Abstract Exposure to a diverse environmental microbiome is thought to play an important role in ‘educating’ the immune system and facilitating competitive exclusion of pathogens to maintain human health. Vegetation and soil are known to be key sources of airborne microbiota––the aerobiome . Only a limited number of studies have attempted to characterise the dynamics of the aerobiome, and no studies to date have investigated these dynamics from a vertical perspective simulating human exposure. Studies of pollution and allergenic pollen show vertical stratification at various scales, and present an expectation that such vertical stratification may also be present in the aerobiome. Such stratification could have important implications for public health and for the design, engineering and management of urban green spaces. For example, do children receive the same exposure to airborne microbiota as taller adults, and what are the downstream implications for health? In this study, we combine an innovative columnar sampling method at soil level, 0.0, 0.5, 1.0, and 2.0 m together with high-throughput sequencing of the bacterial 16S rRNA gene to assess whether significant vertical stratification of the aerobiome occurred in a parkland habitat in Adelaide, South Australia. Our results provide evidence of vertical stratification in both alpha and beta (compositional) diversity of airborne bacterial communities, with diversity increasing roughly with height. We also found significant vertical stratification in known pathogenic and beneficial bacterial taxa, suggesting potentially different exposure attributes between adults and children. These results could have important implications for public health and urban planning, potentially informing ways to optimise the design and management of health-promoting urban green spaces.

Despite mounting evidence of their importance in human health and ecosystem functioning, the definition and measurement of 'healthy microbiomes' remain unclear. More advanced knowledge exists on health associations for compounds used or produced by microbes. Environmental microbiome exposures (especially via soils) also help shape, and may supplement, the functional capacity of human microbiomes. Given the synchronous interaction between microbes, their feedstocks, and micro-environments, with functional genes facilitating chemical transformations, our objective was to examine microbiomes in terms of their capacity to process compounds relevant to human health. Here we integrate functional genomics and biochemistry frameworks to derive new quantitative measures of in silico potential for human gut and environmental soil metagenomes to process a panel of major compound classes (e.g., lipids, carbohydrates) and selected biomolecules (e.g., vitamins, short-chain fatty acids) linked to human health. Metagenome functional potential profile data were translated into a universal compound mapping 'landscape' based on bioenergetic van Krevelen mapping of function-level meta-compounds and corresponding functional relative abundances, reflecting imprinted genetic capacity of microbiomes to metabolize an array of different compounds. We show that measures of 'compound processing potential' associated with human health and disease (examining atherosclerotic cardiovascular disease, colorectal cancer, type 2 diabetes and anxious-depressive behavior case studies), and displayed seemingly predictable shifts along gradients of ecological disturbance in plant-soil ecosystems (three case studies). Ecosystem quality explained 60-92 % of variation in soil metagenome compound processing potential measures in a post-mining restoration case study dataset. With growing knowledge of the varying proficiency of environmental microbiota to process human health associated compounds, we might design environmental interventions or nature prescriptions to modulate our exposures, thereby advancing microbiota-oriented approaches to human health. Compound processing potential offers a simplified, integrative approach for applying metagenomics in ongoing efforts to understand and quantify the role of microbiota in environmental- and human-health.

Abstract Exposure to biodiverse aerobiomes may support human health, but it is unclear which ecological factors influence exposure. Few studies have investigated near-surface green space aerobiome dynamics, and no studies have investigated aerobiome vertical stratification in different green spaces. We used columnar sampling and next generation sequencing of the bacterial 16S rRNA gene, combined with geospatial and network analyses to investigate aerobiome spatio-compositional dynamics. We show a strong effect of habitat on bacterial diversity and network complexity. We observed aerobiome vertical stratification and network complexity that was contingent on habitat type. Tree density, closer proximity, and canopy coverage associated with greater aerobiome alpha diversity. Grassland aerobiomes exhibited greater proportions of putative pathogens compared to scrub, and also stratified vertically. We provide new insights into the urban ecosystem with potential importance for public health, whereby the possibility of differential aerobiome exposures appears to depend on habitat type and height in the airspace.

