Mikroplastik in Flüssen verbreitet antibiotikaresistente Mikroben

In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Water veröffentlichten Studie untersuchten Wissenschaftler die Virusverteilung, Wirtsinteraktionen und die Übertragung von Antibiotikaresistenzgenen (ARGs) auf Mikroplastik mithilfe von Metagenom- und Viomsequenzierung.

Die anhaltende Kontamination mit Mikroplastik ist ein prägendes Merkmal des Anthropozäns und birgt durch toxische Auswaschung und direktes Eindringen in biologisches Gewebe Risiken für Umwelt und Gesundheit. Mikroplastik schafft einzigartige Nischen für mikrobielle Besiedlung und Biofilmwachstum und bildet eine „Plastisphäre“ mit vielfältigen mikrobiellen Gemeinschaften. Diese Oberflächen können Krankheitserreger selektiv anreichern und so die Krankheitsübertragung beeinflussen. Trotz ihrer Allgegenwärtigkeit wurden Viren in Plastisphärenstudien weitgehend ignoriert, obwohl neuere Erkenntnisse darauf hindeuten, dass sie auf Mikroplastik persistieren und mit bakteriellen Wirten interagieren. Weitere Forschung ist erforderlich, um die ökologischen Auswirkungen viraler Gemeinschaften und der ARG-Übertragung auf Mikroplastik sowie deren Folgen für Umwelt und menschliche Gesundheit vollständig zu verstehen.

Im März 2021 wurde eine Studie zu zwei Arten von Mikroplastik, Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), im Beilong-Fluss in der chinesischen Provinz Guangxi durchgeführt. Fünf Standorte entlang des Flusses wurden anhand ihres Urbanisierungsgrads und ihrer physikochemischen Eigenschaften ausgewählt, die von ländlichen bis zu städtischen Regionen reichten. An jedem Standort wurden 2,0 g Mikroplastik (PE und PP) und natürliche Partikel (Stein, Holz, Sand) in Flusswasser kultiviert. Mikroplastik wurde mit 70-prozentigem Ethanol desinfiziert und mit sterilem Wasser gewaschen, während natürliche Partikel sterilisiert wurden, um ursprüngliche Bakterien- und Virengemeinschaften zu eliminieren. Die Inkubationsdauer basierte auf früheren Studien, die eine erfolgreiche Biofilmbildung auf Kunststoffen innerhalb von 30 Tagen zeigten.

Nach der Inkubation wurden Mikroplastik, natürliche Partikel und Wasserproben gesammelt und zur Analyse bei -20 °C gelagert. Große Partikel und Pflanzenfresser wurden herausgefiltert und die Metallkonzentrationen mittels optischer Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma bestimmt. Zusätzliche physikochemischen Eigenschaften und der Urbanisierungsgrad wurden gemessen.

DNA wurde mit dem FastDNA Spin Kit extrahiert und auf der HiSeq X-Plattform sequenziert. Hochwertige Reads wurden verarbeitet, um offene Leserahmen vorherzusagen und redundante Gene zu entfernen. Bakteriengenome wurden mithilfe verschiedener bioinformatischer Tools zusammengesetzt und annotiert. Virale DNA wurde extrahiert, angereichert und sequenziert, um virale Kontingente und potenzielle virale Cluster auf Mikroplastik zu identifizieren.

Mittels metagenomischer Sequenzierung wurden in Mikroplastikproben aus dem Beilong-Flussbecken insgesamt 28.732 Bakterienarten identifiziert. Die dominierenden Stämme waren Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria und Chloroflexi, die 52,6 % der Bakteriengemeinschaft ausmachten. Artenreichtum und -gleichmäßigkeit zeigten keine signifikanten Unterschiede je nach Fundort oder Mikroplastiktyp. Die Kernbakteriengemeinschaft, bestehend aus 25.883 Arten, machte 78,4 % aller nachgewiesenen Arten aus, wobei 12.284 Arten in allen Proben mit Ausnahme einer PE-Probe vorkommen. Die Mehrheit der Arten (28.599) war in PE- und PP-Mikroplastik verbreitet, wobei 49 bzw. 84 Arten nur in PE bzw. PP vorkommen.

