《Science of The Total Environment》：Microbial dispersal from a hyperactive sandsheet in the Icelandic Highland
编辑推荐：
本研究以冰岛Dyngjusandur沙丘为对象，通过气象数据分析与微生物测序，揭示了风暴天气显著提升沙尘中微生物在大气中的比例（最高达76%），并发现微生物附着于复杂沙粒可增强存活能力。首次证实此类极端环境中微生物的存活及跨区域传输潜力，为高纬度沙尘暴健康风险提供依据。
纳森·哈德兰德（Nathan Hadland）| 克里斯托弗·W·汉密尔顿（Christopher W. Hamilton）| 彼得·施罗德尔（Peter Schroedl）| 费德里卡·卡拉布雷斯（Federica Calabrese）| 杰弗里·马洛（Jeffery Marlow）| 索兰热·杜阿梅尔（Solange Duhamel）
美国亚利桑那大学月球与行星实验室，图森，亚利桑那州，85721
摘要
大气传输是微生物在全球范围内扩散的重要机制。因此，大气生态系统与土壤生态系统的耦合在全球生物圈和生物地球化学循环中起着重要作用。我们以冰岛高地的超级活跃的Dyngjusandur沙地作为案例研究，该沙地对全球尘埃循环有重要贡献，探讨了生物气溶胶群落与当地地表来源之间的联系，并展示了气象条件如何影响空气中的微生物动态。研究结果表明，该沙地上方的大气中存在一个独特的微生物群落，其结构会随着风速和大气压力的变化而动态变化，尤其是大型风暴系统会改变原核生物和真核生物的数量。来源追踪显示，风暴事件增加了与沙子相关的微生物进入大气的比例（高达76%），使得空气中的微生物群落与其陆地来源（包括沙子、日间洪泛区和河流环境）之间的界限变得模糊。微生物更倾向于附着在沙地释放的形态复杂的尘埃颗粒上，这可能提高了它们在大气中的存活能力。培养实验确认了存在能够适应寒冷环境并具有抗压能力的微生物类群，表明它们具有在大气中持续存在的潜力。轨迹模型预测，从沙地释放的生物气溶胶可能到达欧洲的主要人口中心。这些微生物可能对人类健康、农业、生物地球化学循环和生态系统产生影响。
引言
气溶胶在大气中广泛存在，并对生物圈和公共卫生产生深远影响（Kim等人，2018年）。特别是空气中的微生物通过云层和降水的形成影响全球气候，参与生物地球化学循环和大气化学过程，并能够跨越大陆进行传输（Fr?hlich-Nowoisky等人，2016年）。尽管它们具有重要意义，但大气微生物组仍然是极端微生物研究中探索最少的领域之一。大气对微生物来说是一个恶劣的环境，其特征是干燥、氧化条件、营养物质有限以及紫外线辐射。这些压力因素挑战了微生物的生存和扩散，并且由于生物量低，使得研究空气中的微生物群落存在技术难度（Smith等人，2011年）。虽然许多大气条件具有杀菌作用，但尘埃可以提供一定的保护，微生物的存活能力可能取决于它们是自由漂浮还是附着在颗粒上，以及颗粒本身的性质（Dong等人，2022年；Hu等人，2020年）。因此，研究超级活跃的尘埃排放环境（即频繁且强烈的尘埃排放）对于理解局部和全球范围内的微生物传输至关重要。
空气中的生物颗粒促进了植物和微生物物质跨越地理障碍的移动，促进了孤立栖息地之间的基因交换，有助于生态系统的发育、进化和恢复力（Womack等人，2010年），但被传输的微生物也可能引发过敏反应，影响农业或具有致病性（Fr?hlich-Nowoisky等人，2016年）。尽管这些因素对人类健康和生物圈有影响，但关于近地表土壤群落、大气和沙尘暴之间的相互作用知之甚少。虽然先前的研究使用沉积物传输模型将干旱环境中的沉积物与生物气溶胶排放联系起来（Carotenuto等人，2017年），但很少有研究系统地将大气中的微生物群体与其排放源联系起来（Niu等人，2023年；Qi等人，2020年）。
来自非洲和亚洲沙漠的大规模季节性沙尘脉冲会对下游生态系统产生影响，传输包括真菌和人类及动物病原体在内的微生物（Kellogg和Griffin，2006年；Pointing和Belnap，2012年）。例如，与沙尘相关的真菌已被证实与珊瑚礁衰退有关（Weir-Brush等人，2004年），这突显了长距离微生物传输对全球环境变化的重要性。然而，对于高纬度地区的尘埃来源关注较少。特别是冰岛的沙漠和冰川沉积物是欧洲大陆空气尘埃的最大来源，也是全球尘埃循环的主要贡献者（Arnalds等人，2016年；Bullard等人，2016年）。冰岛拥有超过20,000平方公里的半干旱沙地，主要由玄武岩玻璃和岩石碎片组成，其中有几个超级活跃的尘埃产生热点（Baratoux等人，2011年）。随着冰川的退缩，这些尘埃排放可能会增加（Bullard等人，2016年），从而可能增强微生物的扩散，包括在冰川群落中发现的病原体（Yarzábal等人，2021年；Zhang等人，2024年）。除了对人类健康的威胁外，尘埃排放还可能通过降低雪的反照率影响气候（Meinander等人，2014年），而火山尘埃中的高铁含量（约10%的铁）在沉积后已被证明会扰乱北大西洋的海洋生物地球化学过程（Achterberg等人，2018年）。冰岛不断扩张的沙地也威胁着该岛脆弱的生态平衡（Arnalds等人，2016年；Baratoux等人，2011年）。
