Mikroplastiki w rzekach rozprzestrzeniają mikroby odporne na antybiotyki

W niedawnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nature Water naukowcy zbadali dystrybucję wirusów, interakcje żywicieli i transfer genów oporności na antybiotyki (ARG) na mikroplastiku, wykorzystując do tego celu sekwencjonowanie metagenomiczne i viomowe.

Trwałe zanieczyszczenie mikroplastikiem jest cechą charakterystyczną antropocenu, stwarzając zagrożenia dla środowiska i zdrowia publicznego poprzez toksyczne wypłukiwanie i bezpośrednią penetrację do tkanek biologicznych. Mikroplastiki tworzą unikalne nisze dla kolonizacji mikrobiologicznej i wzrostu biofilmu, tworząc „plastisferę” obejmującą różnorodne społeczności mikrobiologiczne. Powierzchnie te mogą selektywnie wzbogacać patogeny, potencjalnie wpływając na przenoszenie chorób. Pomimo ich wszechobecności wirusy były w dużej mierze ignorowane w badaniach nad plastisferami, chociaż ostatnie dowody sugerują, że utrzymują się na mikroplastikach i wchodzą w interakcje z gospodarzami bakteryjnymi. Potrzebne są dalsze badania, aby w pełni zrozumieć ekologiczne skutki społeczności wirusowych i transmisji ARG na mikroplastiki, a także ich implikacje dla środowiska i zdrowia ludzi.

W marcu 2021 r. przeprowadzono badanie dwóch rodzajów mikroplastiku, polietylenu (PE) i polipropylenu (PP), w rzece Beilong w prowincji Guangxi w Chinach. Pięć lokalizacji wzdłuż rzeki wybrano na podstawie poziomu urbanizacji i właściwości fizykochemicznych, od regionów wiejskich po miejskie. W każdej lokalizacji hodowano 2,0 g mikroplastiku (PE i PP) i cząstek naturalnych (kamień, drewno, piasek) w wodzie rzecznej. Mikroplastik dezynfekowano 70% etanolem i myto sterylną wodą, podczas gdy cząstki naturalne sterylizowano w celu wyeliminowania pierwotnych społeczności bakteryjnych i wirusowych. Czas inkubacji opierał się na wcześniejszych badaniach wykazujących pomyślne tworzenie się biofilmu na tworzywach sztucznych w ciągu 30 dni.

Po inkubacji zebrano mikroplastiki, naturalne cząstki i próbki wody i przechowywano je w temperaturze -20°C do analizy. Duże cząstki i roślinożercy odfiltrowano, a stężenia metali określono za pomocą spektrometrii emisyjnej z plazmą sprzężoną indukcyjnie. Zmierzono dodatkowe właściwości fizykochemiczne i poziomy urbanizacji.

DNA wyekstrahowano przy użyciu zestawu FastDNA Spin i zsekwencjonowano na platformie HiSeq X. Wysokiej jakości odczyty przetworzono w celu przewidywania otwartych ramek odczytu i usuwania nadmiarowych genów. Genomy bakterii złożono i opatrzono adnotacjami przy użyciu różnych narzędzi bioinformatycznych. DNA wirusowe wyekstrahowano, wzbogacono i zsekwencjonowano w celu zidentyfikowania kontyngentów wirusowych i potencjalnych skupisk wirusowych na mikroplastikach.

Za pomocą sekwencjonowania metagenomicznego zidentyfikowano łącznie 28 732 gatunki bakterii w próbkach mikroplastiku z dorzecza rzeki Beilong. Dominującymi typami były Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria i Chloroflexi, stanowiące 52,6% społeczności bakteryjnej. Bogactwo gatunków i ich równomierność nie wykazały istotnych różnic w zależności od miejsca lub rodzaju mikroplastiku. Główna społeczność bakteryjna, składająca się z 25 883 gatunków, stanowiła 78,4% wszystkich wykrytych gatunków, przy czym 12 284 gatunki były wspólne dla wszystkich próbek z wyjątkiem jednej próbki PE. Większość gatunków (28 599) była wspólna dla mikroplastiku PE i PP, przy czym 49 i 84 gatunki były unikalne odpowiednio dla PE i PP.

Około 0,32% gatunków bakterii stanowiły potencjalne patogeny, przy czym wykryto 91 gatunków w 11 typach. Dominującymi patogenami były Burkholderia cepacia (13,29%), Klebsiella pneumoniae (10,21%) i Pseudomonas aeruginosa (7,59%). Stwierdzono istotny wpływ odległości-dnia na podobieństwo społeczności mikrobiologicznych między miejscami (R2 = 0,842, P < 0,001). Analiza NMDS wykazała różnice w strukturze społeczności bakteryjnych między mikroplastikami PE i PP.

W przypadku społeczności wirusowych uzyskano 226 853 zliczeń, głównie poniżej 1000 kb. Dominowały Myoviridae i Siphoviridae, stanowiąc 58,8% liczebności wirusów. Bogactwo wirusów i ich równomierność nie różniły się znacząco między typami mikroplastiku. Liczebność wirusów sklasyfikowano w 501 rodzajach, z których 364 było wspólnych dla PE i PP. Stwierdzono istotny efekt odległości-dnia w społecznościach wirusowych między miejscami. Analiza NMDS wykazała różnice w społecznościach wirusowych między mikroplastikami PE i PP.

Adnotacja funkcjonalnych genów sekwencji bakteryjnych i wirusowych na mikroplastikach została przeprowadzona przy użyciu różnych baz danych. Większość genów wirusowych była niesklasyfikowana lub słabo scharakteryzowana, niektóre z nich były związane z przetwarzaniem informacji genetycznej i procesami komórkowymi. Funkcjonalne geny bakteryjne również nie były sklasyfikowane, niektóre z nich były związane ze szlakami metabolicznymi i biosyntezą. Geny oporności na metale (MRG) i ARG zostały znalezione w sekwencjach wirusowych i bakteryjnych, najczęściej były to geny oporności na Cu, Zn, As i Fe.

Bakteryjne ARG kodowały przede wszystkim oporność na wiele leków, makrolidy, linkozamidy i streptograminy (MLS) oraz tetracyklinę, podczas gdy wirusowe ARG obejmowały geny oporności na trimetoprim, tetracyklinę i MLS. Obserwowano poziomy transfer ARG i MRG między wirusami a ich bakteryjnymi gospodarzami, co wskazuje na potencjalną wymianę genetyczną promującą mikroplastiki.

Badanie wykazało różnice w społecznościach bakteryjnych i wirusowych kolonizujących mikroplastiki w porównaniu z naturalnymi cząsteczkami w rzece Beilun. Chociaż różnorodność pozostała podobna w różnych miejscach, rodzaj mikroplastiku miał wpływ na skład społeczności. Co ważne, naukowcy zidentyfikowali potencjalne patogeny i ARG związane z bakteriami i wirusami na mikroplastikach. Zaobserwowali dowody poziomego transferu genów między wirusami i bakteriami, co sugeruje, że mikroplastiki mogą przyczyniać się do rozprzestrzeniania się oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe w środowiskach wodnych. Odkrycia te podkreślają potencjalne zagrożenia dla środowiska i zdrowia publicznego związane z zanieczyszczeniem mikroplastikiem.