Etwa 0,32 % der Bakterienarten waren potenzielle Pathogene, wobei 91 Arten in elf Stämmen nachgewiesen wurden. Die dominanten Pathogene waren Burkholderia cepacia (13,29 %), Klebsiella pneumoniae (10,21 %) und Pseudomonas aeruginosa (7,59 %). Ein signifikanter Distanz-Tages-Effekt zeigte sich in der Ähnlichkeit der mikrobiellen Gemeinschaften zwischen den Standorten (R2 = 0,842, P < 0,001). Die NMDS-Analyse zeigte Unterschiede in der Struktur der bakteriellen Gemeinschaften zwischen PE- und PP-Mikroplastik.

Für virale Gemeinschaften wurden 226.853 Zählungen durchgeführt, meist kleiner als 1.000 kb. Myoviridae und Siphoviridae dominierten mit 58,8 % der Virenhäufigkeit. Virenreichtum und -gleichmäßigkeit unterschieden sich nicht signifikant zwischen den Mikroplastikarten. Die Virenzählungen wurden in 501 Gattungen eingeteilt, von denen 364 PE und PP gemeinsam waren. Es wurde ein signifikanter Distanz-Tages-Effekt in den viralen Gemeinschaften zwischen den Standorten festgestellt. Die NMDS-Analyse zeigte Unterschiede in den viralen Gemeinschaften zwischen PE- und PP-Mikroplastik.

Eine Annotation der funktionellen Gene bakterieller und viraler Sequenzen auf Mikroplastik wurde anhand verschiedener Datenbanken durchgeführt. Die meisten viralen Gene waren nicht klassifiziert oder schlecht charakterisiert; einige von ihnen standen im Zusammenhang mit der Verarbeitung genetischer Informationen und zellulären Prozessen. Bakterielle funktionelle Gene waren ebenfalls nicht klassifiziert; einige von ihnen standen im Zusammenhang mit Stoffwechselwegen und Biosynthese. Metallresistenzgene (MRGs) und ARGs wurden in viralen und bakteriellen Sequenzen gefunden, am häufigsten waren Resistenzen gegen Cu, Zn, As und Fe.

Bakterielle ARGs kodierten primär Resistenzen gegen mehrere Medikamente, Makrolide, Lincosamide und Streptogramine (MLS) sowie Tetracyclin, während virale ARGs Resistenzgene gegen Trimethoprim, Tetracyclin und MLS enthielten. Es wurde ein horizontaler Transfer von ARGs und MRGs zwischen Viren und ihren bakteriellen Wirten beobachtet, was auf einen potenziellen genetischen Austausch hindeutet, der Mikroplastik fördert.

Die Studie ergab Unterschiede zwischen den Bakterien- und Virengemeinschaften, die Mikroplastik im Beilun-Fluss besiedeln, und den natürlichen Partikeln. Obwohl die Diversität an den verschiedenen Standorten ähnlich war, beeinflusste die Art des Mikroplastiks die Zusammensetzung der Gemeinschaft. Wichtig ist, dass die Forscher potenzielle Krankheitserreger und ARGs identifizierten, die mit Bakterien und Viren auf Mikroplastik assoziiert sind. Sie beobachteten Hinweise auf einen horizontalen Gentransfer zwischen Viren und Bakterien, was darauf hindeutet, dass Mikroplastik zur Ausbreitung antimikrobieller Resistenzen in Gewässern beitragen könnte. Diese Ergebnisse unterstreichen die potenziellen Risiken für Umwelt und Gesundheit, die mit der Mikroplastikverschmutzung verbunden sind.