Mikroplastid jõgedes levitavad antibiootikumidele resistentseid mikroobe

Hiljutises ajakirjas Nature Water avaldatud uuringus uurisid teadlased metagenoomilise ja vioomi sekveneerimise abil viiruste levikut, peremeesorganismide vastastikmõjusid ja antibiootikumiresistentsuse geenide (ARG) ülekandumist mikroplastidele.

Püsiv mikroplastist saastumine on antropotseeni ajastu määrav tunnus, mis kujutab endast keskkonna- ja rahvaterviseohtu toksiliste ainete leostumise ja otsese bioloogilistesse kudedesse tungimise kaudu. Mikroplastid loovad ainulaadseid nišše mikroobide koloniseerimiseks ja biokile kasvuks, moodustades mitmekesistest mikroobikooslustest koosneva „plastisfääri“. Need pinnad võivad selektiivselt rikastada patogeene, mis võib potentsiaalselt mõjutada haiguste levikut. Vaatamata oma kõikjalolevusele on viiruseid plastisfääri uuringutes suures osas ignoreeritud, kuigi hiljutised tõendid näitavad, et need püsivad mikroplastil ja suhtlevad bakteriaalsete peremeesorganismidega. Viiruskoosluste ja ARG ülekande ökoloogilise mõju mikroplastile, samuti nende mõju keskkonnale ja inimeste tervisele täielikuks mõistmiseks on vaja rohkem uuringuid.

2021. aasta märtsis viidi Hiinas Guangxi provintsis Beilongi jões läbi uuring kahe mikroplastitüübi, polüetüleeni (PE) ja polüpropüleeni (PP) kohta. Jõe ääres valiti välja viis kohta, mis ulatuvad maapiirkondadest linnapiirkondadeni, lähtudes linnastumise tasemest ja füüsikalis-keemilistest omadustest. Igas kohas kultiveeriti jõevees 2,0 g mikroplasti (PE ja PP) ja looduslikke osakesi (kivi, puit, liiv). Mikroplastid desinfitseeriti 70% etanooliga ja pesti steriilse veega, samal ajal kui looduslikud osakesed steriliseeriti, et hävitada algsed bakteriaalsed ja viiruslikud kooslused. Inkubatsiooniaeg põhines varasematel uuringutel, mis näitasid edukat biokile moodustumist plastidele 30 päeva jooksul.

Pärast inkubeerimist koguti mikroplastik, looduslikud osakesed ja veeproovid ning säilitati analüüsimiseks temperatuuril -20 °C. Suured osakesed ja taimtoidulised filtreeriti välja ning metallide kontsentratsioonid määrati induktiivselt sidestatud plasma optilise emissioonspektromeetria abil. Mõõdeti ka täiendavaid füüsikalis-keemilisi omadusi ja linnastumistasemeid.

DNA ekstraheeriti FastDNA Spin komplekti abil ja sekveneeriti HiSeq X platvormil. Kvaliteetseid lugemistulemusi töödeldi avatud lugemisraamide ennustamiseks ja üleliigsete geenide eemaldamiseks. Bakterite genoomid pandi kokku ja annoteeriti erinevate bioinformaatika tööriistade abil. Viiruse DNA ekstraheeriti, rikastati ja sekveneeriti, et tuvastada viiruskontingentsid ja potentsiaalsed viirusklastrid mikroplastikul.

Metagenoomse sekveneerimise abil identifitseeriti Beilongi jõe vesikonna mikroplastiproovides kokku 28 732 bakteriliiki. Domineerivad hõimkonnad olid proteobakterid, atsidobakterid, aktinobakterid ja klorofleksi, mis moodustasid 52,6% bakterikommuunist. Liigirikkus ja ühtlus ei näidanud olulisi erinevusi asukoha või mikroplastitüübi lõikes. Põhibakterikommuun, mis koosnes 25 883 liigist, moodustas 78,4% kõigist tuvastatud liikidest, kusjuures 12 284 liiki olid ühised kõigis proovides peale ühe PE-proovi. Enamik liike (28 599) olid ühised PE- ja PP-mikroplastile, kusjuures 49 ja 84 liiki olid vastavalt PE-le ja PP-le ainuomased.

Ligikaudu 0,32% bakteriliikidest olid potentsiaalsed patogeenid, kusjuures 11 hõimkonnas tuvastati 91 liiki. Domineerivad patogeenid olid Burkholderia cepacia (13,29%), Klebsiella pneumoniae (10,21%) ja Pseudomonas aeruginosa (7,59%). Märkimisväärne päevade vahemaa efekt leiti mikroobikoosluste sarnasuses eri paikade vahel (R2 = 0,842, P < 0,001). NMDS-analüüs näitas erinevusi bakterikoosluste struktuuris PE ja PP mikroplastide vahel.

Viiruste koosluste puhul saadi 226 853 loendust, enamasti alla 1000 kb. Domineerisid Myoviridae ja Siphoviridae, moodustades 58,8% viiruste arvukusest. Viiruste rikkus ja ühtlus ei erinenud mikroplasti tüüpide vahel oluliselt. Viiruste arv liigitati 501 perekonda, millest 364 olid PE-l ja PP-l ühised. Erinevate paikade viiruskooslustes leiti oluline päevade vahemaa efekt. NMDS-analüüs näitas viiruskoosluste erinevusi PE- ja PP-mikroplasti vahel.

Bakteriaalsete ja viiruslike mikroplastide järjestuste funktsionaalsete geenide annotatsioon viidi läbi erinevate andmebaaside abil. Enamik viirusgeene olid klassifitseerimata või halvasti iseloomustatud, mõned neist olid seotud geneetilise informatsiooni töötlemise ja rakuliste protsessidega. Bakteriaalsed funktsionaalsed geenid olid samuti klassifitseerimata, mõned neist olid seotud ainevahetusradade ja biosünteesiga. Metalliresistentsuse geene (MRG) ja ARG-sid leiti viirus- ja bakteriaalsetest järjestustest, kõige levinumad olid resistentsus Cu, Zn, As ja Fe suhtes.

Bakteriaalsed ARG-d kodeerisid peamiselt resistentsust mitmete ravimite, makroliidide, linkosamiidide ja streptogramiinide (MLS) ning tetratsükliini suhtes, samas kui viiruslikud ARG-d sisaldasid resistentsusgeene trimetoprimi, tetratsükliini ja MLS-i suhtes. Viiruste ja nende bakteriaalsete peremeesorganismide vahel täheldati ARG-de ja MRG-de horisontaalset ülekannet, mis viitab potentsiaalsele geneetilisele vahetusele, mis soodustab mikroplasti.

Uuringus leiti erinevusi Beiluni jões mikroplasti koloniseerivate bakterite ja viiruste kooslustes võrreldes looduslike osakestega. Kuigi mitmekesisus püsis eri leiukohtades sarnane, mõjutas mikroplasti tüüp koosluse koosseisu. Oluline on see, et teadlased tuvastasid mikroplastil potentsiaalseid patogeene ja ARG-sid, mis on seotud bakterite ja viirustega. Nad täheldasid horisontaalse geeniülekande märke viiruste ja bakterite vahel, mis viitab sellele, et mikroplastik võib aidata kaasa antimikroobse resistentsuse levikule veekeskkonnas. Need leiud rõhutavad mikroplastireostusega seotud võimalikke keskkonna- ja rahvatervise riske.