2 godzin temu
Nowe badanie amerykańskich naukowców z Uniwersytetu Stanowego Arizony stawia ważne pytanie: czy atmosfera, a dokładniej krople mgły, mogą być nie tylko środkiem transportu dla mikroorganizmów, ale także aktywnym środowiskiem życia i wzrostu bakterii? Zaskakujące wyniki wskazują na potencjał aerobiomu w kontekście degradacji formaldehydu.
Badanie, którego wyniki opublikowano 11 maja br. w czasopiśmie Environmental Microbiology, przeprowadzone zostało podczas 32 epizodów wystąpienia mgieł radiacyjnych w centralnej Pensylwanii (USA), zaobserwowanych w ciągu dwóch lat. Naukowcy przeanalizowali nie tylko skład mikroorganizmów obecnych w mgłach, ale również ich aktywność metaboliczną, czyli zdolność do przeprowadzania procesów życiowych, takich jak oddychanie, wzrost czy rozkład związków chemicznych.
Mikroorganizmy w powietrzu – czym adekwatnie jest aerobiom?
Autorzy posługują się pojęciem aerobiomu, czyli społeczności mikroorganizmów obecnych w atmosferze – bakterii, wirusów i innych drobnoustrojów unoszących się w powietrzu. Dotąd uważało się, iż są one jedynie pasażerami transportowanymi przez wiatr. Przy wystąpieniu mgły sytuacja może jednak wyglądać inaczej, ponieważ obecność wody uaktywnia uśpione organizmy.
W przeanalizowanych mgłach stężenie materiału biologicznego było bardzo wysokie. Średnio wykrywano ok. 1 mln kopii genu 16S rRNA w 1 ml wody mgłowej. Ten gen jest standardowym markerem używanym do identyfikacji bakterii, więc jego ilość odzwierciedla liczbę mikroorganizmów. Co istotne, bakterie w kroplach mgły były choćby 6–7 rzędów wielkości bardziej skoncentrowaneniż w suchym aerozolu, czyli drobnych, zawieszonych w powietrzu cząstkach pyłu i wody.
Badacze podkreślają, iż krople mgły stanowią zaledwie około 0,000013 proc. objętości powietrza, co oznacza, iż niemal całe życie bakteryjne skupia się w minimalnej objętości wody. W praktyce czyni to mgłę czymś w rodzaju bardzo gęstego, ale chwilowego środowiska wodnego w atmosferze.
Co decyduje o liczbie bakterii we mgle?
Badanie pokazało, iż liczba bakterii w mgłach ewidentnie rośnie wraz z temperaturą. Czas występowania mgły nie miał natomiast prostego przełożenia na liczbę bakterii. Oznacza to, iż mikroorganizmy nie tylko gromadzą się z czasem, ale równolegle zachodzą procesy ich zaniku, np. opadanie na powierzchnię ziemi wraz z kroplami wody.
Wśród wszystkich zidentyfikowanych bakterii zdecydowanie dominowała grupa Proteobacteria, stanowiąca ok. 65 proc. wszystkich wykrytych organizmów. W jej obrębie szczególnie istotną rolę odgrywał rodzaj Methylobacterium, który stanowił średnio 29 proc. całej społeczności bakteryjnej mgieł.
Methylobacterium to bakterie znane ze umiejętności wykorzystywania bardzo prostych związków organicznych, które zawierają tylko jeden atom węgla, tzw. związków C1. Do tej grupy należy na przykład formaldehyd. Niektóre z nich potrafią również korzystać ze światła jako dodatkowego źródła energii – taki sposób odżywiania nazywany jest fotoheterotrofią, czyli połączeniem korzystania z substancji organicznych i energii świetlnej.
