Ecologia microbiana: Durant 17 setmanes, a dues ciutats de Texas, Austin i San Antonio, un equip d'ecòlegs microbians de Berkeley, coordinat per Gary L. Andersen, recollí mostres de les partícules en suspensió (aerosols) de l'atmosfera. Mitjançant tècniques de genètica molecular, els autors han comprovat la presència de fins a 1.800 "espècies bacterianes" diferents, un nombre que és proper a la diversitat que hom trobaria en ecosistemes "menys hostils" pels bacteris com el sòl, tal com publiquen en un article a la revista PNAS. Els aerosols atmosfèrics són, essencialment, un lloc de pas per la majoria d'aquestes espècies bacterianes, una forma de difondre's globalment. No cal dir de la importància d'aquest mitjà com a forma de transmissió de nombrosos microorganismes potencialment patògens pels humans.[@more@]
L'aeroplàncton bacterià
Per organisme planctònic podríem entendre aquell que es troba en suspensió passiva en un medi fluid. Així l'organisme planctònic contrasta amb l'organisme nectònic (que pot moure's activament en el medi) i amb l'organisme bentònic (que viu en el fons, exposat al medi, però sense deixar-s'hi arrossegar). Per bé que aquestes definicions es corresponen a l'ecologia aquàtica, també es poden traslladar a l'ecologia aèria: els organismes terrestres serien bentònics, aus i insectes voladors formarien part del nècton aeri i tota una sèrie de microorganismes hi surarien com a aeroplàncton. Entre els microorganismes aeroplanctònics hi destaquen els bacteris, però també cal incloure virus com els agents causals de la grip.
L'analogia entre el plàncton aquàtic (marí i d'aigua dolça) i el plàncton aeri es perd, però, de seguida. Tota forma de vida metabòlicament activa necessita d'aigua en estat líquid. Això constrinyeix la presència de l'aeroplàncton (tret d'espores i altres estructures biològiques en estat de latència) als aerosols, és a dir a partícules de pols que retinguin quantitats suficients d'aigua líquida. Una segona limitació la constitueix la migradesa en nutrients essencials d'aquests aerosols. I encara a aquestes dues limitacions hauríem de sumar-hi la franja ultraviolada de la radiació solar: la protecció que ofereix la capa estratosfèrica d'ozó és molt més minsa que la que gaudeixen els microorganismes aquàtics o del sòl. Malgrat aquestes limitacions hom troba espores bacterianes i fúngiques en plena estratosfera, a 20 km d'alçada (Griffin, 2004)
Totes aquestes limitacions expliquen que per la majoria d'organismes bacterians els aerosols siguin simplement un lloc de pas. Una bona part dels bacteris aeris procedeixen de les microgotes que arrabassa el vent de la superfície de sistemes aquàtics, i d'altres arriben des del sòl o des de superfícies vegetals. El creixement bacterià en l'aerosol és migrat, i la majoria dels bacteris que hi viuen acaben morint si no van a parar a un ambient més hospitalari. Malgrat això, l'aeroplàncton juga un paper crucial en la dispersió de moltes espècies bacterianes i els el que explica que tot sovint aquestes espècies tinguin una distribució mundial.
Ja des de mitjans del segle XIX es reconegué inequívocament l'aire com un vehicle de microorganismes patògens. Malgrat això, només recentment hom ha passat a estudiar activament les implicacions sanitàries del bacterioplàncton aeri, així com pot variar degut a les condicions meteorològiques o a activitats humanes diverses (moviments de terres, treballs agrícoles, etc.). Així, per exemple, avui es reconeixen les tempestes de sorra com un factor de difusió a l'Àfrica del bacteri Neisseria meningitidis, i de brots subsegüents de meningitis entre la població infantil. A banda de les malalties infeccioses, els bacteris de l'aire poden actuar com a al·lèrgens, i així s'han associat els núvols de pols d'origen africà transportats a l'altra banda de l'Atlàntic amb brots pediàtrics d'astma (Gyan et al., 2005).
