מיקרו-פלסטיק בנהרות מכיל קהילות מיקרוביאליות ייחודיות, המפיץ עמידות לאנטיביוטיקה

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת מים בטבעחוקרים חקרו את ההפצה הוויראלית, אינטראקציות מארח והעברת גן עמידות לאנטיביוטיקה (ARG) על מיקרופלסטיק באמצעות רצף מטאנומי ווירומי.

מחקר: מטאנום ויראלי חושף מארחים מיקרוביאליים ואת ההתנגדות האנטיביוטית הקשורה במיקרו-פלסטיק. קרדיט תמונה: קלטר / Shutterstock

רקע כללי

זיהום מיקרו-פלסטיק מתמשך הוא סימן היכר של האנתרופוקן, המהווה סיכונים סביבתיים ובריאותיים באמצעות תטיפים רעילים וכניסה ישירה לרקמות ביולוגיות. מיקרו-פלסטיקים יוצרים נישות ייחודיות להתיישבות מיקרוביאלית ולגידול ביופילם, ויוצרות את 'הפלסטיספירה', הכוללת קהילות מיקרוביאליות מגוונות. משטחים אלה יכולים להעשיר באופן סלקטיבי פתוגנים, מה שעלול להשפיע על העברת מחלות. למרות נוכחותם בכל מקום, הווירוסים התעלמו במידה רבה במחקרי פלסטיספירה, אם כי עדויות אחרונות מראות שהם נמשכים על מיקרו-פלסטיק ומקיימים אינטראקציה עם מארחים חיידקיים. דרוש מחקר נוסף כדי להבין היטב את ההשפעה האקולוגית של קהילות ויראליות והעברת ARG על מיקרופלסטיק והשלכותיהם על בריאות הסביבה והאדם.

לגבי המחקר

במרץ 2021, המחקר הנוכחי נערך על שני סוגים של מיקרופלסטיק, פוליאתילן (PE) ופוליפרופילן (PP), בנהר ביילון, מחוז גואנגשי, סין. חמישה אתרים לאורך הנהר נבחרו על סמך עיור ומאפיינים פיזיקוכימיים, החל מאזורים כפריים ועד עירוניים. בכל אתר, 2.0 גרם של מיקרופלסטיק (PE ו-PP) וחלקיקים טבעיים (אבן, עץ, חול) תורבו במי הנהר. המיקרו-פלסטיקים חוטאו ב-70% אתנול ונשטפו במים סטריליים, בעוד שחלקיקים טבעיים עוקרו כדי לחסל קהילות חיידקים ונגיפיות מקוריות. משך הדגירה התבסס על מחקרים קודמים שהראו היווצרות ביופילם מוצלח על פלסטיק בתוך 30 יום.

לאחר הדגירה נאספו מיקרו-פלסטיק, חלקיקים טבעיים ודגימות מים ואוחסנו ב-20 מעלות צלזיוס לצורך ניתוח. חלקיקים גדולים ואוכלי עשב סוננו החוצה, וריכוזי מתכות נקבעו באמצעות ספקטרומטריית פליטה אופטית של פלזמה בשילוב אינדוקטיבי. נמדדו מאפיינים פיזיקוכימיים נוספים ורמות עיור.

חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) חולץ באמצעות ערכת FastDNA Spin ורצף בפלטפורמת HiSeq X. קריאות באיכות גבוהה עובדו כדי לחזות מסגרות קריאה פתוחות ולהסרת גנים מיותרים. גנומים חיידקיים הורכבו והוסרו באמצעות כלים ביואינפורמטיקה שונים. DNA ויראלי הוצא, הועשר ורצף כדי לזהות קבוצות ויראליות וצבירי וירוסים פוטנציאליים על מיקרו-פלסטיק.

ניתוחים סטטיסטיים בוצעו באמצעות R, כולל ניתוחי גיוון אלפא וביטא, ניתוח Adonis וניתוח גודל אפקט מבחן ליניארי (LEfSe) כדי לסווג טקסים או גנים משותפים על פני דגימות.

