In einer bahnbrechenden Studie über luftgetragene Mikroorganismen vom Boden bis in 3 500 Meter Höhe haben Wissenschaftler des Singapore Centre for Environmental Life Sciences Engineering (SCELSE) an der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur), herausgefunden, dass Bakterien und Pilze die untere Atmosphäre des Planeten auf ganz bestimmte Weise besiedeln und dass sich eine Veränderung negativ auf die menschliche Gesundheit und die Lebensmittelversorgung auswirken kann.
Mit einer Kombination aus einem 200 Meter hohen Wetterturm und einem Forschungsflugzeug, das in verschiedenen Höhen zwischen 300 und 3.500 Metern kreiste, um die notwendigen Messungen durchzuführen, fanden die Forscher heraus, dass die Temperatur der wichtigste Faktor ist, der die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften in der Luft beeinflusst.
Wenn sich die Temperatur der Luft ändert, verändern sich die gefundenen Arten und das Verhältnis von Bakterien zu Pilzen erheblich. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der gegenwärtig beobachtete Anstieg der globalen Temperatur Auswirkungen auf das mikrobielle Ökosystem der Atmosphäre sowie auf die terrestrischen und aquatischen Ökosysteme des Planeten haben wird.
Die Studie wurde heute in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) von einem Team interdisziplinärer Wissenschaftler unter der Leitung von NTU-Professor Stephan Schuster, Forschungsdirektor (Meta-‚omics & Microbiomes) am SCELSE, veröffentlicht.
Atmosphärische Mikroorganismen, die als Luftmikrobiom bezeichnet werden, bestehen aus Bakterien und Pilzen und verbleiben größtenteils in der Luft, sobald sie von der Erdoberfläche weggeblasen werden.
Nur ein Bruchteil dieser Mikroorganismen findet den Weg zurück an die Oberfläche, wenn sie von Regentropfen heruntergespült werden oder zusammen mit größeren Partikeln wie Sandkörnern oder Staub nach unten fallen.
„Unsere Forschung hat eine umfassende ‚vertikale Karte‘ der Mikroorganismen in der Atmosphäre des Planeten erstellt“, so Prof. Schuster, der Erstautor der Studie.
„Wir haben herausgefunden, dass die Zusammensetzung des Luftmikrobioms in unserer Atmosphäre von der Temperatur bestimmt wird. Da die globalen Lufttemperaturen aufgrund des Klimawandels steigen, könnte dies zu sehr bedeutenden Veränderungen des Luftmikrobioms führen, mit schwerwiegenden Folgen für die Menschen und den Planeten.“
„Wenn sich die Zusammensetzung des Luftmikrobioms global verändert, kann sich dies auf die menschliche Gesundheit auswirken, indem sich Atemwegssyndrome bei anfälligen Patienten verschlimmern, oder es könnte den Ertrag von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen beeinträchtigen, was wiederum unsere Ernährungssicherheit bedroht. Auch natürliche Prozesse, die seit Tausenden von Jahren funktionieren, wie der Kohlenstoffkreislauf auf unserem Planeten, könnten sich verändern.“
„Mit unserer jüngsten Forschungsarbeit sind wir dem Nachweis, dass die Luft ein eigenes mikrobielles Ökosystem besitzt, ähnlich wie an Land und im Meer, einen Schritt näher gekommen. Wir erwarten, dass Veränderungen im Mikrobiom der Luft auch Auswirkungen auf terrestrische und aquatische Ökosysteme haben werden“, fügt Prof. Schuster hinzu.
Die vertikale Karte der Mikroorganismen bietet auch einen Ausgangspunkt für künftige ökologische Erhebungen und die erforderlichen Maßnahmen nicht nur zum Schutz der globalen Umwelt, sondern auch für landwirtschaftliche Produktionsstandorte, die durch Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaften in der Luft negativ beeinflusst werden können.
Mit dem neuen Datensatz als Grundlage können die Wissenschaftler auch die Veränderungen im Luftmikrobiom modellieren und vorhersagen, wenn die Temperaturen um zwei Grad oder mehr steigen würden, so das Forscherteam.
Wichtige Entdeckungen
Um das Luftmikrobiom hoch über dem Boden zu messen, setzte das Team ein spezialisiertes Forschungsflugzeug der Technischen Universität Braunschweig ein, um synchronisierte Messungen von meteorologischen Parametern und Biomasseproben aus der Luft bis zu einer Höhe von 3.500 Metern zu sammeln.
Das Forschungsteam im Flugzeug koordinierte die Probenahmezeiten mit einem Team, das auf dem 200 Meter hohen meteorologischen Turm des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Karlsruhe stationiert war.
Insgesamt wurden 480 vertikale Luftproben aus Deutschland gesammelt, die zur Analyse nach Singapur zurückgebracht wurden. Das Team war überrascht, dass die Zusammensetzung der Mikroorganismen oberhalb von 1.000 Metern unabhängig von Tag und Nacht stabil war. Diese Luftschichten wirken wie eine „Senke im Himmel“, in der sich Bakterien in größerer Zahl ansammeln als am Boden. Das Team identifizierte über 10.000 verschiedene Arten von Luftmikroben in den Proben, die oberhalb von 1.000 Metern genommen wurden.
Dies unterscheidet sich deutlich von den Luftproben, die unterhalb von 300 Metern entnommen wurden und die nachweislich dem 24-Stunden-Tag-Nacht-Zyklus (dem so genannten Diel-Zyklus) folgen, bei dem die Luftzusammensetzung von Bakterien und einigen Pilzen, die tagsüber dominieren, zu holzzerstörenden Pilzen wechselt, die in der Nacht dominieren.
