Mikroplast i elver sprer antibiotikaresistente mikrober

I en fersk studie publisert i tidsskriftet Nature Water undersøkte forskere virusdistribusjon, vertsinteraksjoner og overføring av antibiotikaresistensgener (ARG-er) på mikroplast ved hjelp av metagenomisk og viomsekvensering.

Vedvarende mikroplastforurensning er et definerende trekk ved antropocen, og utgjør miljø- og folkehelserisikoer gjennom giftig utvasking og direkte penetrering inn i biologisk vev. Mikroplast skaper unike nisjer for mikrobiell kolonisering og biofilmvekst, og danner en "plastisfære" som består av ulike mikrobielle samfunn. Disse overflatene kan selektivt berike patogener, noe som potensielt påvirker sykdomsoverføring. Til tross for sin allestedsnærværende tilstedeværelse har virus i stor grad blitt ignorert i plastisfærestudier, selv om nyere bevis tyder på at de vedvarer på mikroplast og samhandler med bakterielle verter. Mer forskning er nødvendig for å fullt ut forstå de økologiske konsekvensene av virussamfunn og ARG-overføring på mikroplast, samt deres implikasjoner for miljøet og menneskers helse.

I mars 2021 ble det gjennomført en studie på to typer mikroplast, polyetylen (PE) og polypropylen (PP), i Beilong-elven i Guangxi-provinsen i Kina. Fem steder langs elven ble valgt ut basert på urbaniseringsnivå og fysisk-kjemiske egenskaper, fra landlige til urbane regioner. På hvert sted ble 2,0 g mikroplast (PE og PP) og naturlige partikler (stein, tre, sand) dyrket i elvevann. Mikroplast ble desinfisert med 70 % etanol og vasket med sterilt vann, mens naturlige partikler ble sterilisert for å eliminere opprinnelige bakterie- og virussamfunn. Inkubasjonsvarigheten var basert på tidligere studier som viste vellykket biofilmdannelse på plast innen 30 dager.

Etter inkubasjon ble mikroplast, naturlige partikler og vannprøver samlet inn og lagret ved -20 °C for analyse. Store partikler og planteetere ble filtrert ut, og metallkonsentrasjoner ble bestemt ved hjelp av induktivt koblet plasmaoptisk emisjonsspektrometri. Ytterligere fysisk-kjemiske egenskaper og urbaniseringsnivåer ble målt.

DNA ble ekstrahert ved hjelp av FastDNA Spin-settet og sekvensert på HiSeq X-plattformen. Høykvalitetsavlesninger ble behandlet for å forutsi åpne leserammer og fjerne overflødige gener. Bakteriegenomer ble satt sammen og annotert ved hjelp av ulike bioinformatiske verktøy. Viralt DNA ble ekstrahert, beriket og sekvensert for å identifisere virale kontingenter og potensielle virale klynger på mikroplast.

Ved hjelp av metagenomisk sekvensering ble totalt 28 732 bakteriearter identifisert i mikroplastprøver fra Beilong-elvebassenget. De dominerende rekkene var Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria og Chloroflexi, som utgjorde 52,6 % av bakteriesamfunnet. Artsrikdom og jevnhet viste ingen signifikante forskjeller etter sted eller mikroplasttype. Kjernebakteriesamfunnet, bestående av 25 883 arter, utgjorde 78,4 % av de totale artene som ble oppdaget, med 12 284 arter felles for alle prøvene unntatt én PE-prøve. Majoriteten av artene (28 599) var felles for PE- og PP-mikroplast, med 49 og 84 arter unike for henholdsvis PE og PP.

Omtrent 0,32 % av bakterieartene var potensielle patogener, med 91 arter påvist i 11 rekker. De dominerende patogenene var Burkholderia cepacia (13,29 %), Klebsiella pneumoniae (10,21 %) og Pseudomonas aeruginosa (7,59 %). En signifikant avstand-dag-effekt ble funnet i likheten mellom mikrobielle samfunn mellom stedene (R2 = 0,842, P < 0,001). NMDS-analyse viste forskjeller i bakteriesamfunnsstrukturen mellom PE- og PP-mikroplast.

For virussamfunn ble det oppnådd 226 853 tellinger, de fleste under 1000 kb. Myoviridae og Siphoviridae dominerte og sto for 58,8 % av virusforekomsten. Virusrikdom og jevnhet skilte seg ikke signifikant mellom mikroplasttypene. Virustellingene ble klassifisert i 501 slekter, hvorav 364 var felles for PE og PP. En signifikant avstand-dag-effekt ble funnet i virussamfunn mellom stedene. NMDS-analyse viste forskjeller i virussamfunn mellom PE- og PP-mikroplast.

En annotering av de funksjonelle genene til bakterielle og virale sekvenser på mikroplast ble utført ved hjelp av ulike databaser. De fleste virusgenene var uklassifiserte eller dårlig karakteriserte, noen av dem var relatert til genetisk informasjonsbehandling og cellulære prosesser. Bakteriefunksjonelle gener var også uklassifiserte, noen av dem var relatert til metabolske veier og biosyntese. Metallresistensgener (MRG-er) og ARG-er ble funnet i virus- og bakteriesekvenser, de vanligste var resistens mot Cu, Zn, As og Fe.

Bakterielle ARG-er kodet primært for resistens mot flere legemidler, makrolider, linkosamider og streptograminer (MLS), og tetracyklin, mens virale ARG-er inkluderte resistensgener mot trimetoprim, tetracyklin og MLS. Horisontal overføring av ARG-er og MRG-er ble observert mellom virus og deres bakterieverter, noe som indikerer potensiell genetisk utvekslingsfremmende mikroplast.

Studien fant forskjeller i bakterie- og virussamfunn som koloniserte mikroplast sammenlignet med naturlige partikler i Beilun-elven. Selv om mangfoldet forble likt på tvers av stedene, påvirket typen mikroplast samfunnssammensetningen. Det er viktig å merke seg at forskerne identifiserte potensielle patogener og ARG-er assosiert med bakterier og virus på mikroplast. De observerte bevis på horisontal genoverføring mellom virus og bakterier, noe som tyder på at mikroplast kan bidra til spredning av antimikrobiell resistens i akvatiske miljøer. Disse funnene fremhever de potensielle miljø- og folkehelserisikoene forbundet med mikroplastforurensning.