Bioinformatic analyses of biogenic aerosol particles by classical and high-throughput sequencing : diversity, seasonal dynamics, and characterization of airborne microbial communities

Abstract

The airborne microbiome, that is the totality of microbes in the atmosphere as a defined environment, influences a broad range of processes that have positive or negative consequences for the atmosphere and/or biosphere. Patterns of archaea and bacteria diversity in the atmosphere are likely caused by the spatial and temporal variation of emission sources and also influenced by a wide range of environmental and meteorological factors, e.g. radiation, precipitation events or rapid changes in temperatures. The overall diversity of the microbiome is not only driven by nature but additionally by many anthropogenic influences. Studies of all these phenomena are still in their infancy, especially research on the overall airborne microbiome lacks until today. In this thesis the presence, diversity and properties of archaea, bacteria and fungi as part of the airborne microbiome, were revealed by using DNA based sequencing approaches. Mainz, Germany, was chosen as an example site for continental boundary layer air. Taken together, the findings show a higher diversity and relative abundance for bacteria compared to archaea. Additionally, the size fraction influenced the bacterial diversity significantly as the species richness in bioaerosols larger than 3 m was found to be higher by more than 25 % than the fine fraction, which is dominated by spore-forming taxa. The results also point to the diverse effects of natural as well as anthropogenic influences on the diversity of the microbiome of the atmosphere, e.g. fertilization with live stock manure or biogas substrates that affect the diversity of archaea. This thesis may be seen as the first attempt to collate research on different groups of organisms for one specific sampling location to get insights into the entire airborne microbiome.

Das Mikrobiom der Luft, definiert als die Gesamtheit aller Mikroorganismen in einem bestimmten Lebensraum, hat Einfluss auf eine Reihe von atmosphärischen Prozessen und kann in Atmo- und/oder Biosphäre sowohl positive als auch negative Effekte ausüben. Repetitive Muster der Archaeen und Bakteriendiversität werden häufig durch eine Reihe von umweltbedingten oder meteorologischen Stressfaktoren wie z.B. Strahlung, Niederschlag oder schnelle Temperaturschwankungen, hervorgerufen. Die Gesamtdiversität der Atmosphäre wird zusätzlich durch eine Vielzahl anthropogener Faktoren beeinflusst. Viele Zusammenhänge sind hier noch unbekannt, besonders im Hinblick auf das gesamte Mikrobiom der Luft als Kollektiv fehlen tiefergehende Einblicke. In der vorliegenden Arbeit wurden für den Standort Mainz das Vorkommen, die Diversität und die relativen Verhältnisse von Archaeen und Bakterien mit Hilfe von 16s-RNA-Gen Sequenzierung untersucht. Fasst man die Ergebnisse zusammen, so zeigen die Luftproben eine diverse Zusammensetzung mit einem deutlich höheren Anteil an Bakterien im Vergleich zu Archaeen. Die Partikelgrößenfraktionierung zeigt einen signifikanten Einfluss auf die Bakteriendiversität, so zeigt sich der Artenreichtum im Grobstaub, Partikel größer als 3 m, um mehr als ein Viertel höher als in der Fraktion des Feinstaubs, welcher von Sporenbildnern dominiert wird. Die meisten Ergebnisse zeigen, wie unterschiedliche, teils natürliche, teils anthropogene Effekte die Diversität des Luftbioms beeinflussen. Als Beispiel für anthropogene Quellen lassen sich das Düngen mit Wirtschaftsdüngern also Stallmist, Jauche, Gülle und Gärsubstraten aus Biogasanlagen, aufzeigen, dies beeinflusste besonders die Diversität von Archaeen. Die Besonderheit dieser Arbeit ist der Versuch, verschiedene Organismengruppen eines Sammelstandortes detailliert aufzuarbeiten und zusammenzufassen, um so ein Bild der mikrobiologischen Gesamtheit in der Luft zu erhalten.