The existence of viable human pathogens in bioaerosols which can cause infection or affect human health has been the subject of little research. In this study, data provided by 10 tropospheric aircraft surveys over Japan in 2014 confirm the existence of a vast diversity of microbial species up to 3,000 m height, which can be dispersed above the planetary boundary layer over distances of up to 2,000 km, thanks to strong winds from an area covered with massive cereal croplands in Northeast (NE) Asia. Microbes attached to aerosols reveal the presence of diverse bacterial and fungal taxa, including potential human pathogens, originating from sewage, pesticides, or fertilizers. Over 266 different fungal and 305 bacterial genera appeared in the 10 aircraft transects. Actinobacteria, Bacillota, Proteobacteria, and Bacteroidetes phyla dominated the bacteria composition and, for fungi, Ascomycota prevailed over Basidiomycota. Among the pathogenic species identified, human pathogens include bacteria such as Escherichia coli, Serratia marcescens, Prevotella melaninogenica, Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus haemolyticus, Staphylococcus saprophyticus, Cutibacterium acnes, Clostridium difficile, Clostridium botulinum, Stenotrophomonas maltophilia, Shigella sonnei, Haemophillus parainfluenzae and Acinetobacter baumannii and health-relevant fungi such as Malassezia restricta , Malassezia globosa , Candida parapsilosis and Candida zeylanoides, Sarocladium kiliense, Cladosporium halotolerans, and Cladosporium herbarum . Diversity estimates were similar at heights and surface when entrainment of air from high altitudes occurred. Natural antimicrobial-resistant bacteria (ARB) cultured from air samples were found indicating long-distance spread of ARB and microbial viability. This would represent a novel way to disperse both viable human pathogens and resistance genes among distant geographical regions.

While the air microbiome and its diversity are known to be essential for human health and ecosystem resilience, the current lack of holistic air microbial diversity monitoring means that little is known about the air microbiome's composition, distribution, or functional effects. We here show that nanopore shotgun sequencing can robustly assess the air microbiome in combination with active air sampling through liquid impingement and tailored computational analysis. We provide laboratory and computational protocols for air microbiome profiling, and reliably assess the taxonomic composition of the core air microbiome in controlled and natural environments. Based on de novo assemblies from the long sequencing reads, we further identify the taxa of several air microbiota down to the species level and annotate their ecosystem functions, including their potential role in natural biodegradation processes. As air monitoring by nanopore sequencing can be employed in an automatable, fast, and portable manner for in situ applications all around the world, we envision that this approach can help holistically explore the role of the air microbiome.

Abstract While the air microbiome and its diversity are essential for human health and ecosystem resilience, comprehensive air microbial diversity monitoring has remained rare, so that little is known about the air microbiome’s composition, distribution, or functionality. Here we show that nanopore sequencing-based metagenomics can robustly assess the air microbiome in combination with active air sampling through liquid impingement and tailored computational analysis. We provide fast and portable laboratory and computational approaches for air microbiome profiling, which we leverage to robustly assess the taxonomic composition of the core air microbiome of a controlled greenhouse environment and of a natural outdoor environment. We show that long-read sequencing can resolve species-level annotations and specific ecosystem functions through de novo metagenomic assemblies despite the low amount of fragmented DNA used as an input for nanopore sequencing. We then apply our pipeline to assess the diversity and variability of an urban air microbiome, using Barcelona, Spain, as an example; this randomized experiment gives first insights into the presence of highly stable location-specific air microbiomes within the city’s boundaries, and showcases the robust microbial assessments that can be achieved through automatable, fast, and portable nanopore sequencing technology.