תוצאות המחקר

באמצעות רצף מטאנומי, זוהו 28,732 מינים של חיידקים בדגימות מיקרו-פלסטיק מקו פרשת המים של נחל ביילון. הפילות הדומיננטיות כללו Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria ו- Chloroflexi, המהווים 52.6% מקהילת החיידקים. עושר המינים ואחידות המינים לא הראו הבדלים משמעותיים לפי אתר או סוג מיקרופלסטיק. קהילת הליבה של החיידקים, הכוללת 25,883 מינים, ייצגה 78.4% מסך המינים שזוהו, כאשר 12,284 מינים משותפים לכל הדגימות מלבד דגימת PE אחת. רוב המינים (28,599) חולקו בין מיקרופלסטיק PE ו-PP, עם 49 ו-84 מינים ייחודיים ל-PE ו-PP, בהתאמה.

כ-0.32% ממינים חיידקיים היו פתוגנים פוטנציאליים, כאשר 91 מינים זוהו על פני 11 פילות. הפתוגנים הדומיננטיים כללו את Burkholderia cepacia (13.29%), Klebsiella pneumoniae (10.21%) ו-Pseudomonas aeruginosa (7.59%). אפקט משמעותי של מרחק-יום נצפתה בדמיון קהילתי חיידקי בין אתרים (R² = 0.842, P < 0.001). ניתוח קנה מידה רב-ממדי לא-מטרי (NMDS) הראה מבנים קהילתיים חיידקיים ברורים בין מיקרופלסטיק PE ו-PP.

עבור קהילות ויראליות, התקבלו 226,853 שברי קונטיגים, רובם מתחת ל-1,000 קילובייט. Myoviridae ו Siphoviridae נשלט, ומהווה 58.8% מהשפע הוויראלי. העושר והשוויון הנגיפי לא היו שונים באופן משמעותי בין סוגי המיקרו-פלסטיק. קבוצות ויראליות סווגו ל-501 סוגים, כאשר 364 חולקו בין PE ו-PP. אפקט משמעותי של מרחק-יום נצפתה בקהילות ויראליות בין אתרים. ניתוח NMDS חשף קהילות ויראליות מובחנות בין מיקרופלסטיק PE ו-PP.

ביאור גנים פונקציונלי של רצפי חיידקים וויראליים על מיקרופלסטיק שימש במאגרי מידע שונים. רוב הגנים הוויראליים לא היו מסווגים או מאופיינים בצורה גרועה, כאשר חלקם קשורים לעיבוד מידע גנטי ולתהליכים תאיים. גנים תפקודיים חיידקיים לא סווגו באופן דומה, כאשר חלקם קשורים למסלולים מטבוליים וביוסינתזה. גנים של עמידות למתכות (MRG) ו-ARG זוהו ברצפים נגיפיים וחיידקיים כאחד, כאשר עמידות ל- Cu, Zn, As ו-Fe היא הנפוצה ביותר.

ARGs חיידקיים קידמו בעיקר עמידות לריבוי תרופות, Macrolide-Lincosamide-Streptogramin (MLS) ולטטרציקלין, בעוד ARGs ויראליים כללו גנים עמידות לטרימטופרים, טטרציקלין ו-MLS. העברת גנים אופקית (HGT) של ARGs ו-MRGs נצפתה בין וירוסים והמארחים החיידקיים שלהם, מה שמעיד על חילופי גנטים פוטנציאליים המקלים על ידי מיקרופלסטיק.

מיקרו-פלסטיק מציעים נישה ייחודית לקולוניזציה של חיידקים וחילופי גנטים. מחקר זה משפר את ההבנה של הדינמיקה של הקהילה החיידקית והנגיפית, הפצת גנים עמידות ואינטראקציות מארח וירוסים על מיקרו-פלסטיק בהשוואה לחלקיקים טבעיים, תוך הדגשת תפקידם בהפצת עמידות לאנטי-מיקרוביאלית באמצעות HGT.

מסקנות

לסיכום, המחקר חשף קהילות חיידקיות וויראליות שונות המתיישבות מיקרופלסטיק בהשוואה לחלקיקים טבעיים בנהר ביילון. בעוד שהמגוון נשאר דומה בין האתרים, סוג המיקרו-פלסטיק השפיע על הרכב הקהילה. יש לציין כי החוקרים זיהו פתוגנים ו-ARGs פוטנציאליים הקשורים הן לחיידקים והן לנגיפים במיקרו-פלסטיק. הם צפו עדויות ל-HGT בין וירוסים וחיידקים, המצביעים על כך שמיקרו-פלסטיק עשוי להקל על התפשטות העמידות לאנטי-מיקרוביאלית בסביבות מימיות. ממצאים אלה מדגישים את הסיכונים האקולוגיים והבריאותיים הפוטנציאליים הקשורים לזיהום מיקרופלסטיק.