Τα μικροπλαστικά στο περιβάλλον βοηθούν στη διάδοση της αντοχής στα αντιβιοτικά και στην αλλαγή των μικροβιακών αλληλεπιδράσεων
Τα πλαστικά είναι υλικά χαμηλού κόστους, ανθεκτικά και ευέλικτα που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πολλών αντικειμένων που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή ζωή, π.χ. ψυχαγωγία, συσκευασία, υγιεινή, ακόμα και στα ρούχα που φοράμε. Ωστόσο, η καθολική και συχνή χρήση πλαστικών ειδών είναι ο λόγος για τον οποίο το μέγεθος της πρόσφατης πλαστικής ρύπανσης στο περιβάλλον έχει λάβει τεράστιες διαστάσεις.
Ωστόσο, εξακολουθεί να υπάρχει ένα κενό γνώσης σχετικά με τις πολλές συνέπειες, ειδικά μακροπρόθεσμα, από την εισαγωγή τέτοιων τεράστιων ποσοτήτων πλαστικών σε κάθε είδους μορφές (νανο- έως μακροπλαστικά) στο περιβάλλον. Συγκεκριμένα, οι αποκρίσεις και οι λειτουργικές συνέπειες των μικροβιακών κοινοτήτων που αποτελούν τις βάσεις των τροφικών ιστών του οικοσυστήματος είναι σε μεγάλο βαθμό άγνωστες μέχρι σήμερα.
Ένα σημαντικό κλάσμα του παραγόμενου πλαστικού καταλήγει σε υδάτινα συστήματα και συχνά διοχετεύεται από την ξηρά μέσω των γλυκών υδάτων στους ωκεανούς, όπου το πλαστικό θρυμματίζεται γρήγορα σε κομμάτια μικρότερα από μερικά χιλιοστά (μικροπλαστικά). Ομοίως, σε ορισμένες περιπτώσεις, τα πλαστικά κατασκευάζονται σε μικρά μεγέθη (για παράδειγμα οι χάντρες σε πολλά είδη προσωπικής φροντίδας). Αυτά τα «μικροπλαστικά» έχουν αναδειχθεί ως νέος ρύπος και ως μοναδική επιφάνεια για μικροβιακή προσκόλληση και ανάπτυξη σε υδάτινα συστήματα.
Πολλές πρόσφατες επιστημονικές δημοσιεύσεις τονίζουν ότι τα μικροπλαστικά βιοφίλμ - μικροβιακές κοινότητες που ζουν προσκολλημένα σε πλαστικά σωματίδια και ενσωματωμένα σε μια μήτρα πολυσακχαριτών, DNA και οργανικής ύλης - έχουν διαφορετική σύνθεση ή δομή από άλλα ενδιαιτήματα σε υδάτινα συστήματα. Επομένως, είναι σημαντικό να αξιολογηθεί εάν αυτό μεταφράζεται σε διαφορετικές λειτουργικές ικανότητες και μεταβολισμό επίσης. Αναλύσαμε την οριζόντια μεταφορά γονιδίων (HGT) μεταξύ των βακτηρίων σε μικροπλαστικά βιοφίλμ και το περιβάλλον νερό. Με αυτήν την εστίαση, σκοπεύαμε να εξετάσουμε εάν τα μικροπλαστικά θα μπορούσαν να προκαλέσουν αλλαγές στις οικολογικές αλληλεπιδράσεις των πλαγκτονικών μικροβιακών κοινοτήτων.
