Microplastics in rivieren verspreiden antibiotica-resistente microben

In een recent onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Water, onderzochten wetenschappers de verspreiding van virussen, gastheerinteracties en de overdracht van antibioticaresistentiegenen (ARG's) op microplastics met behulp van metagenomische en viome-sequencing.

Aanhoudende microplasticverontreiniging is een bepalend kenmerk van het Antropoceen en brengt risico's voor het milieu en de volksgezondheid met zich mee door giftige uitspoeling en directe penetratie in biologische weefsels. Microplastics creëren unieke niches voor microbiële kolonisatie en biofilmgroei, en vormen zo een "plastisfeer" met diverse microbiële gemeenschappen. Deze oppervlakken kunnen selectief pathogenen verrijken, wat mogelijk de overdracht van ziekten beïnvloedt. Ondanks hun alomtegenwoordigheid zijn virussen grotendeels genegeerd in studies naar plastisfeer, hoewel recent bewijs suggereert dat ze op microplastics blijven bestaan en interageren met bacteriële gastheren. Meer onderzoek is nodig om de ecologische impact van virale gemeenschappen en ARG-overdracht op microplastics volledig te begrijpen, evenals de gevolgen ervan voor het milieu en de menselijke gezondheid.

In maart 2021 werd een onderzoek uitgevoerd naar twee soorten microplastics, polyethyleen (PE) en polypropyleen (PP), in de Beilong-rivier in de provincie Guangxi, China. Vijf locaties langs de rivier werden geselecteerd op basis van de verstedelijkingsgraad en fysisch-chemische eigenschappen, variërend van landelijk tot stedelijk. Op elke locatie werden 2,0 g microplastics (PE en PP) en natuurlijke deeltjes (steen, hout, zand) gekweekt in rivierwater. De microplastics werden gedesinfecteerd met 70% ethanol en gewassen met steriel water, terwijl de natuurlijke deeltjes werden gesteriliseerd om de oorspronkelijke bacteriële en virale gemeenschappen te verwijderen. De incubatieduur was gebaseerd op eerdere studies die succesvolle biofilmvorming op plastics binnen 30 dagen aantoonden.

Na incubatie werden microplastics, natuurlijke deeltjes en watermonsters verzameld en bij -20 °C opgeslagen voor analyse. Grote deeltjes en herbivoren werden eruit gefilterd en metaalconcentraties werden bepaald met behulp van inductief gekoppelde plasma-optische emissiespectrometrie. Aanvullende fysisch-chemische eigenschappen en verstedelijkingsniveaus werden gemeten.

DNA werd geëxtraheerd met de FastDNA Spin kit en gesequenced op het HiSeq X-platform. Hoogwaardige reads werden verwerkt om open leeskaders te voorspellen en redundante genen te verwijderen. Bacteriële genomen werden geassembleerd en geannoteerd met behulp van verschillende bioinformaticatools. Viraal DNA werd geëxtraheerd, verrijkt en gesequenced om virale contingenten en potentiële virale clusters op microplastics te identificeren.

Met behulp van metagenomische sequencing werden in totaal 28.732 bacteriesoorten geïdentificeerd in microplasticmonsters uit het stroomgebied van de Beilong. De dominante phyla waren Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria en Chloroflexi, goed voor 52,6% van de bacteriegemeenschap. Soortenrijkdom en gelijkmatigheid vertoonden geen significante verschillen per locatie of type microplastic. De kernbacteriegemeenschap, bestaande uit 25.883 soorten, vertegenwoordigde 78,4% van het totale aantal gedetecteerde soorten, met 12.284 soorten die gemeenschappelijk waren voor alle monsters, behalve één PE-monster. De meeste soorten (28.599) kwamen voor in PE- en PP-microplastics, met respectievelijk 49 en 84 soorten die uniek waren voor PE en PP.

Ongeveer 0,32% van de bacteriesoorten was potentiële ziekteverwekker, met 91 soorten die werden aangetroffen in 11 phyla. De dominante ziekteverwekkers waren Burkholderia cepacia (13,29%), Klebsiella pneumoniae (10,21%) en Pseudomonas aeruginosa (7,59%). Er werd een significant afstand-dageffect gevonden in de gelijkenis van microbiële gemeenschappen tussen locaties (R2 = 0,842, p < 0,001). NMDS-analyse toonde verschillen in de structuur van de bacteriële gemeenschap tussen PE- en PP-microplastics.

Van de virale gemeenschappen werden 226.853 tellingen verkregen, meestal kleiner dan 1.000 kb. Myoviridae en Siphoviridae domineerden en waren goed voor 58,8% van de virale abundantie. De virale rijkdom en gelijkmatigheid verschilden niet significant tussen de verschillende microplastics. De virale tellingen werden ingedeeld in 501 geslachten, waarvan er 364 gemeenschappelijk waren voor PE en PP. Er werd een significant afstand-dageffect gevonden in virale gemeenschappen tussen locaties. NMDS-analyse toonde verschillen in virale gemeenschappen aan tussen PE- en PP-microplastics.

Een annotatie van de functionele genen van bacteriële en virale sequenties op microplastics werd uitgevoerd met behulp van verschillende databases. De meeste virale genen waren niet geclassificeerd of slecht gekarakteriseerd; sommige waren gerelateerd aan genetische informatieverwerking en cellulaire processen. Bacteriële functionele genen waren ook niet geclassificeerd; sommige waren gerelateerd aan metabole processen en biosynthese. Metaalresistentiegenen (MRG's) en ARG's werden gevonden in virale en bacteriële sequenties; de meest voorkomende waren resistentie tegen Cu, Zn, As en Fe.

Bacteriële ARG's codeerden voornamelijk voor resistentie tegen meerdere geneesmiddelen, macroliden, lincosamiden en streptograminen (MLS) en tetracycline, terwijl virale ARG's resistentiegenen bevatten tegen trimethoprim, tetracycline en MLS. Horizontale overdracht van ARG's en MRG's werd waargenomen tussen virussen en hun bacteriële gastheren, wat wijst op mogelijke genetische uitwisseling die microplastics bevordert.

De studie vond verschillen in bacteriële en virale gemeenschappen die microplastics koloniseren vergeleken met natuurlijke deeltjes in de Beilun-rivier. Hoewel de diversiteit op alle locaties vergelijkbaar bleef, beïnvloedde het type microplastic de samenstelling van de gemeenschap. Belangrijk is dat de onderzoekers potentiële pathogenen en ARG's identificeerden die geassocieerd worden met bacteriën en virussen op microplastics. Ze vonden bewijs voor horizontale genoverdracht tussen virussen en bacteriën, wat suggereert dat microplastics mogelijk bijdragen aan de verspreiding van antimicrobiële resistentie in aquatische omgevingen. Deze bevindingen benadrukken de potentiële risico's voor het milieu en de volksgezondheid die gepaard gaan met microplasticvervuiling.