Mgła zmienia skład powietrza
Analiza sześciu epizodów mgły wykazała, iż po jej ustąpieniu liczba bakterii w powietrzu wzrastała średnio o 45 proc., a w niektórych przypadkach choćby o 90 proc. Oznacza to, iż mgła nie tylko zawiera bakterie, ale może również wpływać na ich późniejsze rozmieszczenie w atmosferze. Mimo tego wzrostu, skład taksonomiczny społeczności bakteryjnej pozostawał stosunkowo stabilny.
Pogłębione badania wykazały, iż w okresie zamglenia rozmieszczenie przestrzenne bakterii nie jest przypadkowe. Niektóre grupy trafiają do kropli wody, a inne pozostają w suchych cząstkach aerozolu. Spośród ponad 1,3 tys. wykrytych typów bakterii tylko siedem wykazywało wyraźną preferencję do życia w kroplach. Najważniejsze z nich to właśnie Methylobacterium, a także bakterie z grup Caulobacteraceae i Beijerinckiaceae.
Jednym z kluczowych wskaźników aktywności biologicznej jest obecność komórek dzielących się, wskazujących na namnażanie się bakterii. W mgłach ich odsetek wynosił średnio 2,4 proc., podczas gdy w suchym aerozolu tylko 1 proc. Na tej podstawie można oszacować, iż czas podwojenia populacji bakterii w kroplach wynosi około 60 godzin. To tempo – w porównaniu z warunkami laboratoryjnymi – jest bardzo powolne, ale istotne, ponieważ wskazuje na możliwość rzeczywistego wzrostu ich liczby w atmosferze.
Formaldehyd – paliwo i toksyna jednocześnie
Jednym z najważniejszych odkryć badania była zdolność mikroorganizmów w mgłach do bardzo szybkiego rozkładu formaldehydu, czyli toksycznego, lotnego związku organicznego, obecnego w atmosferze. W badanych próbkach jego stężenie wynosiło od 6 do 25 mikromoli na litr, ale było gwałtownie redukowane – z prędkością około 25 mikromoli na dobę, czyli około 200 razy szybciej niż w innych badaniach chmur.
Formaldehyd jest dla bakterii jednocześnie źródłem węgla i substancją toksyczną. Dlatego jego rozkład może służyć nie tylko wzrostowi, ale przede wszystkim detoksykacji, czyli neutralizacji szkodliwego związku.
Z mgły wyizolowano dwa szczepy bakterii Methylobacterium. Oba posiadały geny umożliwiające wykorzystanie formaldehydu jako materiału budulcowego. Proces ten zachodzi w wyniku tzw. cyklu serynowego, czyli szlaku metabolicznego, pozwalającego przekształcać proste związki w bardziej skomplikowane. Szczepy te rosły, używając formaldehydu jako jedynego źródła węgla, choć tempo tego procesu było bardzo wolne – pełne podwojenie populacji zajmowało od 184 do 237 godzin. Co istotne, różniły się one wrażliwością na jego stężenie.
Mgła jako chwilowy ekosystem atmosferyczny
Autorzy badania sugerują, iż mgła jest krótkotrwałym, ale aktywnym ekosystemem wodnym w atmosferze, w którym zachodzą procesy selekcji, metabolizmu, a prawdopodobnie również wzrostu bakterii.
Szczególnie ważna jest rola Methylobacterium, które mogą uczestniczyć w naturalnym oczyszczaniu atmosfery z toksycznych związków, takich jak formaldehyd. Jednocześnie badanie sugeruje, iż dotychczasowe postrzeganie mgły jako „czystej wody” prawdopodobnie jest uproszczeniem – ponieważ zawiera ona znaczące ilości aktywnych mikroorganizmów, które mogą wpływać zarówno na chemię atmosfery, jak i na cykl życia bakterii w środowisku.
Źródło:
Cao TTT, Herckes P, Straub D, Sarkar S, Garcia-Pichel F. 0. Growth and formaldehyde degradation of photoheterotrophic Methylobacterium within radiation fogs. mBio 0:e00463-26., https://doi.org/10.1128/mbio.00463-26
