Αερομεταφερόμενοι μικροοργανισμοί σε αστικές περιοχές: βιοποικιλότητα, διαδοχή και διασπορά

Abstract

The present thesis aims at the microscopic and phylogenetic characterization of the airborne microorganisms of Thessaloniki’s city center, with simultaneous observations in the city of Kastoria, as well as the rural areas of Mikri Volvi and Sarti. All study areas in proximity with natural aquatic systems. At the same time, the seasonal changes in the composition and abundance and the effect of meteorological conditions in the diversity, succession and dispersal of airborne microorganisms in Thessaloniki, were studied. The ecological characteristics of the dominant microorganisms in the atmosphere and their ability to colonize newly formed aquatic systems, were examined. On this basis, an assessment of the possible effects of the airborne microorganisms that were identified on human health, was attempted. This thesis is the first study on airborne phototrophic microorganisms in urban areas in Greece and the first in international level that attempts molecular characterization of the diversity of airborne eukaryotes in general. During the study, a high diversity of airborne algae, cyanobacteria, fungi and protists was identified in Thessaloniki. The total number of taxa that were identified with microscopic analysis was 101 (59 cyanobacteria and algae taxa and 42 fungi taxa). This diversity represents a large local pool of airborne microorganisms in relation to the species pool that have been reported worldwide, supporting the hypothesis of unexplored airborne microbial diversity. A small portion of the total number of airborne microorganisms (12%) were identified in the simultaneous observation of the proximate aquatic systems of Thessaloniki Bay and the university water pool, suggesting a possible allochthonous origin from distant source pools or transport from local soil sources. The abundance of airborne microorganisms in Thessaloniki showed maximal values that are close to the highest values that have been reported from other urban areas worldwide (up to 500 cells m-3 of air for cyanobacteria and algae and 1500 cells m-3 of air for fungi). A large portion of the airborne microorganisms that were identified in Thessaloniki, that belonged mainly in the taxonomic groups of fungi, but also consisted of cyanobacteria and algae taxa as well, has been acknowledged to inflict illness when inhaled, such as asthma, allergy and respiratory illness. During the colonization experiments in Thessaloniki, 24 cyanobacteria and algae taxa and 14 protozoan taxa were identified in total. Only 30% of the total number of taxa were identified at the same time in direct air samples, suggesting that the airborne microorganisms disperse through the air with forms, such as cysts, that are not identifiable. The colonization of the experimental containers in the first two weeks of the experiments was rapid, but it quickly stabilized to a plateau. The successful colonists, that were the chlorophytes Haematococcus lacustris, Scenedesmus cf. οbliquus και Chlorella sp., the cyanobacterium Limnothrix sp. and the protozoa HNF and Amoeba sp., were also the final winners of the experimental systems, as they were found to be dominant in the final weeks of the experiments. During three seasons in Thessaloniki, the airborne colonizers formed complex food webs in the experimental containers.