מיקרופלסטיק בנהרות מפיץ חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature Water, מדענים בחנו את התפלגות הנגיפים, האינטראקציות בין הפונדקאים והעברת גנים של עמידות לאנטיביוטיקה (ARGs) על גבי מיקרופלסטיק באמצעות ריצוף מטאגנומי וריצוף ויומה.

זיהום מתמשך של מיקרופלסטיק הוא מאפיין בולט של האנתרופוקן, והוא מהווה סיכונים סביבתיים ובריאותיים לציבור באמצעות שטיפה רעילה וחדירה ישירה לרקמות ביולוגיות. מיקרופלסטיק יוצר נישות ייחודיות להתיישבות מיקרוביאלית ולגדילת ביופילם, ויוצר "פלסטיספרה" המורכבת מקהילות מיקרוביאליות מגוונות. משטחים אלה יכולים להעשיר פתוגנים באופן סלקטיבי, דבר שעלול להשפיע על העברת מחלות. למרות שכיחותם בכל מקום, וירוסים הוזנחו במידה רבה במחקרי פלסטיספרה, אם כי ראיות אחרונות מצביעות על כך שהם מתמידים על מיקרופלסטיק ומקיימים אינטראקציה עם חיידקים פונדקאים. יש צורך במחקר נוסף כדי להבין באופן מלא את ההשפעות האקולוגיות של קהילות ויראליות והעברת מיקרופלסטיק מסוג ARG על מיקרופלסטיק, כמו גם את השלכותיהם על הסביבה ובריאות האדם.

במרץ 2021 נערך מחקר על שני סוגים של מיקרופלסטיק, פוליאתילן (PE) ופוליפרופילן (PP), בנהר ביילונג במחוז גואנגשי, סין. חמישה אתרים לאורך הנהר נבחרו על סמך רמת העיור והתכונות הפיזיקוכימיות, החל מאזורים כפריים ועד אזורים עירוניים. בכל אתר גודלו 2.0 גרם של מיקרופלסטיק (PE ו-PP) וחלקיקים טבעיים (אבן, עץ, חול) במי הנהר. המיקרופלסטיק חוטא באתנול 70% ונשטף במים סטריליים, בעוד שחלקיקים טבעיים עוקרו כדי לחסל קהילות חיידקים ווירוסים מקוריות. משך הדגירה התבסס על מחקרים קודמים שהראו היווצרות ביופילם מוצלחת על פלסטיק תוך 30 יום.

לאחר הדגירה, נאספו דגימות מיקרופלסטיק, חלקיקים טבעיים ודגימות מים ואוחסנו בטמפרטורה של -20°C לצורך ניתוח. חלקיקים גדולים ואוכלי עשב סוננו וריכוזי המתכות נקבעו באמצעות ספקטרומטריית פליטה אופטית של פלזמה מצומדת אינדוקטיבית. נמדדו תכונות פיזיקוכימיות נוספות ורמות עיור.

DNA חולץ באמצעות ערכת FastDNA Spin ורוצף בפלטפורמת HiSeq X. קריאות באיכות גבוהה עובדו כדי לחזות מסגרות קריאה פתוחות ולהסיר גנים מיותרים. גנומים חיידקיים הורכבו וסווחו באמצעות כלי ביואינפורמטיקה שונים. DNA ויראלי חולץ, הועשר ורוצף כדי לזהות תלויים ויראליים ואשכולות ויראליים פוטנציאליים על גבי מיקרופלסטיק.

באמצעות ריצוף מטאגנומי, זוהו סך של 28,732 מיני חיידקים בדגימות מיקרופלסטיק מאגן נהר ביילונג. המערכות הדומיננטיות היו פרוטאובקטריה, אצידובקטריה, אקטינובקטריה וכלורופלקסי, המהוות 52.6% מקהילת החיידקים. עושר המינים והאידיות לא הראו הבדלים משמעותיים לפי אתר או סוג מיקרופלסטיק. קהילת החיידקים המרכזית, המורכבת מ-25,883 מינים, היוותה 78.4% מכלל המינים שזוהו, כאשר 12,284 מינים משותפים לכל הדגימות למעט דגימה אחת של PE. רוב המינים (28,599) היו משותפים למיקרופלסטיק של PE ו-PP, כאשר 49 ו-84 מינים ייחודיים ל-PE ול-PP, בהתאמה.

