ไมโครพลาสติกในแม่น้ำแพร่กระจายจุลินทรีย์ที่ดื้อต่อยาปฏิชีวนะ

ในการศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Waterนักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบการกระจายตัวของไวรัส ปฏิสัมพันธ์กับโฮสต์ และการถ่ายโอนยีนที่ดื้อยาปฏิชีวนะ (ARG) บนไมโครพลาสติกโดยใช้การจัดลำดับเมตาจีโนมและไวโอม

การปนเปื้อนของไมโครพลาสติกอย่างต่อเนื่องเป็นลักษณะเฉพาะของยุคแอนโธโปซีน ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของประชาชนผ่านการชะล้างสารพิษและการแทรกซึมโดยตรงเข้าไปในเนื้อเยื่อทางชีวภาพ ไมโครพลาสติกสร้างช่องว่างเฉพาะตัวสำหรับการตั้งรกรากของจุลินทรีย์และการเติบโตของไบโอฟิล์ม ก่อให้เกิด "พลาสติสเฟียร์" ที่ประกอบด้วยชุมชนจุลินทรีย์ที่หลากหลาย พื้นผิวเหล่านี้สามารถเพิ่มจำนวนเชื้อก่อโรคได้อย่างเลือกสรร ซึ่งอาจส่งผลต่อการแพร่กระจายของโรค แม้จะมีอยู่ทั่วไป แต่ส่วนใหญ่แล้วการศึกษาเกี่ยวกับพลาสติสเฟียร์มักละเลยไวรัส แม้ว่าหลักฐานล่าสุดจะชี้ให้เห็นว่าไวรัสยังคงอยู่บนไมโครพลาสติกและโต้ตอบกับแบคทีเรียโฮสต์ จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจผลกระทบทางนิเวศวิทยาของชุมชนไวรัสและการแพร่กระจายของ ARG ต่อไมโครพลาสติก ตลอดจนผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์

ในเดือนมีนาคม 2021 ได้มีการศึกษาวิจัยไมโครพลาสติก 2 ประเภท ได้แก่ โพลีเอทิลีน (PE) และโพลีโพรพีลีน (PP) ในแม่น้ำเป่ยหลง มณฑลกวางสี ประเทศจีน โดยเลือกพื้นที่ 5 แห่งริมแม่น้ำตามระดับการขยายตัวของเมืองและคุณสมบัติทางเคมีกายภาพ ตั้งแต่ในเขตชนบทไปจนถึงเขตเมือง ในแต่ละพื้นที่ ไมโครพลาสติก (PE และ PP) จำนวน 2.0 กรัม และอนุภาคจากธรรมชาติ (หิน ไม้ ทราย) ได้รับการเพาะเลี้ยงในน้ำแม่น้ำ ไมโครพลาสติกได้รับการฆ่าเชื้อด้วยเอธานอล 70% และล้างด้วยน้ำที่ผ่านการฆ่าเชื้อ ในขณะที่อนุภาคจากธรรมชาติได้รับการฆ่าเชื้อเพื่อกำจัดชุมชนแบคทีเรียและไวรัสดั้งเดิม ระยะเวลาการฟักตัวนั้นอ้างอิงจากการศึกษาครั้งก่อนๆ ที่แสดงให้เห็นว่าพลาสติกสามารถสร้างไบโอฟิล์มได้สำเร็จภายใน 30 วัน

หลังจากฟักตัวแล้ว ไมโครพลาสติก อนุภาคธรรมชาติ และตัวอย่างน้ำจะถูกเก็บรวบรวมและเก็บไว้ที่อุณหภูมิ -20°C เพื่อวิเคราะห์ อนุภาคขนาดใหญ่และสัตว์กินพืชจะถูกกรองออก และความเข้มข้นของโลหะจะถูกกำหนดโดยใช้สเปกโตรมิเตอร์การปล่อยแสงพลาสมาที่เชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำ คุณสมบัติทางฟิสิกเคมีเพิ่มเติมและระดับการขยายตัวของเมืองก็ถูกวัดเช่นกัน

DNA ถูกสกัดโดยใช้ชุด FastDNA Spin และจัดลำดับโดยใช้แพลตฟอร์ม HiSeq X การอ่านคุณภาพสูงได้รับการประมวลผลเพื่อคาดการณ์กรอบการอ่านแบบเปิดและลบยีนที่ซ้ำซ้อน จีโนมของแบคทีเรียถูกประกอบและอธิบายโดยใช้เครื่องมือชีวสารสนเทศต่างๆ DNA ของไวรัสถูกสกัด เสริม และจัดลำดับเพื่อระบุกลุ่มไวรัสและกลุ่มไวรัสที่มีศักยภาพบนไมโครพลาสติก