Die Entdeckung des Diel-Zyklus von Mikroorganismen in der Luft wurde erstmals 2019 in PNAS veröffentlicht[1], als dasselbe Forscherteam die tropische Luft in Singapur anhand von Luftproben untersuchte, die auf verschiedenen Ebenen eines 50-stöckigen Wohnhochhauses namens Pinnacle@Duxton genommen wurden.
In seiner jüngsten Studie berichtet das Team auch, dass atmosphärische Turbulenzen – Wind und Wetter – die Hauptantriebskraft für die Dynamik mikrobieller Aerosole sind, die bestimmt, wie sich die Mikroorganismen in der Luft verteilen.
Durch den Tag-Nacht-Temperaturwechsel werden die Luftmassen in der Nacht geschichtet (geschichtet) und tagsüber vermischt, was zu einer Schichtung des Luftmikrobioms in verschiedenen Höhen des unteren Teils der Atmosphäre führt.
„Zum ersten Mal wurden meteorologische und biologische Daten der Atmosphäre zusammen gemessen, so dass wir eine umfassende Hypothese über die Auswirkungen der atmosphärischen Turbulenz auf die Ausbreitung von Mikroorganismen in der unteren Atmosphäre entwickeln konnten“, so Prof. Schuster.
Die Forscher stellten außerdem fest, dass in höheren Luftschichten eine bis zu 20-mal höhere Konzentration an strahlungstoleranten Bakterien vorhanden war, die bekanntermaßen ionisierender Strahlung, Austrocknung, UV-Strahlung oder Oxidationsmitteln widerstehen können. Von diesen Bakterien ist eine Art, Deinococcus radiodurans, dafür bekannt, dass sie einer 1.000-fach höheren Strahlendosis standhält als der menschliche Körper.
Das Team stellte die Hypothese auf, dass die ionisierenden Strahlen der Sonne und des Weltraums dazu beigetragen haben, dass sich bei diesen Bakterien in größerer Höhe eine radioaktive Toleranz entwickelt hat, während die Bakterien auf dem Boden keiner derartigen Strahlung ausgesetzt waren.
Probenahme für Leben in der Luft auf dem Mars?
Auf der Grundlage ihrer Experimente bemerken die Forscher, dass ihre Technologien zur Entnahme von Luftproben prinzipiell für die Untersuchung der Atmosphäre von Nachbarplaneten wie dem Mars verwendet werden könnten.
Indem sie sich das Wissen zunutze machen, dass sich Mikroorganismen in der Atmosphäre eines Planeten ansammeln, könnten sie eine Alternative zur derzeitigen Methode der Probenahme bieten, bei der ein Roboterfahrzeug bohrt und Bodenproben sammelt.
Zum Beispiel könnte ein Roboter mit einem Luftprobenehmer Mikroorganismen aus der Atmosphäre sammeln, indem er sie in einem Luftfilter einfängt und den Filter bei einer möglichen zukünftigen Mars-Probenrückführungsmission zur Erde zurückschickt.
Die Studie über das Mikrobiom der Luft ist neben der Erforschung terrestrischer und aquatischer Ökosysteme eines der Vorzeigeprojekte des SCLESE. Das Projekt erstreckte sich über acht Jahre und hat zu mehr als 40 Veröffentlichungen geführt, die in diesen Ergebnissen gipfelten. Die Luftmikrobiom-Forschung wurde durch ein Tier-3-Stipendium des Bildungsministeriums von Singapur, SCELSE und NTU unterstützt.
Nachhaltigkeit, Klimawandel und Umwelt sind wichtige Forschungsschwerpunkte der NTU Singapur und Teil ihres im vergangenen Jahr veröffentlichten Nachhaltigkeitsmanifests. Die Universität wird die Grundlagen- und angewandte Forschung fortsetzen, um nachhaltige Lösungen zu entwickeln, die die Auswirkungen von Naturkatastrophen und des Klimawandels abmildern und die Nachfrage nach Nahrungsmitteln durch alternative Nahrungsquellen decken können.
In den letzten zwei Jahren, während der Pandemie, haben Prof. Schuster und sein Team ihre Technologie zur Entnahme von Luftproben eingesetzt, um das SARS-COV-2-Virus in der Innenraumluft nachzuweisen und zu analysieren, eine Technik, die sich als empfindlicher erwiesen hat als Oberflächenabstrichtests.
Für die Zukunft plant das Team die Durchführung weiterer vertikaler Luftsäulenstudien in den Tropen sowie in größeren Höhen, um ihre „atmosphärische Mikrobiomkarte“ zu verbessern und zu erweitern.
[1][1] „Microbial communities in the tropical air ecosystem follow a precise diel cycle“, PNAS, 29 Oct 2019.
Datum: February 7, 2022
Quelle: Nanyang Technological University
Daniela I. Drautz-Moses, Irvan Luhung, Elena S. Gusareva, Carmon Kee, Nicolas E. Gaultier, Balakrishnan N. V. Premkrishnan, Choou Fook Lee, See Ting Leong, Changsook Park, Zhei Hwee Yap, Cassie E. Heinle, Kenny J. X. Lau, Rikky W. Purbojati, Serene B. Y. Lim, Yee Hui Lim, Shruti Ketan Kutmutia, Ngu War Aung, Elaine L. Oliveira, Soo Guek Ng, Justine Dacanay, Poh Nee Ang, Samuel D. Spence, Wen Jia Phung, Anthony Wong, Ryan J. Kennedy, Namrata Kalsi, Santhi Puramadathil Sasi, Lakshmi Chandrasekaran, Akira Uchida, Ana Carolina M. Junqueira, Hie Lim Kim, Rudolf Hankers, Thomas Feuerle, Ulrich Corsmeier, Stephan C. Schuster. Vertical stratification of the air microbiome in the lower troposphere. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (7): e2117293119 DOI: 10.1073/pnas.2117293119