Mikroplastik pod okiem naukowca

Witamy w Plastisferze, czyli opowieść o tym jak mikroorganizmy kolonizują (mikro)odpady z tworzyw sztucznych! 

Wszyscy wiemy o tym, że plastik stanowi poważne zagrożenie dla środowiska – również wodnego. Wystarczy przywołać w pamięci zdjęcie żółwia z wbitą w nozdrza plastikową słomką lub konika morskiego trzymającego plastikowy patyczek do uszu… A to tylko problemy w makroskali! Spróbujmy więc zmniejszyć się do wielkości pyłku sosny lub nieco większej muszki owocowej, czyli do pojedynczej cząstki mikroplastiku – syntetycznej drobinki o rozmiarach nieprzekraczających 5 mm. 

Mikroplastik obecny w środowisku możemy na podstawie jego początkowego gabarytu podzielić na “wtórny” i „pierwotny” [3]. Co różni obie te grupy?

Około 80% plastiku obecnego w środowisku wodnym pochodzi z lądu, np. zostaje przynoszone przez wiatr z zaśmieconych plaż czy nieprawidłowo zabezpieczonych wysypisk lub wpada do akwenów wraz z nurtem rzek [2]. Po(d)rzucony w ten sposób plastik pod wpływem ekspozycji na światło słoneczne (fotodegradacja), działania sił mechanicznych czy reakcji z substancjami w otoczeniu (rozpad chemiczny) dzieli się na coraz mniejsze fragmenty, aż do osiągnięcia mikroskopijnych rozmiarów [3]. Powstałe w ten sposób mikrodrobiny tworzyw sztucznych zaliczamy do grupy “wtórnej”, bo powstałej (niecelowo) w wyniku rozpadu makro- (>2,5 cm) i mezo-plastiku (5 mm – 2,5 cm).

Zatem, jak się już pewnie domyślasz, mikroplastik “pierwotny” jest bezpośrednio i celowo wytwarzany przez człowieka, a następnie wykorzystywany np. w produktach higieny osobistej, takich jak pasty do zębów, peelingi, szampony, kremy lub …… (tu wpisz wybrany kosmetyk z półki nad umywalką). Taki mikroplastik z naszych łazienek przedostaje się do wód ściekowych, po czym finalnie trafia do zbiorników wodnych i… zaczyna żyć własnym życiem i to jakim!

Mikroplastik nie jest obojętny w kontakcie z wodą, gdyż może adsorbować składniki odżywcze i materię organiczną z otoczenia… a od tego już tylko krok do wytworzenia na jego powierzchni biofilmu mikroorganizmów [10]. Czym właściwie jest biofilm? Jest to zbiorowisko mikroorganizmów (składające się z przedstawicieli jednego lub wielu gatunków), osadzonych w wytworzonej przez nie macierzy pełniącej funkcję spoiwa. Bardzo ważną cechą biofilmu jest to, że drobnoustroje wchodzące w jego skład są zdolne do pełnienia odmiennych funkcji (w zależności od ich umiejscowienia w tej strukturze), co pozwala skupiskom mikroorganizmów funkcjonować w warunkach, w których nie mogłyby przeżyć pojedyncze komórki. Specyficzny rodzaj biofilmu tworzony na powierzchni mikroplastiku nazywamy właśnie tytułową PLASTISFERĄ (ang. plastisphere). 

Mikroplastik można zatem uznać za nową niszę mikrobiologiczną w środowisku, szczególnie liczną na otwartych wodach (tzw. wodach pelagialnych) [12]. Czy obecność plastisfer może mieć potencjalne konsekwencje dla wodnych sieci pokarmowych, procesów biogeochemicznych oraz zdrowia zwierząt i roślin? Co na ten temat wiadomo?

Na pewno wiadomo to, że biofilmy tworzące się na mikroplastiku różnią się znacznie od tych spotykanych na naturalnie występujących w wodzie mikrocząstkach, takich jak fragmenty drewna [7], celuloza czy kruszywo [9]. Analiza szlaków metabolicznych wykazała, że ​​mikroorganizmy kolonizujące drobinki plastiku są mniej ruchliwe, ale za to mają większy potencjał biodegradacyjny i metabolizowania ksenobiotyków [5] niż drobnoustroje kolonizujące mikrocząstki pochodzenia naturalnego.

Pomimo wielu badań jak dotąd nie udało się wyciągnąć spójnych wniosków, porównując różnorodność i bogactwo drobnoustrojów występujących na materiałach sztucznych i naturalnych. Wydaje się również, że interakcje między mikroorganizmami a cząstkami mikroplastiku mają w pewnym stopniu ograniczony wpływ na ekosystemy oceaniczne, gdyż większość komórek kolonizujących mikroplastik należy do gatunków oportunistycznych (wszechstronnych siedliskowo), które “nie rozróżniają” powierzchni naturalnych i sztucznych. 

Nie mniej jednak obserwacje poczynione w warunkach laboratoryjnych wskazują, że skład gatunkowy drobnoustrojów zasiedlających mikroplastik może istotnie różnić się od tych kolonizujących mikrocząstki pochodzenia naturalnego pomimo zastosowania w obu przypadkach identycznej wyjściowej puli mikroorganizmów [9].

Należy również pamiętać o tym, że mikroplastik może przenosić na swojej powierzchni potencjalnie patogenne drobnoustroje (pochodzące z oczyszczalni ścieków czy dróg pokarmowych zwierząt) [8] lub takie gatunki, które wcześniej nie były spotykane w danym środowisku, co z kolei może zaburzyć dany ekosystem. Badania sugerują, że przedstawiciele rodzaju Vibrio (do którego należą gatunki bakterii chorobotwórczych, np. Przecinkowiec cholery) są szczególnie często (a na pewno częściej niżby to wynikało z czystej przypadkowości) identyfikowane na powierzchni mikrodrobin tworzyw sztucznych [13].