การใช้การจัดลำดับเมตาจีโนมทำให้สามารถระบุแบคทีเรียได้ทั้งหมด 28,732 สายพันธุ์ในตัวอย่างไมโครพลาสติกจากลุ่มแม่น้ำเป่ยหลง ไฟลาหลัก ได้แก่ โปรตีโอแบคทีเรีย แอซิโดแบคทีเรีย แอกติโนแบคทีเรีย และคลอโรเฟล็กซี ซึ่งคิดเป็นร้อยละ 52.6 ของชุมชนแบคทีเรียทั้งหมด ความอุดมสมบูรณ์และความสม่ำเสมอของสายพันธุ์ไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญตามสถานที่หรือประเภทของไมโครพลาสติก ชุมชนแบคทีเรียหลักซึ่งประกอบด้วย 25,883 สายพันธุ์ คิดเป็นร้อยละ 78.4 ของสายพันธุ์ทั้งหมดที่ตรวจพบ โดยมี 12,284 สายพันธุ์ที่พบได้ทั่วไปในทุกตัวอย่าง ยกเว้นหนึ่งตัวอย่าง PE สายพันธุ์ส่วนใหญ่ (28,599 สายพันธุ์) พบได้ทั่วไปในไมโครพลาสติก PE และ PP โดยมี 49 และ 84 สายพันธุ์ที่พบได้เฉพาะใน PE และ PP ตามลำดับ

ประมาณ 0.32% ของสายพันธุ์แบคทีเรียเป็นเชื้อก่อโรคที่มีศักยภาพ โดยตรวจพบ 91 สายพันธุ์ใน 11 ไฟลา เชื้อก่อโรคที่เด่น ได้แก่ Burkholderia cepacia (13.29%), Klebsiella pneumoniae (10.21%) และ Pseudomonas aeruginosa (7.59%) พบผลกระทบจากระยะห่าง-วันที่สำคัญในความคล้ายคลึงกันของชุมชนจุลินทรีย์ระหว่างสถานที่ (R2 = 0.842, P < 0.001) การวิเคราะห์ NMDS แสดงให้เห็นความแตกต่างในโครงสร้างชุมชนแบคทีเรียระหว่างไมโครพลาสติก PE และ PP

สำหรับชุมชนไวรัส มีจำนวนไวรัส 226,853 ตัว โดยส่วนใหญ่มีขนาดน้อยกว่า 1,000 kb Myoviridae และ Siphoviridae มีจำนวนไวรัสมากที่สุด คิดเป็นร้อยละ 58.8 ของจำนวนไวรัสทั้งหมด ความเข้มข้นและความสม่ำเสมอของไวรัสไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างไมโครพลาสติกแต่ละประเภท จำนวนไวรัสถูกแบ่งประเภทเป็น 501 สกุล โดย 364 สกุลเป็นชนิดเดียวกับ PE และ PP พบผลกระทบจากระยะห่าง-วันที่สำคัญในชุมชนไวรัสระหว่างไซต์ต่างๆ การวิเคราะห์ NMDS แสดงให้เห็นความแตกต่างในชุมชนไวรัสระหว่างไมโครพลาสติก PE และ PP

ได้มีการจัดทำคำอธิบายประกอบยีนฟังก์ชันของลำดับแบคทีเรียและไวรัสบนไมโครพลาสติกโดยใช้ฐานข้อมูลต่างๆ ยีนไวรัสส่วนใหญ่ไม่ได้ถูกจัดประเภทหรือมีลักษณะเฉพาะไม่ดี บางส่วนเกี่ยวข้องกับการประมวลผลข้อมูลทางพันธุกรรมและกระบวนการในเซลล์ ยีนฟังก์ชันของแบคทีเรียก็ไม่ได้รับการจัดประเภทเช่นกัน บางส่วนเกี่ยวข้องกับเส้นทางเมตาบอลิซึมและการสังเคราะห์ชีวภาพ พบยีนต้านทานโลหะ (MRG) และ ARG ในลำดับไวรัสและแบคทีเรีย โดยยีนที่พบมากที่สุดคือยีนต้านทาน Cu, Zn, As และ Fe

ARG ในแบคทีเรียเข้ารหัสการต้านทานยาหลายชนิด แมโครไลด์ ลินโคซาไมด์ และสเตรปโตแกรมินส์ (MLS) และเตตราไซคลินเป็นหลัก ในขณะที่ ARG ในไวรัสมียีนที่ต้านทานไตรเมโทพริม เตตราไซคลิน และ MLS การถ่ายโอน ARG และ MRG ในแนวนอนถูกสังเกตระหว่างไวรัสและแบคทีเรียโฮสต์ ซึ่งบ่งชี้ถึงการแลกเปลี่ยนทางพันธุกรรมที่อาจส่งเสริมไมโครพลาสติก

การศึกษาพบความแตกต่างในชุมชนแบคทีเรียและไวรัสที่อาศัยอยู่ในไมโครพลาสติกเมื่อเทียบกับอนุภาคในธรรมชาติในแม่น้ำเป่ยหลุน แม้ว่าความหลากหลายจะยังคงคล้ายคลึงกันในแต่ละพื้นที่ แต่ประเภทของไมโครพลาสติกมีอิทธิพลต่อองค์ประกอบของชุมชน ที่สำคัญ นักวิจัยระบุเชื้อก่อโรคและ ARG ที่มีศักยภาพที่เกี่ยวข้องกับแบคทีเรียและไวรัสบนไมโครพลาสติก พวกเขาสังเกตเห็นหลักฐานของการถ่ายโอนยีนในแนวนอนระหว่างไวรัสและแบคทีเรีย ซึ่งบ่งชี้ว่าไมโครพลาสติกอาจมีส่วนทำให้ความต้านทานต่อยาต้านจุลชีพแพร่กระจายในสภาพแวดล้อมทางน้ำ ผลการศึกษานี้เน้นย้ำถึงความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของประชาชนที่อาจเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้องกับมลพิษจากไมโครพลาสติก