El grup de Gary L. Andersen, en justificar la recerca sobre l'aeroplàncton microbià, recorda la necessitat de disposar de dades sobre la seva composició normal, sobre les variacions estacionals i regionals que pot presentar (àrees climàtiques, camp-ciutat, grau i tipologia de l'activitat agrícola, ramadera i industrial). Sense això no es podria emprar la monitorització per alertar els serveis d'atenció primària i hospitalaris davant la perspectiva de determinades malalties infeccioses o al·lèrgiques. Però, per si fos poc aquest argument, també recorden un report d'en John Marburger sobre l'aplicació d'aquesta monitorització contra els efectes d'una dispersió deliberada d'un patògen transmissible per via aèria (en un mot, el bioterrorisme).
Elecromicrografia d'un cultiu pur de Bacillus anthracis, on podem veure, entre les espores de morfologia esfèrica, cèl·lules actives amb forma de bastó. Les espores d'aquest bacteri s'han fet servir com a armament, ja que poden infectar i fer emmalaltir de carboncle persones i bestiar. Un sistema de monitorització per evitar un atac necessitaria d'antuvi conèixer quina és la composició microbiana 'normal' de l'aire d'una determinada localitat per cada època de l'any
Tècniques de biologia molecular per l'estudi del bacterioplàncton aeri
El nostre coneixement dels microorganismes remunta a la segona meitat del segle XVII, quan Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) observa al microscopi gotes d'aigua. El perfeccionament del microscopi va permetre descriure amb més i més precisió la morfologia d'aquests microorganismes. Però per la gran obra de Louis Pasteur (1822-1895) i de Robert Koch (1843-1910), que determinaren el caràcter microbià de la majoria d'infeccions contagioses, fou necessari complementar els microscopis amb tècniques de cultiu en laboratori. El cultiu dels microorganismes va permetre estudiar-ne la fisiologia i la bioquímica. Les tècniques de cultiu tenen, però, una limitació quan s'apliquen a mostres ambientals: no tots els microorganismes presents poden crèixer en cultius artificials i part de la variabilitat se'ns escaparia. Amb les tècniques de la biologia molecular hom pot estudiar directament àcids nucleics i proteïnes microbianes sense haver de cultivar microorganismes. Sense que es pugui prescindir, ni de bon tros, de les eines clàssiques, la genòmica quantitativa ha transformat l'ecologia microbiana.
En l'estratègia que presenten Eoin L. Brodie, Todd Z. DeSantis, Jordan P. Moberg Parker, Ingrid X. Zubietta, Yvette M. Piceno i Gary L. Andersen en l'article a PNAS, utilitzen com a diana d'estudi un únic gen, el 16SRRNA. Aquest gen no codifica per cap proteïna, sinó per una molècula d'àcid ribonucleic (ARN) que forma la base estructural del ribosoma, l'orgànul que totes les cèl·lules utilitzen per sintetitzar les seves proteïnes. Aquest gen (de vegades també nomenat 18SRRNA) es troba lògicament en tots els organismes i en tots ells té una estructura similar. Per això les petites variacions en aquest gen foren aprofitades per Carl Woese (*1928) als anys 1980 per dibuixar un esquema de les relacions de parentiu de tots els organismes coneguts:
A partir de les seqüències del gen 16SRRNA s'han arribat a definir grans agrupacions filogenètiques de microorganismes:
– quatre divisions d'arqueons: crenarqueotes, euriarqueotes, korarqueotes i nanoarqueotes.