Για παράδειγμα, η προσαρμογή στις περιβαλλοντικές συνθήκες από το HGT - δηλαδή η απόκτηση γονιδίων χωρίς την ανάγκη σχέσης γονέα-απογόνου - έχει αναγνωριστεί από καιρό ως εξελικτικός οδηγός της ζωής στη Γη. Η αυξημένη ανεκτότητα των μικροπλαστικών κοινοτήτων να ανταλλάσσουν πλασμίδια (κυκλικά μόρια DNA) σε μια διαδικασία που ονομάζεται σύζευξη υποδεικνύει ότι αυτός ο τύπος ρύπανσης μπορεί να αλλάξει την εξέλιξη της μικροβιακής ζωής. Από τη μία πλευρά, τα πειράματα αποκαλύπτουν ότι αυτό είναι το αποτέλεσμα κατά την εισαγωγή μικροπλαστικών επιφανειών για προσάρτηση. Αυτές οι πρόσθετες, τεχνητές επιφάνειες επιτρέπουν σχεδόν αλληλεπιδράσεις κυττάρου με κύτταρο, οι οποίες είναι η απαίτηση για επιτυχημένη HGT. Επιπλέον, όταν γίνεται σύγκριση μεταξύ βακτηρίων που συνδέονται με μικροπλαστικό ή ζουν ελεύθερα στο νερό τοποθετημένα σε παρόμοια μήτρα (φίλτρο πολυανθρακικού) σε ίσες ποσότητες, βρέθηκε υψηλότερος ρυθμός μεταφοράς πλασμιδίου των μικροπλαστικών κοινοτήτων. Αυτό υποδηλώνει προσαρμογή και συνεπώς επικράτηση στην αυξημένη γονιδιακή ανταλλαγή σε κοινότητες βιοφίλμ μικροπλαστικών.
Η πειραματική απόδειξη προήλθε από επωάσεις χρησιμοποιώντας ένα συγκεκριμένο βακτηριακό στέλεχος δότη (Escherichia coli ) που φέρει ένα μόριο πλασμιδίου με ένα γονίδιο που προσδίδει αντοχή στην αντιβιοτική ένωση Trimethoprim. Το χρωμοσωμικό και πλασμιδικό DNA σε αυτό το στέλεχος είχε τροποποιηθεί για να εισάγει δείκτες φθορίζουσας πρωτεΐνης, που επιτρέπουν τη διαφοροποίηση ενός δότη από ένα βακτήριο που έχει λάβει το πλασμίδιο (ένα διασυζεύκτη). Αυτή η διαφοροποίηση επιτεύχθηκε με κυτταρομετρία ροής.
Σε ένα πείραμα, οι φιάλες παρασκευάστηκαν με E. coli ως δότης και στέλεχος Ψευδομόνας sp. ως διασυζυγική. Ορισμένες φιάλες είχαν μικροσωματίδια πολυστυρενίου για να παρέχουν πρόσθετες επιφάνειες και να επιλέγουν έναν προσκολλημένο τρόπο ζωής. Ο αριθμός των διασυζευγμένων κυττάρων που ανιχνεύθηκαν από το κυτταρόμετρο ροής σε σχέση με τον αριθμό των κυττάρων δότη χρησιμοποιήθηκε για να συγκριθεί ο ρυθμός ανταλλαγής πλασμιδίων των βακτηρίων που συνδέονται με μικροπλαστικά έναντι της ελεύθερης διαβίωσης στο νερό. Μια 1000 φορές υψηλότερη ανταλλαγή πλασμιδίων (HGT) σημειώθηκε μεταξύ των βακτηρίων στα μικροπλαστικά σε σύγκριση με αυτά στο νερό, αποδεικνύοντας ότι πρόσθετες, τεχνητές επιφάνειες όπως τα μικροπλαστικά σωματίδια έχουν τη δυνατότητα να αυξήσουν δραματικά το HGT στο υδάτινο περιβάλλον.
Σε ένα δεύτερο πείραμα, σωματίδια πολυστυρενίου εκτέθηκαν στη λίμνη Stechlin της Γερμανίας, για να επιτραπεί η προσκόλληση και η ανάπτυξη σε βιοφίλμ από φυσικά υδρόβια βακτήρια. Συγκεκριμένοι αριθμοί βακτηρίων από το μικροπλαστικό βιοφίλμ, καθώς και από το νερό, τοποθετήθηκαν αργότερα σε ένα φίλτρο μαζί με το στέλεχος του δότη. Παρόμοια με τα εργαστηριακά μας πειράματα, η ποσοτικοποίηση του ρυθμού μεταφοράς στα φίλτρα υποδεικνύει σημαντικά αυξημένο ρυθμό HGT (100 φορές) για βακτήρια σε μικροπλαστικά από εκείνα στο περιβάλλον νερό.