כ-0.32% ממיני החיידקים היו פתוגנים פוטנציאליים, כאשר 91 מינים זוהו ב-11 מערכות חיידקים. הפתוגנים הדומיננטיים היו Burkholderia cepacia (13.29%), Klebsiella pneumoniae (10.21%) ו-Pseudomonas aeruginosa (7.59%). נמצא אפקט מרחק-יום משמעותי בדמיון בין קהילות מיקרוביאליות בין אתרים (R2 = 0.842, P < 0.001). ניתוח NMDS הראה הבדלים במבנה קהילות החיידקים בין מיקרופלסטיק PE ו-PP.

עבור קהילות ויראליות, התקבלו 226,853 ספירות, רובן פחות מ-1,000 kb. Myoviridae ו-Siphoviridae שלטו, והיו אחראים ל-58.8% משפע הווירוסים. עושר ושוויון הווירוסים לא היו שונים באופן משמעותי בין סוגי המיקרופלסטיק. ספירות הווירוסים סווגו ל-501 סוגים, מתוכם 364 היו נפוצים ל-PE ו-PP. נמצא אפקט מרחק-יום משמעותי בקהילות הווירוסים בין האתרים. ניתוח NMDS הראה הבדלים בקהילות הווירוסים בין מיקרופלסטיק PE ו-PP.

ביאור של הגנים הפונקציונליים של רצפים חיידקיים ווירוסים על גבי מיקרופלסטיק בוצע באמצעות מאגרי מידע שונים. רוב הגנים הוויראליים לא סווגו או אופיינו בצורה גרועה, חלקם היו קשורים לעיבוד מידע גנטי ולתהליכים תאיים. גנים פונקציונליים חיידקיים גם הם לא סווגו, חלקם היו קשורים למסלולים מטבוליים וביוסינתזה. גנים לעמידות למתכות (MRGs) ו-ARGs נמצאו ברצפים וויראליים וחיידקיים, הנפוצים ביותר היו עמידות ל-Cu, Zn, As ו-Fe.

גנים של מיקרופלסטיק מסוג ARG חיידקיים קידדו בעיקר עמידות לתרופות מרובות, מקרולידים, לינקוסמידים וסטרפטוגרםינים (MLS) וטטרציקלין, בעוד ש-ARG ויראליים כללו גנים של עמידות לטרימתופרים, טטרציקלין ו-MLS. נצפתה העברה אופקית של ARG ו-MRG בין נגיפים לפונדקאים החיידקיים שלהם, דבר המצביע על פוטנציאל לחילוף גנטי של מיקרופלסטיק.

המחקר מצא הבדלים בקהילות חיידקים ווירוסים המתיישבים במיקרופלסטיק בהשוואה לחלקיקים טבעיים בנהר ביילון. למרות שהמגוון נותר דומה באתרים שונים, סוג המיקרופלסטיק השפיע על הרכב הקהילה. חשוב לציין, החוקרים זיהו פתוגנים פוטנציאליים וגנים מסוג ARG הקשורים לחיידקים ווירוסים על גבי מיקרופלסטיק. הם הבחינו בעדויות להעברת גנים אופקית בין וירוסים לחיידקים, דבר המצביע על כך שמיקרופלסטיק עשוי לתרום להתפשטות עמידות לאנטיביוטיקה בסביבות מימיות. ממצאים אלה מדגישים את הסיכונים הסביבתיים והבריאותיים הפוטנציאליים הקשורים לזיהום מיקרופלסטיק.