Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Les bioaérosols sont ubiquitaires dans l’environnement, autant à l’extérieur qu’à l’intérieur. L’assemblage des communautés microbiennes dans l’air est le résultat de processus complexes impliquant des facteurs environnementaux, le climat et les activités humaines. L’anthropisation du territoire est due à l’augmentation de l’urbanisation. Cette modification de l’utilisation du territoire entraîne des changements dans l’émission des bioaérosols, notamment dans la composition des communautés les constituant. Le système respiratoire humain est en constante exposition aux bioaérosols, qui, pour la grande majorité, n’ont pas d’effets significatifs sur la santé humaine. Cependant, certains peuvent exacerber l’inflammation des voies respiratoires, voire causer des infections, alors que d’autres peuvent avoir des propriétés anti-inflammatoires. Malgré l’intérêt en santé publique et les études portant sur leur présence dans le milieu de travail, peu se sont intéressées à l’impact du degré d’urbanisation sur le microbiome de l’air dans un contexte d’exposition quotidienne, et sur l’impact de ces communautés sur l’air à l’intérieur de bâtiments.

Pour combler ce manque de connaissances, nous avons prélevé des échantillons d’air dans deux zones urbaines canadiennes présentant un niveau contrasté d’urbanisation, Scarborough (Toronto, ON) et Chicoutimi (Saguenay, QC). Nous avons mesuré l’abondance bactérienne en ciblant le gène de l’ARN ribosomal 16S par qPCR. Nous avons également caractérisé la composition des communautés de bactéries et de champignons via le séquençage d’amplicon ciblant le gène ARNr 16S V3-V4 (bactéries) et l’intron ITS2 (champignons). Les hypothèses étaient que la zone à urbanisation plus élevée aurait une abondance bactérienne plus élevée, mais une diversité plus faible, et que les communautés microbiennes aériennes entre les deux zones seraient distinctes. Nous nous attendions à ce que l’air intérieur ait une abondance bactérienne plus élevée, mais une diversité plus faible que l’air extérieur.

L’air échantillonné comportait une grande diversité de bactéries (incluant les Pseudomonadota, Bacillota et Actinomycetota) ainsi que de champignons (Ascomycota et Basidiomycota). Considérant l’ensemble des échantillons extérieurs, l’abondance et la diversité taxonomique bactériennes étaient positivement corrélées à la vitesse du vent, et l’abondance bactérienne était également inversement corrélée à la température. L’abondance en bactéries dans l’air était plus grande à Scarborough, le site le plus urbanisé, qu’à Chicoutimi. La même tendance est observée pour la richesse taxonomique et l’équitabilité des communautés bactériennes. Aucune différence significative de diversité taxonomique n’a été observée pour les champignons. En termes de composition des communautés, les deux zones urbaines, de même que l’air intérieur et extérieur, étaient significativement différentes. Pour l’air intérieur, une abondance plus élevée en bactéries, potentiellement dû à l’occupation humaine et la circulation d’air plus réduite, a été mesurée. La diversité taxonomique était cependant plus élevée pour l’air extérieur. Trois familles bactériennes avaient une abondance significativement plus élevée dans l’air extérieur: Oxalobacteraceae, Acetobacteraceae et Hymenobacteraceae. De plus, un genre bactérien, Ralstonia, était enrichi dans l’air intérieur, précédemment identifié comme indicateur de l’air intérieur et dans l’air pollué. Cette étude met en évidence l’influence du territoire et des conditions locales sur la composition des communautés microbiennes de l’air, et éclaire la manière dont l’urbanisation affecte les bioaérosols des villes. Ces travaux soulignent également le lien entre l’air intérieur et extérieur, présentant un portrait de l’exposition aux bioaérosols lors de la vie quotidienne. L’augmentation des températures et la fréquence plus élevée de tempêtes en raison des changements climatiques pourraient altérer la composition microbienne des villes, en changeant leur composition et l’abondance. De plus, les prévisions démographiques indiquent que la densité de population urbaine devrait s’accroître, ce qui signifie que plus de personnes seront exposées à l’aérobiome des villes et contribueront à changer les sources d’émission.

Bioaerosols are ubiquitous in outdoor and built environments. The assembly of microbial communities present in the air results from complex processes involving environmental factors, climate, and human activities. This impact of increasing human activity on bioaerosols is in part driven by urbanization. Changes in land use led to modifications in bioaerosol emissions, particularly for their microbial composition. The human respiratory tract is in continuous contact with bioaerosols. While some microbes which constitute bioaerosols may be infectious or pro-inflammatory, most are harmless, or even have anti-inflammatory properties. Despite the public health relevance of airborne microbial exposure and attention bioaerosols have received in the workplace, little is known about how microbial community composition varies in urban areas and how it affects indoor settings.

To address this knowledge gap, we collected air samples in two Canadian urban areas, Scarborough (Toronto, ON) and Chicoutimi (Saguenay, QC) with contrasting levels of urbanization. We measured bacterial abundance by targeting the 16S ribosomal RNA gene using qPCR. We characterized bacterial and fungal communities through amplicon sequencing targeting the 16S rRNA gene (bacteria) and the ITS2 intron (fungi). We hypothesized that areas with greater urbanization will have higher bacterial abundance, but lower diversity. We further hypothesized that both zones will have distinct airborne microbial compositions. We expected indoor air to contain a greater bacterial abundance than outdoor air, but lower diversity levels.

Sampled air contained a high diversity of bacteria (including Pseudomonadota, Bacillota and Actinomycetota) and fungi (Ascomycota and Basidiomycota). Total bacterial abundance and taxonomic diversity were significantly correlated to wind speed, regardless of location. Total abundance was negatively correlated to temperature. They were also highest in Scarborough, the most populous area. As for fungi, no differences or correlations with environmental parameters were detected. Moreover, distinct microbial assemblages were observed in each urban area and between indoor and outdoor air. For indoor air, a higher bacterial abundance, likely due to human occupancy and reduced air circulation, was detected, whereas outdoor air showed greater taxonomic diversity. Community composition was significantly different between urban areas and indoor-outdoor. Three bacterial families were significantly more abundant in outdoor air: Oxalobacteraceae, Acetobacteraceae, and Hymenobacteraceae. Additionally, one bacterial genus, Ralstonia, was detected as enriched in indoor air, previously identified as an indicator of indoor air and in polluted air. This study highlights the influence of land use and local conditions on the composition of airborne microbial communities. These findings suggest that both environmental conditions and indoor/outdoor settings should be considered when assessing every day microbial exposure in built environments and cities. By characterizing the links between indoor and outdoor airborne microbiomes, this study provides insight into bioaerosol exposure in our daily lives. Higher temperatures and more storms due to climate change will change airborne microbial community composition and their abundance. Additionally, demographic projections suggest an increase in urban population density, leading to more people being exposed to urban air, which could alter emission sources.