Comment les microbiomes urbains contribuent à l'écologie de la vie en ville

«Comment les microbiomes urbains contribuent à l'écologie de la vie en ville», source article de Madeleine Baron dans ASM News.

Chaque ville a un microbiome. En fait, les paysages urbains hébergent des communautés microbiennes résidentes et transitoires qui peuplent tout, du sol et de l'air aux eaux usées et à l'intérieur et à l'extérieur des bâtiments. La composition de ces communautés varie d'une ville à l'autre. Il est important de noter que les microbes citadins jouent de nombreux rôles, largement inexplorés, dans la structure et la fonction des espaces urbains et la santé de ceux qui les habitent. Une meilleure compréhension des microbiomes urbains pourrait faciliter la conception de villes avec des microbes et leur importance pour le bien-être de la ville et des citoyens.

Comme le microbiome humain se compose de consortiums microbiens habitant des régions du corps (c'est-à-dire l'intestin, la peau, les poumons, etc.), les microbiomes urbains sont un ensemble de communautés microbiennes qui occupent divers réservoirs dans les paysages urbains, des profondeurs des égouts aux sommets des bâtiments. En tant que tel, il existe plusieurs réservoirs avec des rôles connus et émergents dans la santé et le fonctionnement des villes et de leurs habitants.

Sol

Le sol est l'une des substances les plus microbiennes et les plus diversifiées de la planète, et les écologistes microbiens découvrent les merveilles du microbiome du sol depuis des décennies. Les sols urbains (en particulier ceux des espaces verts, comme les parcs) contiennent une biodiversité considérable. En fait, Central Park à New York conserve un degré de diversité microbienne comparable à celui des paysages naturels du monde entier, y compris les sols tropicaux et désertiques. Comme dans les milieux naturels, les microbes du sol remplissent des fonctions biochimiques importantes pour l'écosystème urbain, notamment en facilitant le cycle des nutriments et le stockage du carbone.

Au-delà de ces fonctions, les microbes du sol urbain peuvent affecter la santé des habitants de la ville. Il est bien établi que les interactions avec les microbes environnementaux, y compris ceux du sol, sont nécessaires au bon développement et au bon fonctionnement du système immunitaire. Les sols urbains peuvent également héberger des pathogènes issus de la contamination par les eaux usées et d'autres déchets, ainsi que de nouveaux produits naturels dérivés de microbes ayant un potentiel thérapeutique. Des gènes microbiens censés coder un certain nombre de produits naturels thérapeutiquement pertinents, y compris l'agent anticancéreux épothilone et l'antibiotique érythromycine, ont été identifiés dans les sols des parcs de la ville de New York.

Air

L'air contient des populations microbiennes transitoires dont les compositions varient en fonction de l'utilisation des terres (par exemple, quelle partie du paysage est recouverte de végétation par rapport au béton). Les microbes qui occupent les surfaces des plantes peuvent être balayés dans l'atmosphère et aider à façonner la composition d’«aérobiome». En tant que telles, les communautés bactériennes planant au-dessus des parcs urbains sont distinctes et plus diversifiées sur le plan de la composition que celles au-dessus des parkings. De plus, le type de végétation dans les zones urbaines influence la diversité des aérobiomes urbains, avec une plus grande diversité microbienne observée dans les régions riches en arbres par rapport aux zones herbeuses.

Du point de vue de la santé, des études ont établi un lien entre les aérobiomes urbains et de moins bons résultats pour la santé par rapport aux zones rurales, notamment une prévalence accrue d'affections telles que l'asthme et les allergies. Cela peut être dû à l'abondance et à la diversité microbiennes accrues dans l'air rural par rapport aux zones urbaines, bien que seules quelques études aient évalué expérimentalement le lien entre les aérobiomes ruraux et urbains et la santé humaine. Ces études suggèrent que, par rapport aux espaces urbains, les aérobiomes ruraux orientent la réponse immunitaire vers une réponse T-régulatrice et de type Th1 (cellules T helper de type 1) plutôt qu'une réponse Th2 associée à l'allergie et l'asthme. Néanmoins, il existe un plus grand besoin d'explorations mécanistes sur les facteurs qui façonnent les communautés microbiennes aéroportées et leurs effets sur les citadins.

Eaux usées

Sous les villes animées se trouvent des réseaux de canalisations d'égouts; à travers ces tuyaux s'écoulent les déchets humains, les produits chimiques et les eaux de ruissellement. Les systèmes d'égouts contiennent des consortiums microbiens qui maintiennent des taxons de communautés sources (par exemple, des microbes dérivés d'excréments humains), mais diffèrent également de ces sources, suggérant une adaptation des microbes à l'environnement nutritionnellement et chimiquement distinct du système d'égouts. 

De plus, les biofilms bactériens le long de l'intérieur des tuyaux sont uniques du point de vue de la composition des populations transitoires dans les déchets qui s'écoulent, mettant l'accent sur la diversité de l'habitat au sein du système d'égout lui-même. Notamment, les eaux usées peuvent être utilisées pour surveiller la prévalence et la propagation des microbes pathogènes, y compris le SRAS-CoV-2, ainsi que des organismes résistants aux antibiotiques. Les microbes sont également bénéfiques pour la purification des déchets ; les usines de traitement des eaux usées s'enrichissent en micro-organismes qui digèrent les boues (c'est-à-dire les eaux usées filtrées pour éliminer le sable) pour les étapes ultérieures de purification de l'eau.