– cinquanta-set de divisions de bacteris: "grup 1959", acidobacteris, actinobacteris, "AD3", "Aquificae", bacteriodetes, "BRC1", "Caldithrix", clamídies, clorobis, cloroflexis, crisiogenetes, coprotermobacteris, cianobacteris, deferribacteres, deinococcus-thermus, dictioglomis, "DSS1", "EM3", fibrobacteris, firmicutes, fusobacteris, gemmatimonadetes, "grup LD1PA", lentisferes, "grup marí A", natronoanaerobis, "NC10", nitrospires, "NKB19", "OD1", "OD2, "OP1", "OP10", "OP11", "OP3", "OP5", "OP8", "OP9", "OS-K", "OS-L", planctomicets, proteobacteris (de lluny el grup més abundós i divers de microorganismes), "SPAM", espiroquetes, "SR1", sinergistes, "grup simbiont de tèrmits 1", termodesulfobacteris, termotogues, "TM6", "TM7", verrucomicrobis, "WS1", "WS3", "WS5" i "WS6".
Per cadascuna d'aquestes seixanta-una divisions, els investigadors empraren onze seqüències conegudes. Això vol dir un total de 671 oligonucleòtids diferents, que foren sintetitzats in vitro, marcats amb fluorescència i col·locats en micromatrius.
Les mostres aèries procedien de sis estacions de l'Environmental Protection Agency (EPA) situades a les ciutats de San Antonio i d'Austin. Concretament procedien de filtres per on passen 10 litres d'aire per minut, i es recollien de dia en dia (14.400 litres/dia). La presa de mostres es realitzà entre el 4 de maig i el 29 d'agost del 2003. Les suspensions obtingudes foren congelades, i a partir d'aquestes mostres congelades es va fer l'extracció de l'ADN. Un cop obtingut l'ADN, es procedia a una amplificació per PCR del gen 16SRRNA. D'aquesta forma per cada mostra hi hauria una barreja heterogènia de còpies de 16SRRNA, corresponent a la diversitat microbiana de l'aire inicialment filtrat. El productes de les amplificacions era inoculat a les micromatrius: si es produïa la hibridació entre els oligonucleòtids coneguts i l'ADN ambiental hom podia deduir la presència d'una de les divisions citades en l'aire inicial.
A partir de les dades de les micromatrius, els investigadors resseguiren la presència d'organismes coneguts, amb especial atenció als patògens.
Una comunitat microbiana diversa i dinàmica
La biomassa de la comunitat microbiana que viu (o, més aviat, sobreviu) en les partícules en suspensió de l'aire és ben minsa. Tot i així, Brodie et al., mostren que és una comunitat diversa, integrada per milers d'espècies bacterianes i dinàmica, és a dir sotmesa a canvis tan en l'espai (Austin vs. San Antonio) com en el temps (primavera vs. estiu).
Un 35% dels bacteris i arqueons detectats pertanyien a l'espècie Bacillus bataviensis o d'altres de ben properes. Aquests bacteris s'integren dins la divisió dels firmicutes, viuen normalment en sòls, i tenen la capacitat de formar espores que resisteixen l'eixutesa: encara que l'estudi de Brodie et al. no ho permet distingir, són aquestes espores i no cèl·lules actives les que predominen en els aerosols. No tenen cap impacte sanitari conegut, però algunes (Bacillus decolorationis) han estat implicades en la biodeterioració de pintures murals d'alt valor històric (Heyrman et al., 2003).
Acidobacteris i verrucomicrobis, components destactats de la microbiota del sòl, es troben associats a la matèria particulada en suspensió. L'alfa-proteobacteri Sphingomonas, que habita en superfícies vegetals, també se'l troba en els aerosols, on resisteix metabòlicament actiu gràcies a les seves adaptacions a condicions oligotròfiques. També s'hi troben cianobacteris, com Plectonema
Alhora d'analitzar les diferents mostres preses, els autors troben que no hi ha gaires diferències entre Austin i San Antonio (vegeu mapa). Són, al capdavall dues ciutats properes, situades al centre de Texas, amb una població similar (1,4-1,8 milions en l'àrea metropolitana) i amb una activitat econòmica terciaritzada. La variabilitat temporal de les mostres, però, és més acusada, i va lligada amb factors ambientals:
– temperatures altes, pressions atmosfèriques elevades i manca de boires o nuvolositat (en resum, condicions anticiclòniques) afavoreixen la diversificació dels microorganismes dels aerosols. Els bacteris actinomicets (actinobacteris), que també es difonen per espores, augmenten especialment amb la temperatura. La raó d'aquest lligam és que aquestes condicions meteorològiques afavoreixen la dessecació de sòls, superfícies vegetals, etc., i fa que el vent es pugui carregar d'una diversitat més gran de microorganismes.
