциальные последствия для здоровья, связанные с микробами. Данные указывают на то, что потенциальная патогенная нагрузка и устойчивость к антибиотикам увеличиваются с ростом уровня загрязнения, а сильные смоговые явления способствуют увеличению экспозиции. Кроме того, в твердых частицах содержались бактерии, несущие гены устойчивости к антибиотикам, фланкированные мобильными генетическими элементами, что может быть связано с горизонтальным переносом генов. Многие из этих бактерий были типичными или потенциальными представителями человеческого микробиома. Наружная атмосфера содержит разнообразные микробные сообщества, состоящие из бактерий, грибов и вирусов, функционирование которых в значительной степени не изучено. В целом, подавляющее большинство микроорганизмов, переносимых по воздуху, происходят из природных сред, таких как почва или растения, с большими пространственными и временными колебаниями биомассы и биоразнообразия. После отрыва и аэрозолизации с поверхностей под воздействием механических возмущений, таких как ветер, удары капель дождя или пузырьки воды, они могут транспортироваться через океаны, континенты и ледяные ядра, если выживут в пути от источника до осаждения. Выживаемость бактерий естественным образом снижается во время атмосферного переноса, но часть остается жизнеспособной. На больших высотах уникальные условия, предлагаемые облачными каплями, рассматриваются в некоторых аспектах как временные микробные среды обитания, обеспечивающие водой и питательными веществами живые клетки. Кроме того, обнаружение низких уровней гетеротрофии ставит вопросы о функционировании микробов в облачной воде и ее потенциальном влиянии на химическую реактивность этих сложных и динамичных сред. Морские аэрозоли состоят из сложной смеси морской соли, сульфата неморского происхождения и органических молекул и могут служить ядрами конденсации облаков, влияя на радиационный баланс и, следовательно, на климат. Например, биогенные аэрозоли в отдаленных морских районах (например, в Южном океане) могут увеличивать количество и размер облачных капель, оказывая аналогичное воздействие на климат, как и аэрозоли в сильно загрязненных регионах. В частности, фитопланктон выделяет диметилсульфид, а его производное – сульфат – способствует конденсации облаков. Понимание того, как морской фитопланктон способствует образованию аэрозолей, позволит лучше прогнозировать, как изменение океанических условий повлияет на облака и климат. После интригующего обнаружения фосфина (PH3) в атмосфере планеты Венеры и в отсутствие известного и правдоподобного химического механизма, объясняющего образование этой молекулы, Greaves и др. предположили в 2020 году, что микроорганизмы могут находиться во взвешенном состоянии в атмосфере Венеры. Они сформулировали гипотезу о микробном образовании фосфина, предполагая возможность существования обитаемой зоны в облаках Венеры на определенной высоте с приемлемым диапазоном температур для микробной жизни.

Microorganisms attached to aerosols can travel intercontinental distances, survive, and further colonize remote environments. Airborne microbes are influenced by environmental and climatic patterns that are predicted to change in the near future, with unknown consequences. Airborne microbial communities play significant roles in public health and meteorological processes, so it is important to understand how these communities are distributed over time and space. Given that cultivable organisms represent about 1% of the entire microbial community, culture independent techniques and especially metagenomic studies applied to atmospheric microbiology have the potential to provide additional information on the selection and genetic adaptation of airborne microorganisms. This observed correlation of microbial community functional potential and the physical and chemical characteristics of their environments could have resulted from genetic modifications (microbial adaptation

