Mikroplastmasa upēs izplata pret antibiotikām rezistentus mikrobus

Nesenā pētījumā, kas publicēts žurnālā Nature Water, zinātnieki, izmantojot metagenomikas un viomu sekvencēšanu, pētīja vīrusu izplatību, saimnieku mijiedarbību un antibiotiku rezistences gēnu (ARG) pārnesi uz mikroplastmasu.

Pastāvīgs mikroplastmasas piesārņojums ir antropocēna raksturīga iezīme, kas rada vides un sabiedrības veselības riskus, pateicoties toksisku vielu izskalošanai un tiešai iekļūšanai bioloģiskajos audos. Mikroplastmasa rada unikālas nišas mikrobu kolonizācijai un bioplēves augšanai, veidojot "plastisfēru", kas sastāv no dažādām mikrobu kopienām. Šīs virsmas var selektīvi bagātināt patogēnus, potenciāli ietekmējot slimību pārnešanu. Neskatoties uz to visuresamību, vīrusi plastisfēras pētījumos lielākoties ir ignorēti, lai gan jaunākie pierādījumi liecina, ka tie saglabājas uz mikroplastmasas un mijiedarbojas ar baktēriju saimniekiem. Ir nepieciešami vairāk pētījumu, lai pilnībā izprastu vīrusu kopienu un ARG pārnešanas ekoloģisko ietekmi uz mikroplastmasu, kā arī to ietekmi uz vidi un cilvēku veselību.

2021. gada martā Beilongas upē Guangsi provincē, Ķīnā, tika veikts pētījums par divu veidu mikroplastmasu — polietilēnu (PE) un polipropilēnu (PP). Pamatojoties uz urbanizācijas līmeni un fizikāli ķīmiskajām īpašībām, tika izvēlētas piecas vietas gar upi, sākot no lauku līdz pilsētu reģioniem. Katrā vietā upes ūdenī tika kultivēti 2,0 g mikroplastmasas (PE un PP) un dabīgas daļiņas (akmens, koks, smiltis). Mikroplastmasa tika dezinficēta ar 70 % etanolu un mazgāta ar sterilu ūdeni, savukārt dabīgās daļiņas tika sterilizētas, lai iznīcinātu sākotnējās baktēriju un vīrusu kopienas. Inkubācijas ilgums tika noteikts, pamatojoties uz iepriekšējiem pētījumiem, kas parādīja veiksmīgu bioplēves veidošanos uz plastmasas 30 dienu laikā.

Pēc inkubācijas mikroplastmasa, dabiskās daļiņas un ūdens paraugi tika savākti un uzglabāti -20°C temperatūrā analīzei. Lielas daļiņas un zālēdāji tika filtrēti, un metālu koncentrācijas tika noteiktas, izmantojot induktīvi saistītu plazmas optisko emisijas spektrometriju. Tika mērītas papildu fizikāli ķīmiskās īpašības un urbanizācijas līmenis.

DNS tika ekstrahēta, izmantojot FastDNA Spin komplektu, un sekvencēta HiSeq X platformā. Augstas kvalitātes nolasījumi tika apstrādāti, lai paredzētu atvērtos lasīšanas rāmjus un noņemtu liekos gēnus. Baktēriju genomi tika salikti un anotēti, izmantojot dažādus bioinformātikas rīkus. Vīrusu DNS tika ekstrahēta, bagātināta un sekvencēta, lai identificētu vīrusu kontingentus un potenciālos vīrusu klasterus uz mikroplastmasas.

Izmantojot metagenomisko sekvencēšanu, Beilongas upes baseina mikroplastmasas paraugos tika identificētas kopumā 28 732 baktēriju sugas. Dominējošās filas bija proteobaktērijas, acidobaktērijas, aktinobaktērijas un hlorofleksi, kas veidoja 52,6 % no baktēriju kopienas. Sugu daudzveidība un vienmērīgums neuzrādīja būtiskas atšķirības atkarībā no vietas vai mikroplastmasas veida. Galvenā baktēriju kopiena, kas sastāvēja no 25 883 sugām, veidoja 78,4 % no kopējām konstatētajām sugām, un 12 284 sugas bija kopīgas visiem paraugiem, izņemot vienu PE paraugu. Lielākā daļa sugu (28 599) bija kopīgas PE un PP mikroplastmasai, un 49 un 84 sugas bija unikālas attiecīgi PE un PP.

Aptuveni 0,32% baktēriju sugu bija potenciāli patogēni, un 11 filās tika konstatēta 91 suga. Dominējošie patogēni bija Burkholderia cepacia (13,29%), Klebsiella pneumoniae (10,21%) un Pseudomonas aeruginosa (7,59%). Ievērojams dienas attāluma efekts tika konstatēts mikrobu kopienu līdzībā starp vietām (R2 = 0,842, P < 0,001). NMDS analīze uzrādīja atšķirības baktēriju kopienu struktūrā starp PE un PP mikroplastmasu.

Vīrusu kopienām tika iegūti 226 853 skaitījumi, lielākoties mazāki par 1000 kb. Dominēja Myoviridae un Siphoviridae ģints, veidojot 58,8 % no vīrusu daudzuma. Vīrusu daudzveidība un vienmērīgums starp mikroplastmasas veidiem būtiski neatšķīrās. Vīrusu skaits tika klasificēts 501 ģintī, no kurām 364 bija kopīgas PE un PP. Starp vietām tika konstatēts ievērojams attāluma-dienas efekts vīrusu kopienās. NMDS analīze uzrādīja atšķirības vīrusu kopienās starp PE un PP mikroplastmasu.

Izmantojot dažādas datubāzes, tika veikta baktēriju un vīrusu sekvenču funkcionālo gēnu anotācija uz mikroplastmasas. Lielākā daļa vīrusu gēnu nebija klasificēti vai vāji raksturoti, daži no tiem bija saistīti ar ģenētiskās informācijas apstrādi un šūnu procesiem. Arī baktēriju funkcionālie gēni nebija klasificēti, daži no tiem bija saistīti ar vielmaiņas ceļiem un biosintēzi. Metālu rezistences gēni (MRG) un ARG tika atrasti vīrusu un baktēriju sekvencēs, visbiežāk bija rezistence pret Cu, Zn, As un Fe.

Baktēriju ARG galvenokārt kodēja rezistenci pret vairākām zālēm, makrolīdiem, linkozamīdiem un streptogramīniem (MLS), kā arī tetraciklīnu, savukārt vīrusu ARG ietvēra rezistences gēnus pret trimetoprimu, tetraciklīnu un MLS. Tika novērota horizontāla ARG un MRG pārnešana starp vīrusiem un to baktēriju saimniekiem, kas norāda uz iespējamu gēnu apmaiņu, kas veicina mikroplastmasu.

Pētījumā tika atklātas atšķirības baktēriju un vīrusu kopienās, kas kolonizē mikroplastmasu, salīdzinot ar dabiskajām daļiņām Beiluņas upē. Lai gan daudzveidība dažādās vietās saglabājās līdzīga, mikroplastmasas veids ietekmēja kopienu sastāvu. Svarīgi ir tas, ka pētnieki identificēja potenciālus patogēnus un ARG, kas saistīti ar baktērijām un vīrusiem uz mikroplastmasas. Viņi novēroja horizontālas gēnu pārneses pierādījumus starp vīrusiem un baktērijām, kas liecina, ka mikroplastmasa var veicināt pretmikrobu rezistences izplatīšanos ūdens vidē. Šie atklājumi izceļ potenciālos vides un sabiedrības veselības riskus, kas saistīti ar mikroplastmasas piesārņojumu.