预测空气中的微生物来源需要将大气中的微生物群落与潜在的来源栖息地进行比较。微生物进入大气的主要来源包括土壤、水体、叶片/植物、动物粪便和人为环境（Niu等人，2023年；Qi等人，2020年）。尽管之前的研究试图推断气溶胶中识别出的物种的来源（Bowers等人，2011年），但在自然环境中很少使用严格的统计方法（Knights等人，2011年），这些方法依赖于从研究区域潜在来源收集的样本（Niu等人，2023年；Qi等人，2020年；Uetake等人，2019年）。此外，生物气溶胶的携带与太阳辐射和温度等环境因素密切相关（Gusareva等人，2019年），或者与风和降雨对表面的机械扰动有关（Joung等人，2017年）。气象条件还通过环境过滤影响自然环境中空气中的微生物群落多样性（Bowers等人，2013年；Ruiz-Gil等人，2020年），这与城市地区不同，在城市地区污染物会塑造群落组成（Qi等人，2020年）。然而，大多数研究依赖于远距离气象站的数据，而不是特定地点的测量数据，这可能无法准确反映当地条件（De Frenne等人，2025年）。
在这里，我们以Dyngjusandur沙地作为案例研究，这是一个特征明确的冰川河流平原（Arnalds等人，2016年；Baratoux等人，2011年；Hudziak等人，2025年），那里来自Vatnaj?kull冰盖的日降风驱动频繁的沙尘暴。我们通过高分辨率的当地气象数据和生物采样来研究三个关于高纬度尘埃来源微生物扩散的核心问题：（1）气象条件如何控制当地空气中的微生物群落的结构和多样性？（2）能否将大气中的微生物追溯到特定的来源环境，这种归因是否会随天气条件变化？（3）被传输的微生物是否具有生存能力，并且是否以某种方式与尘埃颗粒相关联，从而提高在大气中的存活率？为了回答这些问题，我们结合了高分辨率的当地气象数据和生物采样，以了解驱动微生物扩散的条件。我们通过16S和18S rRNA基因的扩增子测序来表征大气中的微生物群落组成和多样性，并评估微生物多样性与气象参数之间的关系。我们进一步评估了环境过滤在塑造空气中的微生物群落中的作用，并通过将生物气溶胶与研究区域内的潜在来源（沙子、日间洪泛区沉积物和水）进行比较（包括定性方法如分类单元重叠和β多样性，以及定量方法如贝叶斯源追踪）来研究它们的来源。通过培养实验确认了被传输微生物的存活能力，而显微镜观察显示了微生物细胞与尘埃颗粒之间的关联，这可能有助于提高它们在大气中的存活率。这些互补的方法共同提供了对超级活跃尘埃环境中局部环境条件如何驱动微生物扩散动态的严格评估，对于理解生态系统连通性和随着冰川退缩加剧的高纬度尘埃排放所带来的潜在健康风险具有重要意义（Bullard等人，2016年）。
部分摘录
研究地点
Dyngjusandur沙地位于Askja中央火山西北侧，东侧是J?kulsá á Fj?llum的主要冰川排水系统和Vaealda盾状火山（图1），是一个大型冰川河流平原。该沙地是由Vatnaj?kull的Dyngjuj?kull出口冰川的日间洪水和冰川崩塌（大规模洪水）造成的玻璃质碎屑沉积形成的（Baratoux等人，2011年；Mountney和Russell，2004年），以及火山活动也起到了作用
气象条件影响空气中的微生物多样性和群落结构
2022年和2023年的野外考察捕捉到了各种气象条件，提供了评估天气变化如何影响空气中的微生物群落的机会（补充材料，图S2）。例如，2022年采样期间的一个低压系统导致持续风速超过16米/秒，而2023年相对平静，阵风风速很少超过8米/秒。在考虑了采样体积后，发现了一些统计上显著的关系
讨论
大气微生物学中的一个核心问题是，空气中的微生物群落是通过随机气溶胶化被动形成的，还是通过环境选择压力主动形成的（Lappan等人，2024年）。换句话说，可能存在一些必须在空气中存活的微生物（例如，从未降落到地面上），它们可能在全球生物地球化学循环中发挥被低估的作用（Fr?hlich-Nowoisky等人，2016年）。在这项研究中，我们发现Dyngjusandur的生物气溶胶
CRediT作者贡献声明
纳森·哈德兰德（Nathan Hadland）：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、调查、资金获取、正式分析、概念化。克里斯托弗·W·汉密尔顿（Christopher W. Hamilton）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。彼得·施罗德尔（Peter Schroedl）：撰写——审阅与编辑、方法学、调查、资金获取。费德里卡·卡拉布雷斯（Federica Calabrese）：撰写——审阅与编辑、方法学、调查。杰弗里·马洛（Jeffery Marlow）：
资金支持
资金支持来自：国家防御科学与工程研究生（NDSEG）奖学金计划（N.H.）、美国哲学学会的Lewis and Clark天文生物学探索与野外研究基金（N.H.）、亚利桑那大学研究生和专业学生委员会旅行补助金（N.H.）、亚利桑那天体生物学中心种子基金（S.D.和N.H.）、Scialog（Heising–Simons基金会）的补助金（C.W.H.，2023–4652），NASA的补助金（80NSSC23K0224和80NSSC25K7265，N.H.）
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢Matthew Varnam、Joana Voigt和Brett Carr在野外工作的协助。感谢Sn?dís Bj?rnsdóttir在后勤支持和有益讨论方面的帮助。感谢Vatnaj?kull国家公园服务（Vatnaj?kulstjóegareur）允许我们在Dyngjusandur进行工作。
