Mikroplaster i floder sprider antibiotikaresistenta mikrober

I en nyligen publicerad studie i tidskriften Nature Water undersökte forskare virusdistribution, värdinteraktioner och överföring av antibiotikaresistensgener (ARG) på mikroplaster med hjälp av metagenomisk och viomsekvensering.

Ihållande mikroplastkontaminering är ett utmärkande drag för antropocen och utgör miljö- och folkhälsorisker genom giftig urlakning och direkt penetration in i biologiska vävnader. Mikroplaster skapar unika nischer för mikrobiell kolonisering och biofilmtillväxt, och bildar en "plastisfär" som består av olika mikrobiella samhällen. Dessa ytor kan selektivt berika patogener, vilket potentiellt påverkar sjukdomsöverföring. Trots sin allestädesnärvaro har virus i stort sett ignorerats i plastisfärstudier, även om nya bevis tyder på att de finns kvar på mikroplaster och interagerar med bakterievärdar. Mer forskning behövs för att fullt ut förstå de ekologiska effekterna av virussamhällen och ARG-överföring på mikroplaster, samt deras konsekvenser för miljön och människors hälsa.

I mars 2021 genomfördes en studie på två typer av mikroplaster, polyeten (PE) och polypropen (PP), i Beilongfloden i Guangxi-provinsen, Kina. Fem platser längs floden valdes ut baserat på urbaniseringsnivå och fysikalisk-kemiska egenskaper, från landsbygd till urbana regioner. På varje plats odlades 2,0 g mikroplaster (PE och PP) och naturliga partiklar (sten, trä, sand) i flodvatten. Mikroplaster desinficerades med 70 % etanol och tvättades med sterilt vatten, medan naturliga partiklar steriliserades för att eliminera ursprungliga bakterie- och virussamhällen. Inkubationstiden baserades på tidigare studier som visat framgångsrik biofilmbildning på plast inom 30 dagar.

Efter inkubation samlades mikroplaster, naturliga partiklar och vattenprover in och förvarades vid -20 °C för analys. Stora partiklar och växtätare filtrerades bort och metallkoncentrationerna bestämdes med hjälp av induktivt kopplad plasmaoptisk emissionsspektrometri. Ytterligare fysikalisk-kemiska egenskaper och urbaniseringsnivåer mättes.

DNA extraherades med hjälp av FastDNA Spin-kitet och sekvenserades på HiSeq X-plattformen. Högkvalitativa avläsningar bearbetades för att förutsäga öppna läsramar och ta bort redundanta gener. Bakteriegenom sattes samman och annoterades med hjälp av olika bioinformatiska verktyg. Viralt DNA extraherades, anrikades och sekvenserades för att identifiera virala kontingenter och potentiella virala kluster på mikroplaster.

Med hjälp av metagenomisk sekvensering identifierades totalt 28 732 bakteriearter i mikroplastprover från Beilongflodens avrinningsområde. De dominerande fylarna var Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria och Chloroflexi, vilka stod för 52,6 % av bakteriesamhället. Artrikedom och jämnhet uppvisade inga signifikanta skillnader beroende på plats eller mikroplasttyp. Kärnbakteriesamhället, bestående av 25 883 arter, stod för 78,4 % av de totala detekterade arterna, med 12 284 arter gemensamma för alla prover utom ett PE-prov. Majoriteten av arterna (28 599) var gemensamma för PE- och PP-mikroplaster, med 49 respektive 84 arter unika för PE respektive PP.

Ungefär 0,32 % av bakteriearterna var potentiella patogener, med 91 arter detekterade i 11 fyla. De dominerande patogenerna var Burkholderia cepacia (13,29 %), Klebsiella pneumoniae (10,21 %) och Pseudomonas aeruginosa (7,59 %). En signifikant avstånd-dag-effekt hittades i likheten mellan mikrobiella samhällen mellan platserna (R2 = 0,842, P < 0,001). NMDS-analys visade skillnader i bakteriesamhällenas struktur mellan PE- och PP-mikroplaster.

För virussamhällen erhölls 226 853 antal, mestadels mindre än 1 000 kb. Myoviridae och Siphoviridae dominerade och stod för 58,8 % av virusets förekomst. Virusrikedom och jämnhet skilde sig inte signifikant mellan mikroplasttyperna. Virusantal klassificerades i 501 släkten, varav 364 var gemensamma för PE och PP. En signifikant avstånd-dag-effekt hittades i virussamhällen mellan platserna. NMDS-analys visade skillnader i virussamhällen mellan PE- och PP-mikroplaster.

En annotering av de funktionella generna för bakteriella och virala sekvenser på mikroplaster utfördes med hjälp av olika databaser. De flesta virusgenerna var oklassificerade eller dåligt karakteriserade, några av dem var relaterade till genetisk informationsbehandling och cellulära processer. Bakteriella funktionella gener var också oklassificerade, några av dem var relaterade till metaboliska vägar och biosyntes. Metallresistensgener (MRG) och ARG hittades i virus- och bakteriesekvenser, de vanligaste var resistens mot Cu, Zn, As och Fe.

Bakteriella ARG:er kodade primärt för resistens mot flera läkemedel, makrolider, linkosamider och streptograminer (MLS) och tetracyklin, medan virala ARG:er inkluderade resistensgener mot trimetoprim, tetracyklin och MLS. Horisontell överföring av ARG:er och MRG:er observerades mellan virus och deras bakterievärdar, vilket indikerar potentiell genetisk utbytesfrämjande mikroplaster.

Studien fann skillnader i bakterie- och virussamhällen som koloniserade mikroplaster jämfört med naturliga partiklar i Beilunfloden. Även om mångfalden förblev likartad mellan olika platser, påverkade typen av mikroplast samhällenas sammansättning. Viktigt är att forskarna identifierade potentiella patogener och ARG:er associerade med bakterier och virus på mikroplaster. De observerade bevis på horisontell genöverföring mellan virus och bakterier, vilket tyder på att mikroplaster kan bidra till spridningen av antimikrobiell resistens i vattenmiljöer. Dessa resultat belyser de potentiella miljö- och folkhälsorisker som är förknippade med mikroplastföroreningar.