Na ratunek bakteriofagom

Żyjemy w „erze plastiku”, która z pewnością będzie trwała przez kolejne dekady, a może nawet dłużej. Materiały na bazie tworzyw sztucznych można znaleźć wszędzie i co gorsza, trafiają nawet do na dna oceanów. Ich produkcja i zużycie są większe niż recykling, co prowadzi do generowania ogromnych ilości zanieczyszczeń środowiska, a w szczególności wody mikroplastikami. Te niewielkie cząstki tworzyw sztucznych nie tylko uwalniają chemikalia, ale także mogą wpływać na ekosystem. Niedawno badacze z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pod kierunkiem prof. Jana Paczesnego badali wpływ mikroplastiku na ilość bakteriofagów w środowisku wodnym. Przyjrzyjmy się ich badaniom.

Wyobrażenie sobie świata bez produktów na bazie tworzyw sztucznych stanowi nie małe wyzwanie. Syntetyczne materiały używane są na co dzień w każdej sferze życia od ubrań, opakowań na żywność i leków, aż po materiały stosowane w budownictwie. Ze względu na swoją funkcjonalność stanowią nieodzowną część życia. Tworzywa sztuczne są lekkie, łatwe w ukształtowaniu, odporne na warunki środowiskowe i znacznie tańsze niż wiele innych materiałów co czyni je tak popularnymi. Jednak, niekoniecznie są one przyjazne dla zdrowia i środowiska, zwłaszcza gdy cząstki tworzywo sztuczne ma niewielki rozmiar. Przedostając się do zbiorników wodnych, materiały syntetyczne łatwo ulegają mechanicznemu rozdrobnieniu na coraz to mniejsze kawałki. Mogą również ulegać degradacji pod wpływem promieniowania UV, degradacji chemicznej, a nawet biodegradacji, z tego powodu małe cząstki tworzyw sztucznych bardzo długo pływają w zbiornikach wodnych i gromadzą się w nich. Mikroplastik o średnicy poniżej 5 mm lub mniejsze kawałki takie jak nanoplastik są wszędzie, nawet w wodzie pitnej czy mleku ssaków. Po przedostaniu się do środowiska stanowi poważny problem dla systemów wodnych, takich jak jeziora, rzeki, morza, a nawet oceany, gdzie powoli się rozkłada, uwalniając wiele szkodliwych związków. Niestety ich lista jest dość długa, począwszy od plastyfikatorów, pigmentów po jony metali ciężkich co w efekcie może powodować wiele zaburzeń lub chorób. Co więcej, powierzchnia mikroplastiku adsorbuje różne związki organiczne, pełniąc funkcję m.in. magazynu pokarmu dla wielu drobnoustrojów, a to prowadzi do zachwiania równowagi między poszczególnymi grupami mikroorganizmów tworzących biofilm.

Niedawno zespół prof. Jana Paczesnego z Instytutu Chemii Fizycznej PAN wykazał wpływ różnych mikroplastików na różne typy bakteriofagów w środowisku wodnym. W swojej pracy naukowcy wykorzystali dwanaście różnych rodzajów powszechnie stosowanych polimerów, np. poliwęglan (PC), polietylen (PE), poli(metakrylan metylu) (PMMA), polipropylen (PP) itd., które poddano rozdrobnieniu, a następnie wykorzystano jako mikroplastik.

„W naszych badaniach wybraliśmy powszechnie stosowane polimery, aby odzwierciedlić mikroplastik w środowisku. Próbki polimerów przygotowaliśmy poprzez mechaniczne rozdrabnianie większych kawałków ogólnodostępnych i sosowanych w przemyśle tworzyw sztucznych”. – twierdzi prof. Jan Paczesny.