Bâtiments

Les villes ne sont pas appelées «jungles de béton» pour rien, les surfaces artificielles sont les fondements de la vie urbaine. L'intérieur des bâtiments héberge des assemblages de microbes largement dérivés de l'homme, comme ceux de la peau, ainsi que ceux introduits par l'air, le sol et l'eau. Les interactions avec ces microbes peuvent conduisent principalement à l'acquisition de microbes pathogènes et bénéfiques.

L'extérieur des bâtiments, qui communique avec l'air et d'autres réservoirs, héberge des communautés microbiennes qui influencent l'intégrité structurelle de la ville. Par exemple, les bactéries oxydant les sulfures déposées sur les surfaces des bâtiments peuvent produire des acides qui dégradent les métaux, tandis que certains champignons peuvent se transformer en pierre et produire des métabolites qui causent des dommages physiques et biochimiques. D'autre part, les microbes peuvent également protéger contre une telle dégradation et destruction. Par exemple, certains microbes non corrosifs produisent des antimicrobiens qui inhibent la croissance des espèces corrosives. Une meilleure compréhension des attributs structurels et fonctionnels des communautés habitant l'environnement ‘bâti’ peut favoriser l'application de méthodes microbiologiques pour préserver l'architecture de la ville, y compris les éléments précieux comme les monuments.

Bien que chacun des réservoirs ci-dessus soit caractérisé par son propre profil microbien, le microbiome urbain dans son ensemble est un ensemble de ceux associés à son sol, son atmosphère, son eau et ses surfaces. Les communautés microbiennes au sein des réservoirs se croisent pour façonner l'écosystème microbien à l'échelle de la ville. De plus, il existe des réservoirs au-delà de ceux discutés ici, tels que les animaux et les humains, qui contribuent aux assemblages microbiens des paysages urbains.

La composition des microbiomes urbains est spécifique à la ville

Il existe des variations considérables dans la composition des microbiomes urbains à travers le monde. Des facteurs tels que l'abondance d'espaces verts et l'exposition du sol, l'architecture urbaine et la composition des eaux usées varient d'une ville à l'autre. D'autres facteurs comme la géographie et le climat influencent également le type de microbes qui survivent dans les paysages urbains. Par conséquent, aucune ville n'a le même microbiome. Lorsque les scientifiques ont effectué des analyses du microbiome sur des échantillons prélevés sur diverses surfaces dans des immeubles de bureaux à Toronto, au Canada, Flagstaff, Arizona et San Diego, Californie, ils ont découvert que chacun présentait une structure de communauté bactérienne spécifique à la ville.

Plus récemment (et à plus grande échelle), le séquençage métagénomique d'échantillons prélevés dans des stations de transport en commun dans 60 villes du monde, de Denver à Tokyo, a révélé que chaque ville avait une empreinte microbienne unique. Il est important de noter que ces empreintes n'étaient pas des reflets directs des microbiomes humains ou du sol, illustrant que le microbiome urbain dans son ensemble est plus que la somme de ses parties. De plus, les chercheurs ont identifié 750 bactéries et plus de 10 900 virus dont les séquences ne correspondaient à aucune base de données de référence, soulignant qu'une grande partie de la vie microbienne habitant les espaces urbains, et leurs implications fonctionnelles en termes de structure de la ville et de santé des résidents, restent à explorer. Cette variation microbienne offre une excellente occasion de comprendre comment l'emplacement, la conception et les opérations de la ville influencent son microbiome, ce qui pourrait donner un aperçu de la façon dont les villes peuvent façonner leur microbiome pour un avantage fonctionnel maximal.

Vers une compréhension fonctionnelle des microbiomes urbains

Les progrès technologiques ont rendu de plus en plus évidents la complexité, le dynamisme et l'importance potentielle des microbiomes urbains, et de nombreuses questions restent sans réponse. Par exemple, l'importance relative des réservoirs microbiens spécifiques (par exemple, le sol, l'air, etc.) dans le paysage urbain varie-t-elle en fonction de la ville et du temps ? Comment les populations microbiennes au sein de ces réservoirs interagissent-elles et s'influencent-elles les unes les autres ? Une meilleure compréhension de ces interactions fournirait une vision plus nuancée des réseaux microbiens complexes qui définissent les microbiomes urbains dans leur ensemble.

De plus, une grande partie de ce que l'on sait sur les microbiomes urbains provient d'analyses d'acides nucléiques microbiens (principalement bactériens) dispersés dans les espaces urbains. Bien que cette approche donne un aperçu de la composition et des fonctions potentielles des communautés microbiennes, elle fait peu pour révéler les fonctions biologiques et écologiques réelles des microbes urbains et ce qu'elles signifient pour la santé humaine. Détecter les fragments d'ADN de pathogènes, par exemple, ne signifie pas nécessairement qu'ils sont largement répandus, ou même vivants. En effet, une analyse métagénomique du métro de New York a détecté Yersinia pestis et Bacillus anthracis (bactéries respectivement responsables de la peste et de la fièvre charbonneuse), bien que l'absence de cas signalés de peste ou de fièvre charbonneuse dans la ville suggère que ces pathogènes ne posent pas de problème de risque net pour la santé humaine. En fin de compte, obtenir des informations phénotypiques sur les communautés microbiennes urbaines, couplées à des enquêtes approfondies sur si et comment elles interagissent avec les humains et les infrastructures, permettrait de faire la lumière sur le rôle et l'utilisation potentielle de ces microbes dans la modulation de la santé de nos villes.