Микробиом пластикового мусора в реках обогащен генами антибиотикорезистентности

Пластиковый мусор колонизируют различные микроорганизмы, которые не раз становились объектом пристального изучения. Однако больше внимания привлекают микробные сообщества пластиковых отходов в морях и океанах, а не в реках и озерах, несмотря на то, что реки — основной путь, по которому пластик поступает в море. После того, как пластиковый мусор попадает в воду, его поверхность колонизируется в течение нескольких минут местными микробными сообществами. Пластисфера может быть нишей для пролиферации и распространения оппортунистических патогенов, а также местом приобретения ими генов антибиотикорезистентности (ARG).

В новом исследовании международная группа ученых охарактеризовала метагеном пластиковых отходов и контрольной поверхности (дерева), находящихся в речной воде, а также самой воды. Опыты проводились на реке Соу (Великобритания) в одном километре от станции очистки сточных вод. Авторы использовали как новый пластик, так и выдержанный в течение шести месяцев в печи при температуре 80 °C. Также они изучили, может ли присутствие малых концентраций антибиотиков в воде повлиять на количество ARG.

Пластик и дерево выдерживали в речной воде в течение недели, после чего извлекали ДНК и секвенировали. Через неделю образовывались биопленки, а также нарастало достаточно биомассы для экстракции ДНК.

Как и было показано ранее, микробные сообщества, найденные на дереве, имели самое высокое альфа-разнообразие. Микроорганизмы, представленные в очень малом количестве, отфильтровываются при анализе, так что в воде было выявлено самое низкое разнообразие. Микробные сообщества, обнаруженные на новом и состаренном пластике, различались между собой.

Большая часть прочтений относилась к бактериям (98,83%), только небольшая их часть относилась к эукариотам (1,01%), вирусам (0,15%) и археям (0,01%). Среди бактерий во всех образцах преобладал тип Proteobacteria, потом шел Bacteroidota. Среди Proteobacteria самыми распространенными были класс Gammaproteobacteria и отряд Burkholderiales.

Доминирующие виды, принадлежащие к Burkholderiales, были схожи на всех поверхностях и отличались от тех, что были найдены в воде. Самым распространенным родом на поверхностях был Sphaerotilus — нитевидная бактерия, использующая железо в качестве источника энергии и имеющая оболочку, помогающую ей прикрепляться к поверхностям. Эта бактерия образует биопленки, которые потенциально могут защитить другие микроорганизмы, даже обычно обитающие в толще воды. Так, на поверхностях пластика и дерева были найдены представители рода Limnohabitans, хотя в образцах воды их было намного больше. Также на всех поверхностях, но особенно на дереве, были найдены бактерии рода Methylotenera, которые разрушают целлюлозу.

Methylotenera и Pseudomonas ранее уже связывали с деградацией пластика. Pseudomonas чаще встречались на состаренном пластике, который выпускает большое количество органических соединений.

В образцах воды преобладали представители Limnohabitans (41%), Planktophila (4,4%), Polynucleobacter (4,1%) и Aquirufa (0,84%). Также было найдено большое количество патогенов человека, таких как Escherichia (7,2%), Salmonella (3,7%), Klebsiella (1,5%) и Streptococcus (3,6%). Их находили и на поверхностях, но в намного меньшем количестве. С другой стороны, на поверхностях преобладали оппортунистические патогены человека Pseudomonas aeruginosa и Acinetobacter.

Поверхности были обогащены ARG по сравнению с водой, особенно состаренный пластик. Всего исследователи идентифицировали 226 подтипов ARG. Везде было много генов множественной лекарственной устойчивости. Микробиомы воды были обогащены генами резистентности к аминогликозидам, тетрациклину, аминокумарину, фторхинолонам, нитроимидазолу, оксазолидинону и фосфомицину. Напротив, поверхности были обогащены ARG, дающими устойчивость к линкозамидам, оксазолидинонам и стрептограминам, а также сульфаниламидам, рифамицинам, дезинфицирующем веществам и гликопептидам. На состаренном пластике также встречались гены устойчивости к триклозану, фениколу и диаминопуримидину. Анализ отдельных генов подтвердил выявленные закономерности.

Таким образом, пластик поддерживает микробные сообщества с большим количеством ARG. Горизонтальный перенос генов чаще происходит на поверхностях. Авторы подчеркивают, что внимание необходимо обращать не только на пластисферу, но и на воду, подвергающуюся воздействию активности человека. В этом исследовании именно в воде было обнаружено больше человеческих патогенов.

Также авторы оценили эффект малых концентраций антибиотиков на количество ARG в пластисфере. Опыты проводили ex situ в системах, содержащих речную воду, осадок, пластиковые и деревянные поверхности, а также низкие концентрации антибиотиков: макролида азитромицина (AZM), фторхинолона ципрофлоксацина (CPFX) и сульфонамида сульфаметоксазола (SMX).

На дереве было отмечено наибольшее количество ARG, и это не зависело от присутствия антибиотиков. Как и ожидалось, присутствие AZM повышало количество ARG, связанных с макролидами-линкозамидами-стрептограминами, но это происходило в основном в образцах воды. CPFX повышал количество ARG против хинолоновых антибиотиков, а SMX — против сульфонамидов, и это было особенно заметно на пластиковых поверхностях.

То есть низкие, но релевантные в контексте окружающей среды концентрации антибиотиков повышают количество ARG в микробиомах речных систем. Влияние антибиотика на пластисферу, по всей видимости, зависит от его способности адсорбироваться на поверхность пластика и проникать вглубь биопленки.

Инвазивные виды путешествуют на морском мусоре