Brzmi prosto, nieprawdaż? W rzeczywistości eksperyment mający na celu symulację naturalnych warunków środowiskowych jest znacznie bardziej skomplikowany. Oprócz wielu cech wpływających na przebieg eksperymentu, ważną rolę odgrywają powszechnie stosowane związki stosowane jako dodatki do polimerów. W badaniach zespołu prof. Paczesnego wykazano korelacje między wzrostem liczby bakteriofagów na powierzchni mikroplastiku a obecnością poszczególnych związków wypływających w środowisku wodnym z tworzy sztucznych.

Co ciekawe, zwiększenie liczby fagów na powierzchni mikroplastiku może być spowodowany przez dwa różne procesy. Pierwszy dotyczy obecności wyciekających z polimerów związków, które mogą dezaktywować nawet 50% fagów. Drugi z kolei koreluje z rozmiarami materiałów polimerowych, gdzie kluczową rolę odgrywa generowanie nano- i submikrocząstek, prowadząc do adsorpcji fagów.

Jak zauważa prof. Paczesny - „Wpływ substancji wypływających z polimerów na fagi badaliśmy w buforze zawierającym mikroplastik. Badania prowadzone były na odpowiednich płytkach po czym zastosowaliśmy klasyczny model regresji liniowej, aby sprawdzić, które parametry fizykochemiczne (przetestowano 65 zmiennych) wpływają na ilość fagów w próbkach”.

Praca badawcza koncentruje się na korelacji między liczbą fagów a właściwościami fizykochemicznymi mikroplastiku, stanowiąc wstęp do szerokiego zakresu badań ekotoksykologicznych, ponieważ bakteriofagi każdego dnia niszczą nawet do 40% biomasy bakteryjnej. Odgrywają istotną rolę w utrzymaniu homeostazy kultur bakterii we wszystkich środowiskach, od oceanu po ścieki. Gdy mikroplastik dostanie się do środowiska, na jego powierzchni znajduje się warstwa biofilmu, która wpływa na kolonizację mikroorganizmów i tu pojawia się problem. Transportowane przez mikroplastiki różne szczepy bakterii mogą rozrastać się w sposób niekontrolowany. W efekcie mogą wpływać na ekosystemy w niektórych strefach wodnych bez kontroli fagów atakujących nie tylko zwierzęta, ale także ludzi. Co to oznacza w praktyce? Przyjrzyjmy się owocom morza. Mikroplastik docierając do przewodu pokarmowego ryb i innych zwierząt zaburza florę bakteryjną jelit, a także gromadzi się w innych tkankach. Dlatego, gdy spożywamy mikroplastik, przedostaje się on do naszego układu pokarmowego, a wraz ze zmniejszeniem się rozmiaru kawałków polimeru mogą również gromadzić się w organizmie, a to może prowadzić do poważnych problemów zdrowotnych. Stąd obserwowany spadek liczby fagów na powierzchni mikroplastiku może wpływać na cały łańcuch pokarmowy. Brzmi przerażająco, ale z ustaleń naukowców z IChF PAN jasno wynika, że rosnące zanieczyszczenie środowiska mikroplastikami może mieć dramatyczny wpływ na globalne ekosystemy.

Patrząc na wyniki badań naukowców nasuwa się wniosek: Musimy ograniczyć ilość tworzyw sztucznych w życiu!

Prace nad wpływem mikroplastiku na fagi zostały opublikowane w czasopiśmie Journal of Environmental Quality. Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu PRELUDIUM BIS 2020/39/O/ST5/01017 oraz grantu SONATA BIS 2017/26/E/ST4/00041.

KONTAKT:

dr hab. Jan Paczesny, profesor Instytutu

                Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie

                tel.: +48 22 3432071

                email: jpaczesny@ichf.edu.pl

ARTYKUŁ NAUKOWY:

Enkhlin Ochirbat, Rafał Zbonikowski, Anna Sulicka, Bartłomiej Bończak, Magdalena Bonarowska, Marcin Łoś, Elżbieta Malinowska, Robert Hołyst, Jan Paczesny

Heteroaggregation of virions and microplastics reduces the number of active bacteriophages in aqueous environments

Journal of Environmental Quality. 2023; 52:665–677

https://doi.org/10.1002/jeq2.20459