– forts vents, que en la regió comporten l'augment de la matèria particulada en suspensió procedent de les zones àrides que envolten les ciutats, impliquen una reducció de la diversitat microbiana dels aerosols. En aquestes condicions tan sols els especialistes poden aprofitar de forma òptima l'aire com a vehicle de transmissió.
Una comparació amb els microorganismes del sòl
Hom ha calculat en un milió els genomes bacterians i arqueans diferents que podem trobar en un gram de sòl incontaminat (Gans et al., 2005). La pol·lució amb metalls d'un sòl redueix aquesta xifra a mil, per bé que la pèrdua de biodiversitat no implica una disminució en la càrrega microbiana del sòl, en afectar sobretot els microorganismes més rars. Si tenim present aquesta segona xifra, veiem que l'estudi de Brodie et al., amb la descripció de 1.500-1.800 espècies en les mostres d'aerosols, assenyala que el "pas" dels sòls als aerosols no redueix la diversitat microbiana. Dit d'una altra manera, tots els organismes de sòls (i d'aigües superficials) poden veure's arrossegats pel vent.
Els patògens
Entre els microorganismes que sempre foren presents en totes les mostres estudiades hi ha epsilon-proteobacteris i, més concretament, Arcobacter, que pot arribar produir gastroenteritis greus en humans. Fet i fet, la presència d'Arcobacter en els aerosols sembla procedir de plantes de tractament d'aigües residuals.
Pel que fa a Francisella tularensis, agent causal de la tularèmia, transmissible per aerosols i que figura en les llistes del govern nord-americà com a arma bioterrorista potencial de la classe A, Brodie et al. no en detectaren cap. Sí que detectaren, però, una altra espècie de Francisella en algunes de les mostres d'aire (corresponent a una presència puntual de 1-2 setmanes). Similarment les mostres analitzades no contenien cap presència de B. anthracis però si d'altres espècies properes (B. cereus, B. thuringiensis i B. mycoides) que no produeixen les toxines que desencadenen el carboncle. Tampoc no es detectà la presència de patògens com Yersinia pestis (causant de la pesta bubònica) i les brucel·les que causen febres recurrents o febres de Malta.
En canvi, d'altres patògens sí que es troben de forma normal en el cel d'Austin i de San Antonio. És el cas de les rickèttsies (si bé, per infectar humans, normalment ho hauríem de fer a través de la picada de paparres). També és el cas de Clostridium botulinicum, agent causal del botulisme. Dos altres patògens presents són Burkholderia mallei i Bu. pseudomallei
Els autors consideren que cal ara un estudi global de les comunitats microbianes dels aerosols urbans i rurals. Perquè, només amb un coneixement complet de la composició normal d'aquestes comunitats microbianes tindrà sentit analitzar-hi l'impacte de la pol·lució i del canvi climàtic.
El riu Colorado al pas per Austin. El bacterioplàncton aeri de la ciutat es forma a partir dels microorganismes de les superfícies aquàtiques, terrestres i vegetals.
Lligams:
– Urban aerosols harbor diverse and dynamic bacterial populations. Eoin L. Brodie, Todd Z. DeSantis, Jordan P. Moberg Parker, Ingrid X. Zubietta, Yvette M. Piceno, and Gary L. Andersen. PNAS | January 2, 2007 | vol. 104 | no. 1 | 299-304.