Co więcej badania materiału genetycznego mikroorganizmów tworzących plastisfery wskazują na zwiększoną obecność genów oporności na antybiotyki i metale w porównaniu do mikroorganizmów swobodnie unoszących się w otaczającej wodzie [11]. Dodatkowo, w związku z tym, że bakterie są zdolne do przekazywania genów między sobą (nie tylko w obrębie jednego szczepu czy gatunku) może dochodzić do zwiększenia częstości tego procesu i rozprzestrzeniania się genów (w tym również tych warunkujących oporność na ksenobiotyki) [1] w obrębie plastisfer, w których mikroorganizmy pozostają w ścisłej relacji ekologicznej.

Należy pamiętać, że mikroplastik został wprowadzony do środowiska stosunkowo niedawno, a jego ilość z czasem rośnie. To prowadzi do zwiększenia liczby plastisfer, a co za tym idzie zwiększenia liczebności i różnorodności drobnoustrojów kolonizujących mikroplastik.

Chociaż naukowcy nieustannie alarmują o niebezpieczeństwie wynikającym z obecności mikroplastiku w środowisku, według najnowszych badań możliwe jest, że zasięg tego zjawiska został mocno niedoszacowany [6]. Przeczesywanie mórz i oceanów przy użyciu siatek o oczkach 3-5 razy mniejszych w porównaniu do dotychczas używanych skutkuje zebraniem nawet 10-krotnie więcej drobin tworzyw sztucznych, w tym tzw. nanoplastiku (czyli drobin nie większych niż 1 mikrometr) [4]. Ten ostatni stanowi największy problem z punktu widzenia zanieczyszczeń, ponieważ osiągnąwszy tak dalece posunięty poziom rozdrobnienia staje się praktycznie niemożliwy do usunięcia ze środowiska.

Dlatego tak ważne są badania plastisfery, zarówno pod kątem ich składu gatunkowego, oddziaływań pomiędzy mikroorganizmami je tworzącymi, a przede wszystkim pod kątem ich potencjału biodegradacyjnego. Być może pozwoli to w przyszłości na zidentyfikowanie mikroorganizmów skutecznie rozkładających drobiny tworzyw sztucznych i zapewni oręż do walki z zalewającym nas plastikiem. Trzymajmy więc kciuki za naukowców, ale też weźmy sprawy w swoje ręce i ograniczajmy zużycie plastiku!

 

[1] Arias-Andres M., Klümper U., Rojas-Jimenez K., Grossart H.P.: Microplastic pollution increases gene exchange in aquatic ecosystems. Environ. Pollut., 2018; 237: 253–261;

[2] Auta H.S., Emenike C.U., Fauziah S.H.: Distribution and importance of microplastics in the marine environment: A review of the sources, fate, effects, and potential solutions. Environment International, 2017; 102: 165–176;

[3] Cole M., Lindeque P., Halsband C., Galloway T.S.: Microplastics as contaminants in the marine environment: A review. Marine Pollution Bulletin, 2011; 62: 2588–2597;

[4] Gigault J., Halle A. ter, Baudrimont M., Pascal P.Y., Gauffre F., Phi T.L., El Hadri H., Grassl B., Reynaud S.: Current opinion: What is a nanoplastic? Environmental Pollution, 2018; 235: 1030–1034;

[5] Jiang P., Zhao S., Zhu L., Li D.: Microplastic-associated bacterial assemblages in the intertidal zone of the Yangtze Estuary. Sci. Total Environ., 2018; 624: 48–54;

[6] Lindeque P.K., Cole M., Coppock R.L., Lewis C.N., Miller R.Z., Watts A.J.R., Wilson-McNeal A., Wright S.L., Galloway T.S.: Are we underestimating microplastic abundance in the marine environment? A comparison of microplastic capture with nets of different mesh-size. Environmental Pollution, 2020; 265: 114721;

[7] Oberbeckmann S., Kreikemeyer B., Labrenz M.: Environmental Factors Support the Formation of Specific Bacterial Assemblages on Microplastics. Front. Microbiol., 2018; 8: ;

[8] Oberbeckmann S., Löder M.G.J., Labrenz M.: Marine microplastic-associated biofilms – a review. Environ. Chem., 2015; 12: 551–562;

[9] Ogonowski M., Motiei A., Ininbergs K., Hell E., Gerdes Z., Udekwu K.I., Bacsik Z., Gorokhova E.: Evidence for selective bacterial community structuring on microplastics. Environmental Microbiology, 2018; 20: 2796–2808;

[10] Shen M., Zhu Y., Zhang Y., Zeng G., Wen X., Yi H., Ye S., Ren X., Song B.: Micro(nano)plastics: Unignorable vectors for organisms. Mar. Pollut. Bull., 2019; 139: 328–331;

[11] Yang Y., Liu G., Song W., Ye C., Lin H., Li Z., Liu W.: Plastics in the marine environment are reservoirs for antibiotic and metal resistance genes. Environment International, 2019; 123: 79–86;

[12] Yang Y., Liu W., Zhang Z., Grossart H.P., Gadd G.M.: Microplastics provide new microbial niches in aquatic environments. Appl Microbiol Biotechnol, 2020; 104: 6501–6511;

[13] Zettler E.R., Mincer T.J., Amaral-Zettler L.A.: Life in the “Plastisphere”: Microbial Communities on Plastic Marine Debris. Environ. Sci. Technol., 2013; 47: 7137–7146;

Autorka:

Joanna Klim

wolontariuszka Polskiego Stowarzyszenia Zero Waste