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στον ταξινομικό (μικροσκοπική και φυλογενετική ανάλυση) και οικολογικό χαρακτηρισμό των αερομεταφερόμενων μικροοργανισμών (κυανοβακτήρια, μικροφύκη και πρωτόζωα) στο κέντρο της Θεσσαλονίκης με παράλληλες παρατηρήσεις στην Καστοριά, καθώς και στις απομακρυσμένες από αστικά κέντρα περιοχές της Μικρής Βόλβης και της Σάρτης. Διερευνήθηκαν οι χρονικές μεταβολές στη σύνθεση και αφθονία των μικροοργανισμών του αέρα, καθώς και η επίδραση των μετεωρολογικών παραγόντων στην ποικιλότητα, διαδοχή και διασπορά των αερομεταφερόμενων μικροοργανισμών στη Θεσσαλονίκη. Εξετάστηκαν τα οικολογικά χαρακτηριστικά των κυρίαρχων μικροοργανισμών στον αέρα και η ικανότητα τους να εποικίσουν υδάτινα ενδιαιτήματα. Με βάση τα παραπάνω, πραγματοποιήθηκε προσπάθεια εκτίμησης των πιθανών επιδράσεων των αερομεταφερόμενων μικροοργανισμών στην ανθρώπινη υγεία. Αυτή η διδακτορική διατριβή αποτελεί την πρώτη εργασία που αφορά σε αερομεταφερόμενους αυτότροφους και ετερότροφους μικροοργανισμούς σε αστικές περιοχές της Ελλάδας, ενώ είναι η πρώτη σε διεθνές επίπεδο που επιχειρεί μοριακό χαρακτηρισμό της ποικιλότητας αερομεταφερόμενων ευκαρυωτικών ειδών γενικότερα. Κατά τη διάρκεια της εργασίας διαπιστώθηκε ότι ο αέρας της Θεσσαλονίκης παρουσιάζει υψηλή ποικιλότητα αερομεταφερόμενων μικροφυκών, κυανοβακτηρίων, μυκήτων και πρωτόζωων, με το συνολικό αριθμό taxa που αναγνωρίστηκαν με μικροσκοπική ανάλυση να είναι 101 (59 taxa κυανοβακτηρίων και μικροφυκών και 42 taxa μυκήτων). Η ποικιλότητα αυτή αντιπροσωπεύει μία μεγάλη τοπική δεξαμενή αερομεταφερόμενων μικροοργανισμών σε σχέση με τη δεξαμενή ειδών που έχουν αναφερθεί σε παγκόσμια κλίμακα. Ένα μικρό ποσοστό (12%) του συνολικού αριθμού των αερομεταφερόμενων μικροοργανισμών καταγράφηκαν ταυτόχρονα και στα προσκείμενα υδάτινα συστημάτα του Όρμου της Θεσσαλονίκης και της υδατοσυλλογής του πανεπιστημίου. Τα αποτέλεσματα αυτά υποδηλώνουν πιθανή αλλόχθονη προέλευση του μεγαλύτερου ποσοστού των μικροοργανισμών από μακρινές υδάτινες δεξαμενές ειδών ή μεταφορά τους από χερσαίες τοπικές δεξαμενές ειδών. Η αφθονία των αερομεταφερόμενων μικροοργανισμών στη Θεσσαλονίκη παρουσίασε μέγιστα που πλησιάζουν τις ανώτερες τιμές που έχουν καταγραφεί σε αστικές περιοχές διεθνώς (μέχρι 500 κύτταρα m-3 αέρα για κυανοβακτήρια και μικροφύκη και 1500 κύτταρα m-3 αέρα για μύκητες). Ένα μεγάλο ποσοστό των μικροοργανισμών, οι οποίοι ανήκαν κυρίως στους μύκητες, αλλά συμπεριλάμβαναν και κυανοβακτήρια και μικροφύκη που αναγνωρίστηκαν στον αέρα της Θεσσαλονίκης, έχει βρεθεί να προκαλεί παθήσεις, όπως άσθμα, αλλεργίες και παθήσεις του αναπνευστικού, όταν εισπνέονται. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων εποικισμού υδάτινων μικροαιολικών συστημάτων στη Θεσσαλονίκη αναγνωρίστηκαν συνολικά 24 taxa κυανοβακτηρίων και μικροφυκών και 14 taxa πρωτόζωων. Μόνο το 30% του συνολικού αριθμού taxa αναγνωρίστηκαν ταυτόχρονα και με τις δειγματοληψίες αέρα, υποδηλώνοντας ότι οι μικροοργανισμοί μεταφέρονται με τον αέρα με μορφές, όπως ανθεκτικές κύστεις, που δεν αναγνωρίζονται. Ο εποικισμός των πειραματικών διατάξεων τις πρώτες δύο εβδομάδες των πειραμάτων πραγματοποιήθηκε με ταχείς ρυθμούς, ενώ στη συνέχεια ο ρυθμός εποικισμού σταθεροποιήθηκε σε πλάτωμα κορεσμού. Οι επιτυχημένοι εποικιστές, οι οποίοι συμπεριλάμβαναν τα χλωροφύκη Haematococcus lacustris, Scenedesmus cf. οbliquus και Chlorella sp., το κυανοβακτήριο Limnothrix sp. και τα πρωτόζωα HNF και Amoeba sp., ήταν και οι τελικοί νικητές των συστημάτων, καθώς βρέθηκαν να επικρατούν και στις τελικές εβδομάδες των πειραμάτων. Σε τρεις εποχές στη Θεσσαλονίκη οι αερομεταφερόμενοι εποικιστές σχημάτισαν τροφικά πλέγματα στις πειραματικές διατάξεις.