The presence of a specific microbial functional signature in the atmosphere has not been investigated yet. and might behave differently than bacterial cells. Still, the proportion and nature (i. e., fungi versus bacteria) of microbial cells that are resistant to the harsh atmospheric conditions within airborne microbial communities are unknown. and several studies have demonstrated diverse microbial biosignatures are recoverable from the atmosphere. Microbial transport has been shown to occur across inter continental distances above terrestrial habitats. which have potential human health consequences. Severe particulate matter pollution is associated with chronic obstructive pulmonary disease and asthma, as well as risks for early death. While the chemical components of particulate matter pollution and their impacts on human health have been widely studied, the potential impact of pollutant associated microbes remains unclear. Airborne microbial exposure, including exposure to dust associated organisms, has been established to both protect against and exacerbate certain diseases. Understanding the temporal dynamics of the taxonomic and functional diversity of microorganisms in urban air, especially during smog events, will improve understanding of the potential microbe associated health consequences. The data suggest that potential pathogen and antibiotic resistance burden increases with increasing pollution levels and that severe smog events promote the exposure. In addition, the particulate matter also contained several bacteria that harbored antibiotic resistant genes flanked by mobile genetic elements, which could be associated with horizontal gene transfer. Many of these bacteria were typical or putative members of the human microbiome.]] The outdoor atmosphere harbors diverse microbial assemblages composed of bacteria, fungi and viruses whose functioning remains largely unexplored. in general the vast majority of airborne microbes originate from natural environments like soil or plants, with large spatial and temporal variations of biomass and biodiversity. Once ripped off and aerosolized from surfaces by mechanical disturbances such as those generated by wind, raindrop impacts or water bubbling, a time long enough for being transported across oceans and continents and ice nuclei. provided that they survive their journey from emission to deposition. Bacterial survival is indeed naturally impaired during atmospheric transport, but a fraction remains viable. At high altitude, the peculiar environments offered by cloud droplets are thus regarded in some aspects as temporary microbial habitats, providing water and nutrients to airborne living cells. In addition, the detection of low levels of heterotrophy raises questions about microbial functioning in cloud water and its potential influence on the chemical reactivity of these complex and dynamic environments. Marine aerosols consist of a complex mixture of sea salt, non sea salt sulfate and organic molecules and can function as nuclei for cloud condensation, influencing the radiation balance and, hence, climate. For example, biogenic aerosols in remote marine environments (for example, the Southern Ocean) can increase the number and size of cloud droplets, having similar effects on climate as aerosols in highly polluted regions. Specifically, phytoplankton emit dimethylsulfide, and its derivate sulfate promotes cloud condensation. Understanding the ways in which marine phytoplankton contribute to aerosols will allow better predictions of how changing ocean conditions will affect clouds and feed back on climate. After the tantalizing detection of phosphine (PH3) in the atmosphere of the planet Venus, and in the absence of a known and plausible chemical mechanism to explain the formation of this molecule, Greaves et al. speculated in 2020 that microorganisms might be present in suspension in the Venusian atmosphere. They have formulated the hypothesis of the microbial formation of phosphine, envisaging the possibility of a liveable window in the Venusian clouds at a certain altitude with an acceptable temperature range for microbial life.

Микробиом воздуха

Хотя физические и химические свойства взвешенных частиц в воздухе были широко изучены, связанный с ними воздушный микробиом остается в значительной степени неисследованным. Микробиом определяется как характерные микробные сообщества, включающие прокариоты, грибы, простейшие, другие микроэукариоты и вирусы, населяющие четко определенные среды обитания. Термин "микробиом" шире, чем другие термины, такие как микробные сообщества, микробная популяция, микробиота или микробная флора, поскольку микробиом охватывает как его состав (входящие в него микроорганизмы), так и его функции (деятельность членов сообщества и их взаимодействие с хозяином/окружающей средой), которые вносят вклад в функционирование экосистем. На протяжении всей истории Земли микробные сообщества изменяли климат, а климат, в свою очередь, формировал микробные сообщества. Микроорганизмы способны изменять экосистемные процессы или биогеохимию в глобальном масштабе, и мы начинаем раскрывать их роль и потенциальное участие в изменении климата. Однако влияние изменения климата на микробные сообщества (то есть на их разнообразие, динамику или распространение) рассматривается редко. В случае грибковой аэробиоты, ее состав, вероятно, определяется способностью к расселению, а не сезоном или климатом. Фактически, происхождение воздушных масс из морской, наземной или антропогенно измененной среды в основном определяет состав атмосферного воздушного микробиома. Эти данные позволяют предположить, что климатические условия могут выступать в качестве экологического фильтра для аэропланктона, отбирая подмножество видов из регионального пула, и поднимают вопрос об относительной важности различных факторов, влияющих как на бактериальный, так и на эукариальный аэропланктон.

В воздухе ДНК

В 2021 году исследователи продемонстрировали, что экологическую ДНК (eDNA) можно собирать из воздуха и использовать для идентификации млекопитающих. В 2023 году ученые разработали специализированный зонд для отбора проб и проводили авиационные обследования для оценки биоразнообразия различных таксонов, включая млекопитающих, на основе анализа eDNA в воздухе.