Μια μικρότερη διαφορά στο HGT μεταξύ των βακτηρίων στο μικροπλαστικό και στο νερό λήφθηκε όταν υπήρχαν φυσικά συσσωματώματα και οι σχετικές βακτηριακές κοινότητες τους στο δείγμα. Αυτό υποδεικνύει ότι οι επιφάνειες αυτές έχουν τη δυνατότητα να αυξήσουν τη βακτηριακή HGT. Επιπρόσθετα, η σύζευξη της κυτταρομετρίας ροής με τη διαλογή κυττάρων ενεργοποιημένης με φθορισμό (FACS) μας επέτρεψε να απομονώσουμε τα διασυζευγμένα κύτταρα μετά από αυτό το πείραμα. Η επακόλουθη ανάλυση του DNA τους αποκάλυψε ότι το πλασμίδιο μεταφέρθηκε σε μια ευρεία ποικιλία ταξινομικών κατηγοριών υποδεικνύοντας ότι τα μικροπλαστικά αυξάνουν το HGT είναι αυξημένο σε φυσικές κοινότητες.
Αυτά τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν μια νέα διάσταση της μικροπλαστικής ρύπανσης, δηλαδή την αλλαγή της δυναμικής ανταλλαγής γονιδίων στα υδάτινα οικοσυστήματα. Δεδομένης της σημασίας του HGT για τη μικροβιακή προσαρμογή και εξέλιξη και τον θεμελιώδη ρόλο των βακτηρίων στους υδρόβιους τροφικούς ιστούς, αυτό έχει τεράστιες επιπτώσεις στις βακτηριακές δραστηριότητες και λειτουργίες, π.χ. παγκόσμιος κύκλος θρεπτικών ουσιών και άνθρακα. Η πιθανότητα τα βακτήρια που συνδέονται με μικροπλαστικά να φιλοξενούν πολλαπλά γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά αυξάνεται σε συγκεκριμένα περιβάλλοντα, π.χ. εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, όπου ο αριθμός των ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων και των μικροπλαστικών σωματιδίων είναι υψηλός.
Όταν απελευθερώνονται στο περιβάλλον, τα πλαστικά παρέχουν μια μοναδική επιφάνεια ενισχύοντας την εξάπλωση των γονιδίων αντοχής στα αντιβιοτικά στο φυσικό περιβάλλον. Περισσότερη έρευνα θα παρέχει καλύτερη γνώση για τις διασυνδέσεις μεταξύ ενισχυμένου HGT σε μικροπλαστικά και ειδικών αλλαγών του υδρόβιου τροφικού ιστού, συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς γονιδίων ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά σε φυσικούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Κατά συνέπεια, αυτός ο μέχρι στιγμής παραμελημένος μηχανισμός πρέπει να ληφθεί υπόψη για μια αξιόπιστη εκτίμηση του κινδύνου για την υγεία από τη μαζική ανθρωπογενή πλαστική ρύπανση του περιβάλλοντος.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο, Η μικροπλαστική μόλυνση αυξάνει την ανταλλαγή γονιδίων στα υδάτινα οικοσυστήματα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Environmental Pollution.
Αυτή η εργασία διεξήχθη από τη Maria Arias-Andres (Ινστιτούτο Leibniz για Οικολογία Γλυκών Νερών και Εσωτερική Αλιεία, Πανεπιστήμιο του Πότσνταμ, Universidad Nacional, Campus Omar Dengo), Uli Klümper (Πανεπιστήμιο του Έξετερ), Keilor Rojas-Jimenez (Leibniz Electrical Institute of Freshwater Αλιεία, Universidad Latina de Costa Rica) και Hans-Peter Grossart (Ινστιτούτο Οικολογίας Γλυκών Νερών και Εσωτερικής Αλιείας Leibniz, Πανεπιστήμιο Πότσνταμ, Freie Universität Berlin).
