Characterization of primary biogenic aerosol particles by DNA analysis: Diversity of airborne Ascomycota and Basidiomycota

Primary biogenic aerosol (PBA) particles account for large proportions of air particulate matter, and they can influence the hydrological cycle and climate as nuclei for water droplets and ice crystals in clouds, fog, and precipitation. Moreover, they can cause or enhance human, animal, and plant diseases. The actual abundance and properties of PBA particles and components in the atmosphere are, however, still poorly understood and quantified. rnIn this study, the identity, diversity, and frequency of occurrence of PBA particles were investigated by DNA analysis. Methods for the extraction, amplification, and analysis of DNA from aerosol filter samples were developed and optimized for different types of organisms, including fungi, bacteria, and plants. The investigations were focused on fungal DNA, and over 2500 sequences were obtained from air samples collected at different locations and climatic zones around the world (tropical, mid-latitude, sub-polar; continental, marine). rnNearly all fungal DNA sequences could be attributed to the phyla of Ascomycota and Basidiomycota. With regard to species richness, the ratio of Basidiomycota to Ascomycota was much higher in continental air samples (~60:40) than in marine air samples (~30:70). Pronounced differences in the relative abundance and seasonal cycles of various groups of fungi were detected in coarse and fine particulate matter from continental air, with more plant pathogens in the coarse and more human pathogens and allergens in the respirable fine particle fraction (<3 µm). The results of this study provide new information and insights into the sources of PBA particles and the interactions of the biosphere with the atmosphere, climate, and public health. rn

Primäre biogene Aerosolpartikel (PBA) haben großen Anteil an der Zusammensetzung und an den Auswirkungen atmosphärischer Aerosole. Sie können den Wasserkreislauf und das Klima als Kondensationskerne für Wassertropfen und Eiskristalle in Wolken, Nebel und Niederschlag beeinflussen, und sie können Kranheiten an Mensch, Tier und Pflanze auslösen oder verstärken. Die genauen Eigenschaften von PBA sind bislang jedoch kaum bekannt. rnIn dieser Arbeit wurde die Identität, Diversität und die Häufigkeit des Vorkommens von PBA mittels DNA-Analysen untersucht. Methoden für die Extraktion, Amplifizierung und Analyse von DNA aus Luftfilterproben wurden entwickelt und für verschiedene Organismen wie Pilze, Bakterien und Pflanzen optimiert. Die Untersuchungen dieser Arbeit konzentrierten sich auf den Nachweis von Pilz-DNA in Luftproben, und mehr als 2500 DNA-Sequenzen konnten aus Proben von verschiedensten Standorten und Klimazonen rund um die Welt gewonnen werden (Tropen, Mittlere Breiten, Polargebiete; kontinental, marin). rnFast alle DNA-Sequenzen konnten den Abteilungen der Ascomycota und Basidiomycota zugeordnet werden. Bezüglich der Artenvielfalt war das Verhältnis von Basidio- zu Ascomycota in kontinentalen Luftproben (~60:40) deutlich höher als in marinen Proben (~30:70). Deutliche Unterschiede zeigten sich auch in der relativen Häufigkeit und in den saisonalen Zyklen verschiedener Pilzgruppen in Grob- und Feinstaubproben aus kontinentaler Luft. Dabei war der Anteil an phytopathogenen Spezies in der Grobstaubfraktion höher, während humanpathogene und allergene Spezies eher in der lungengängigen Feinstaubfraktion gefunden wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern neue Information und Einsicht in die Quellen von PBA und in die Wechselwirkung von Biosphäre, Atmosphäre, Klima und Gesundheit.rn