Cities and their effects on free-living and host-associated microbes

Abstract

Microbes are essential for all life on Earth and can be found in the environment or in association with host organisms, where they perform essential tasks either needed for the health of ecosystems or their hosts. Humans impact almost every habitat on our planet through various processes such as loss and degradation of habitat including urban development, pollution and climate change. As a result, microbial communities (also referred to as the microbiota, including bacteria and fungi) are expected to respond to these selective pressures by adjusting to a changing environment. In this way, human alterations of the natural landscape have the power to impact diverse microbiota (both free-living and host-associated), that in turn may affect the delivery of the services they provide to ecosystems and their hosts. Using an innovative combination of extensive cross-sectional surveys, longitudinal field experiments, DNA metabarcoding techniques and stable isotope analyses, my doctoral thesis focuses on the impacts of human activities on free-living and host-associated microbiota, with the aim to quantify the specific variation in bacterial and fungal (1) forest soil and (2) rodent (the bank vole) gut microbial communities in the context of urbanisation, and (3) the level of resistance (i.e., mechanism by which microbial communities do not change after habitat alteration) and plasticity (i.e., mechanism by which microbial communities change to match the novel environment after habitat alteration) displayed by the rodent bacterial gut microbiota in response to a change in the environment (host transfer between urban and rural forests). I found both (1) urban soil microbiota and (2) urban rodent gut microbiota to be distinct from those occurring in forests that are less impacted by urbanisation. Notably, soil pH and a dietary switch were identified as important factors in shaping the soil and bank vole gut microbiota, respectively. Additionally, I found that (3) both past (resistance) and present (plasticity) habitats influence the gut microbiota composition in a wild rodent. This thesis summarises the effects of the urban environment on microbial communities in two different systems and hereby demonstrates the far-reaching effects of urbanisation on microbial life forms.

Mikrobit ovat oleellisen tärkeitä elämälle maapallolla, ja niitä esiintyy vapaina ympäristössä tai isäntäorganismeissa tukien ekosysteemien ja/tai isäntien normaalia toimintaa. Ihminen vaikuttaa lähes kaikkiin planeettamme elinympäristöihin aiheuttaen niiden häviämistä ja huonontumista (mukaan lukien kaupunkien rakentaminen) sekä ympäristöjen saastumista ja ilmastonmuutosta. Mikrobiyhteisöjen (kutsutaan myös mikrobiotaksi, mukaan lukien bakteerit ja sienet) odotetaan reagoivan näihin ihmisen aiheuttamiin valintapaineisiin sopeutumalla muuttuvaan ympäristöön. Siten ihmisen aiheuttamat muutokset ympäristössä voivat muovata mikrobiyhteisöjä (sekä vapaasti eläviä että isäntiin liittyviä) muuttaen mikrobi-yhteisöjen vaikutuksia ekosysteemeissä ja isännissä. Väitöskirjassani tutkin ihmistoiminnan vaikutuksia ympäristössä vapaasti eläviin ja luonnonvaraisissa isäntäeläimissä esiintyviin mikrobiyhteisöihin käyttämällä erilaisia tutkimusasetelmia, mukaan lukien laaja-alaiset poikkileikkausaineistot ja kokeelliset työt sekä DNA-metaviivakoodaus ja isotooppianalyysit. Väitöskirjatyöni tavoitteena oli määrittää kuinka kaupungistuminen vaikuttaa (1) metsämaaperän ja (2) jyrsijöiden (metsämyyrän) suoliston bakteeri- ja sieniyhteisöihin. Lisäksi tarkastelin, kuinka (3) metsämyyrän suoliston mikrobiota säilyy muuttumattomana (resistenssi) tai muuttuu (plastisuus) vastaamaan uutta ympäristöä elinympäristön vaihtumisen jälkeen (isännän siirto kaupunkien ja maaseudun metsien välillä). Tulosteni perusteella molemmat, sekä 1) metsän maaperän mikrobisto, että 2) metsämyyrän suolistomikrobisto eroavat kaupunkimetsien ja kaupunkien ulkopuolisten metsien välillä. Erityisesti erot maaperän happamuudessa ja jyrsijöiden ruokavaliossa tunnistettiin tärkeiksi tekijöiksi maaperän ja metsämyyrän suolen mikrobiotan muovautumisessa. Lisäksi havaitsin, että elinympäristön muutosta edeltävä ympäristö (resistenssi) ja uusi ympäristö (plastisuus) vaikuttavat suoliston mikrobiotan koostumukseen luonnonvaraisessa jyrsijässä. Väitöskirjani tulokset osoittavat, että kaupunkiluonto vaikuttaa mikrobiyhteisöihin kahdessa eri järjestelmässä ja osoittavat täten kaupungistumisen kauaskantoiset vaikutukset mikrobien elämänmuotoihin.