ABSTRACT Aim Butyrate-producing bacteria are found in many outdoor ecosystems and host organisms, including humans, and are vital to ecosystem functionality and human health. These bacteria ferment organic matter, producing the short-chain fatty acid butyrate. However, few (if any) studies have examined the macroecological influences on their large-scale biogeographical distribution. Here we aimed to characterise their global biogeography together with key explanatory climatic, geographic, and physicochemical variables. Location Global, and the Australian continent Time period 2005-2020 Major taxa studied Butyrate-producing bacteria Methods We developed new normalised butyrate production capacity (BPC) indices derived from global metagenomic ( n =13,078) and Australia-wide soil 16S rRNA ( n =1,331) data, using Geographic Information System (GIS) and modelling techniques to detail their ecological and biogeographical associations. Results The highest BPC scores were found in anoxic and fermentative environments, including the human and non-human animal gut, and in some plant-soil systems. Within plant-soil systems, roots and rhizospheres had the highest BPC scores. Among soil samples, geographic and climatic variables had the strongest overall influence on BPC scores, with human influence also making key contributions. Higher BPC scores were in soils from seasonally productive sandy rangelands, temperate rural residential areas, and sites with moderate-to-high soil iron concentrations. Main conclusions Abundances of butyrate-producing bacteria in outdoor soils follow complex ecological patterns influenced by geography, climate, soil chemistry, and hydrological fluctuations. Human population density and soil iron also play substantial roles, and their effects are dependent on a combination of ecological variables. These new biogeographical insights further our understanding of the global ecology patterns of butyrate-producing bacteria, with implications for emerging microbially-focussed ecological and human health policies.

Understanding belowground plant-microbial interactions is fundamental to predicting how plant species respond to climate change, particularly in global drylands. However, these interactions are poorly understood, especially for keystone grass species like the pan-palaeotropical Themeda triandra. Here, we used 16S rRNA amplicon sequencing to characterise microbiota in rhizospheres and bulk soils associated with T. triandra. We applied this method to eight native sites across a 3-fold aridity gradient (aridity index range = 0.318 to 0.903 = 87 % global aridity distribution) in southern Australia. By examining the relative contributions of climatic, edaphic, ecological, and host specific phenotypic traits, we identified the ecological drivers of core T. triandra-associated microbiota. We show that aridity had the strongest effect on shaping these core microbiotas, and report that a greater proportion of bacterial taxa that were from the core rhizosphere microbiomes were also differentially abundant in more arid T. triandra regions. These results suggest that T. triandra naturally growing in soils under more arid conditions have greater reliance on rhizosphere core taxa than plants growing under wetter conditions. Our study underscores the likely importance of targeted recruitment of bacteria into the rhizosphere by grassland keystone species, such as T. triandra, when growing in arid conditions. This bacterial soil recruitment is expected to become even more important under climate change.

Abstract In post-mining rehabilitation, successful mine closure planning requires specific, measurable, achievable, relevant and time-bound (SMART) completion criteria, such as returning ecological communities to match a target level of similarity to reference sites. Soil microbiota are fundamentally linked to the restoration of degraded ecosystems, helping to underpin ecological functions and plant communities. High-throughput sequencing of soil eDNA to characterise these communities offers promise to help monitor and predict ecological progress towards reference states. Here we demonstrate a novel methodology for monitoring and evaluating ecological restoration using three long-term (> 25 year) case study post-mining rehabilitation soil eDNA-based bacterial community datasets. Specifically, we developed rehabilitation trajectory assessments based on similarity to reference data from restoration chronosequence datasets. Recognising that many alternative options for microbiota data processing have potential to influence these assessments, we comprehensively examined the influence of standard versus compositional data analyses, different ecological distance measures, sequence grouping approaches, eliminating rare taxa, and the potential for excessive spatial autocorrelation to impact on results. Our approach reduces the complexity of information that often overwhelms ecologically-relevant patterns in microbiota studies, and enables prediction of recovery time, with explicit inclusion of uncertainty in assessments. We offer a step change in the development of quantitative microbiota-based SMART metrics for measuring rehabilitation success. Our approach may also have wider applications where restorative processes facilitate the shift of microbiota towards reference states.

Abstract Butyrate‐producing bacteria colonise the gut of humans and non‐human animals, where they produce butyrate, a short‐chain fatty acid with known health benefits. Butyrate‐producing bacteria also reside in soils and soil bacteria can drive the assembly of airborne bacterial communities (the aerobiome). Aerobiomes in urban greenspaces are important reservoirs of butyrate‐producing bacteria as they supplement the human microbiome, but soil butyrate producer communities have rarely been examined in detail. Here, we studied soil metagenome taxonomic and functional profiles and soil physicochemical data from two urban greenspace types: sports fields ( n = 11) and nature parks ( n = 22). We also developed a novel method to quantify soil butyrate and characterised the in situ activity of butyrate‐producing bacteria. We show that soil butyrate was higher in sports fields than nature parks and that sports fields also had significantly higher relative abundances of the terminal butyrate production genes buk and butCoAT than nature parks. Soil butyrate positively correlated with buk gene abundance (but not butCoAT ). Soil moisture ( r = .50), calcium ( r = −.62), iron ( ρ = .54), ammonium nitrogen ( ρ = .58) and organic carbon ( r = .45) had the strongest soil abiotic effects on soil butyrate concentrations and iron ( ρ = .56) and calcium ( ρ = −.57) had the strongest soil abiotic effects on buk read abundances. Overall, our findings contribute important new insights into the role of sports fields as key exposure reservoirs of butyrate producing bacteria, with important implications for the provision of microbiome‐mediated human health benefits via butyrate.

