Микропластик в реках распространяет антибиотикорезистентные микробы

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Water, ученые изучили распределение вирусов, взаимодействие хозяев и перенос генов устойчивости к антибиотикам (ARG) на микропластиках с использованием метагеномного и виомного секвенирования.

Постоянное загрязнение микропластиками является характерной чертой антропоцена, представляя экологические и здравоохранительные риски через токсичные выщелачивания и прямое проникновение в биологические ткани. Микропластики создают уникальные ниши для микробной колонизации и роста биопленок, формируя "пластисферу", включающую разнообразные микробные сообщества. Эти поверхности могут избирательно обогащать патогены, потенциально влияя на передачу заболеваний. Несмотря на их повсеместное распространение, вирусы в исследованиях пластисферы в основном игнорировались, хотя недавние данные показывают, что они сохраняются на микропластиках и взаимодействуют с бактериальными хозяевами. Необходимы дополнительные исследования для полного понимания экологического воздействия вирусных сообществ и передачи ARG на микропластиках, а также их последствий для окружающей среды и здоровья человека.

В марте 2021 года было проведено исследование двух типов микропластиков, полиэтилена (PE) и полипропилена (PP), в реке Бейлун в провинции Гуанси, Китай. Пять участков вдоль реки были выбраны на основе уровня урбанизации и физико-химических свойств, варьирующихся от сельских до городских регионов. На каждом участке 2.0 г микропластиков (PE и PP) и натуральных частиц (камень, дерево, песок) культивировались в речной воде. Микропластики дезинфицировали 70% этанолом и промывали стерильной водой, тогда как натуральные частицы стерилизовали для устранения оригинальных бактериальных и вирусных сообществ. Длительность инкубации основывалась на предыдущих исследованиях, показывающих успешное образование биопленки на пластиках в течение 30 дней.

После инкубации образцы микропластиков, натуральных частиц и воды были собраны и хранились при -20°C для анализа. Большие частицы и травоядные были отфильтрованы, а концентрации металлов определялись с помощью индуктивно связанной плазменной оптической эмиссионной спектрометрии. Были измерены дополнительные физико-химические свойства и уровни урбанизации.

ДНК была извлечена с использованием набора FastDNA Spin и секвенирована на платформе HiSeq X. Высококачественные риды были обработаны для предсказания открытых рамок считывания и удаления редундантных генов. Бактериальные геномы были собраны и аннотированы с использованием различных биоинформатических инструментов. Вирусная ДНК была извлечена, обогащена и секвенирована для идентификации вирусных контингов и потенциальных вирусных кластеров на микропластиках.

Используя метагеномное секвенирование, в образцах микропластиков из бассейна реки Бейлун было идентифицировано 28,732 бактериальных видов. Доминирующими типами были Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria и Chloroflexi, составляющие 52.6% бактериального сообщества. Богатство и равномерность видов не показали значительных различий по месту или типу микропластиков. Основное бактериальное сообщество, состоящее из 25,883 видов, составляло 78.4% от общего числа обнаруженных видов, с 12,284 видами, общими для всех образцов, кроме одного PE образца. Большинство видов (28,599) были общими для PE и PP микропластиков, с 49 и 84 видами, уникальными для PE и PP соответственно.

Примерно 0.32% бактериальных видов были потенциальными патогенами, с 91 видом, обнаруженным в 11 типах. Доминирующими патогенами были Burkholderia cepacia (13.29%), Klebsiella pneumoniae (10.21%) и Pseudomonas aeruginosa (7.59%). Был обнаружен значительный эффект расстояния-дня в сходстве микробных сообществ между участками (R2 = 0.842, P < 0.001). Анализ NMDS показал различия в структуре бактериальных сообществ между PE и PP микропластиками.

Для вирусных сообществ было получено 226,853 контингов, в основном менее 1,000 кб. Доминировали Myoviridae и Siphoviridae, составляя 58.8% вирусной обильности. Богатство и равномерность вирусов не отличались значимо между типами микропластиков. Вирусные континги были классифицированы на 501 род, из которых 364 были общими для PE и PP. Был обнаружен значительный эффект расстояния-дня в вирусных сообществах между участками. Анализ NMDS показал различия в вирусных сообществах между PE и PP микропластиками.

Аннотация функциональных генов бактериальных и вирусных последовательностей на микропластиках была выполнена с использованием различных баз данных. Большинство вирусных генов были неклассифицированы или плохо охарактеризованы, некоторые из них были связаны с обработкой генетической информации и клеточными процессами. Бактериальные функциональные гены также были неклассифицированы, некоторые из них были связаны с метаболическими путями и биосинтезом. Гены устойчивости к металлам (MRGs) и ARGs были обнаружены в вирусных и бактериальных последовательностях, наиболее распространенной была устойчивость к Cu, Zn, As и Fe.

Бактериальные ARGs в основном кодировали устойчивость к многим препаратам, макролидам, линкозамидам и стрептограминам (MLS), и тетрациклину, в то время как вирусные ARGs включали гены устойчивости к триметоприму, тетрациклину и MLS. Было наблюдено горизонтальное перенос ARGs и MRGs между вирусами и их бактериальными хозяевами, указывая на потенциальный генетический обмен, способствующий микропластиками.

В результате исследования выявлены различия в бактериальных и вирусных сообществах, колонизирующих микропластики по сравнению с натуральными частицами в реке Бейлун. Хотя разнообразие оставалось схожим на всех участках, тип микропластиков влиял на состав сообществ. Важно отметить, что исследователи выявили потенциальные патогены и ARGs, связанные с бактериями и вирусами на микропластиках. Они наблюдали доказательства горизонтального переноса генов между вирусами и бактериями, что предполагает, что микропластики могут способствовать распространению антимикробной устойчивости в водных средах. Эти результаты подчеркивают потенциальные экологические и здравоохранительные риски, связанные с загрязнением микропластиками.