Microbiomes are critical to the health and functioning of humans and ecosystems. Defining 9healthy microbiomes9, however, remains elusive. More advanced knowledge exists on health associations for the compounds used or produced by microbes. Because microbes, their feedstocks and micro-environments interact synchronously, using functional genes to facilitate chemical transformations, this presents an intriguing opportunity to examine microbiomes through their potential to process compounds associated with human health. There is also growing interest in environmental microbiota that might be efficient at processing health-associated compounds because these microbes may readily transfer to humans and environmental interventions could modulate our exposure to them. Here we propose a bioenergetic mapping approach to microbiome assessments that examines the compound processing potential imprinted in human gut and environmental soil metagenomes. From shotgun metagenomics functional profiling, we derive quantitative measures of compound processing potential for human health-associated compound classes (e.g., lipids, carbohydrates) and selected biomolecules of interest (e.g., vitamins, short-chain fatty acids). We mapped microbial functions to compounds using the complexity-reducing van Krevelen bioenergetic mapping framework, based on carbon-hydrogen-oxygen stoichiometry and principal axes that explain variation in microbial distribution and chemical speciation. We found differences in compound processing potential within gut metagenomes comparing health- and disease-associated samples, including atherosclerotic cardiovascular disease, colorectal cancer, type 2 diabetes and anxious-depressive behaviors. Patterns of compound processing potential in soil metagenomes were linked with ecosystem maturity. Assessment of compound processing potential offers a new lens to explore mechanisms of microbiome-mediated human health including connections to health-promoting environmental microbiomes.

ABSTRACT Soil microbiota are important components of healthy ecosystems. Greater consideration of soil microbiota in the restoration of biodiverse, functional, and resilient ecosystems is required to address the twin global crises of biodiversity decline and climate change. In this review, we discuss available and emerging practical applications of soil microbiota into ( i ) restoration planning, ( ii ) direct interventions for shaping soil biodiversity, and ( iii ) strategies for monitoring and predicting restoration trajectories. We show how better planning of restoration activities to account for soil microbiota can help improve progress towards restoration targets. We show how planning to embed soil microbiota experiments into restoration projects will permit a more rigorous assessment of the effectiveness of different restoration methods, especially when complemented by statistical modelling approaches that capitalise on existing data sets to improve causal understandings and prioritise research strategies where appropriate. In addition to recovering belowground microbiota, restoration strategies that include soil microbiota can improve the resilience of whole ecosystems. Fundamentally, restoration planning should identify appropriate reference target ecosystem attributes and – from the perspective of soil microbiota – comprehensibly consider potential physical, chemical and biological influences on recovery. We identify that inoculating ecologically appropriate soil microbiota into degraded environments can support a range of restoration interventions (e.g. targeted, broad‐spectrum and cultured inoculations) with promising results. Such inoculations however are currently underutilised and knowledge gaps persist surrounding successful establishment in light of community dynamics, including priority effects and community coalescence. We show how the ecological trajectories of restoration sites can be assessed by characterising microbial diversity, composition, and functions in the soil. Ultimately, we highlight practical ways to apply the soil microbiota toolbox across the planning, intervention, and monitoring stages of ecosystem restoration and address persistent open questions at each stage. With continued collaborations between researchers and practitioners to address knowledge gaps, these approaches can improve current restoration practices and ecological outcomes.

ABSTRACT Indigenous health interventions have emerged in New Zealand aimed at increasing human interactions with and exposure to macro and microbial diversity. Urban greenspaces provide opportunities for people to gain such exposures. However, the dynamics and pathways of microbial transfer from natural environments onto a person remain poorly understood. Here, we analysed bacterial 16S rRNA amplicons in air samples ( n = 7) and pre- and post-exposure nasal samples ( n = 238) from 35 participants who had 30-minute exposures in an outdoor park. The participants were organised into two groups: over eight days each group had two outdoor park exposures and two indoor office exposures, with a cross-over study design and washout days between exposure days. We investigated the effects of participant group, location (outdoor park vs. indoor office), and exposures (pre vs. post) on the nasal bacterial community composition and three key suspected health-associated bacterial indicators (alpha diversity, generic diversity of Gammaproteobacteria, and read abundances of butyrate-producing bacteria). The participants had distinct nasal bacterial communities, but these communities did not display notable shifts in composition following exposures. The community composition and key health bacterial indicators were stable throughout the trial period, with no clear or consistent effects of group, location, or exposure. We conclude that 30-minute exposure periods to urban greenspaces are unlikely to create notable changes in the nasal microbiome of visitors, which contrasts with previous research. Our results suggest that longer exposures or activities that involves closer interaction with microbial rich ecological components (e.g., soil) are required for greenspace exposures to result in noteworthy changes in the nasal microbiome.