Ochrona Big Blue: ratowanie fagów

Rozpoczęła się era plastiku, która z pewnością potrwa dziesięciolecia, a nawet dłużej. Materiały na bazie polimerów są niemal wszędzie, docierają nawet do najgłębszych rejonów oceanów, a ich globalna produkcja przewyższa recykling, prowadząc do generowania ogromnych ilości zanieczyszczeń wody mikroplastikami. Te maleńkie cząsteczki polimeru nie tylko uwalniają chemikalia, ale także zmniejszają liczbę bakteriofagów. Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pod kierunkiem prof. Jan Paczesny zgłębił to pole, ukazując skalę tego problemu. W swojej pracy badali wpływ mikrodrobin plastiku na zakaźność bakteriofagów w środowisku wodnym.

Trudno wyobrazić sobie świat bez produktów na bazie tworzyw sztucznych. Materiały syntetyczne znajdują zastosowanie we wszystkich dziedzinach życia, od tekstyliów, opakowań do żywności i farmacji po materiały stosowane w budownictwie. Są nieodzowną częścią życia ze względu na swoją wielofunkcyjność. Tworzywa sztuczne są lekkie, łatwe do formowania, odporne na warunki środowiskowe i tańsze niż wiele innych materiałów syntetycznych, co czyni je tak popularnymi. Jednak niekoniecznie są one przyjazne dla zdrowia i środowiska, zwłaszcza gdy cząsteczki plastiku są małe. Docierając do zbiorników wodnych, materiały syntetyczne łatwo ulegają mechanicznemu rozdrobnieniu na jeszcze mniejsze kawałki. Mogą również ulegać degradacji pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, degradacji chemicznej, a nawet biodegradacji, dzięki czemu małe cząsteczki plastiku długo przepływają w zbiornikach wodnych. Te mikroplastiki o średnicy mniejszej niż 5 mm lub mniejsze kawałki, takie jak nanoplastik (nawet milion razy mniejszy niż mikroplastik), są wszędzie, nawet w wodzie z kranu lub mleku ssaków. Kiedy te małe cząsteczki plastiku dostają się do środowiska, stają się poważnym problemem dla systemów wodnych, takich jak jeziora, rzeki, morza, a nawet oceany, gdzie powoli się rozkładają, uwalniając wiele szkodliwych chemikaliów. Niestety ich lista jest dość długa, zaczynając od plastyfikatorów, pigmentów i środków zmniejszających palność, a skończywszy nawet na jonach metali ciężkich, które mogą powodować wiele zaburzeń czy chorób. Ponadto powierzchnia mikroplastiku adsorbuje związki organiczne, które działają jako magazyn żywności dla biofilmów drobnoustrojów, co prowadzi do braku równowagi między określonymi grupami mikroorganizmów tworzących biofilmy, w tym bakteriofagami.

Tu zaczyna się historia nauki. Ostatnio zespół prof. Jan Paczesny z Instytutu Chemii Fizycznej PAN zademonstrował wpływ różnych mikroplastików na różne typy bakteriofagów w środowisku wodnym. W swojej pracy naukowcy wykorzystali dwanaście różnych rodzajów powszechnie stosowanych polimerów, na przykład poliwęglan (PC), polietylen (PE), PET, poli(metakrylan metylu) (PMMA), polipropylen (PP) itp., pocięli je na drobne kawałki i wykorzystał je jako źródła dla wszystkich przygotowanych materiałów.

„Starannie wybieramy polimery klasy przemysłowej, aby odzwierciedlały rzeczywiste źródła mikrodrobin plastiku w środowisku. Próbki polimerów przygotowaliśmy poprzez mechaniczne rozdrabnianie większych kawałków tworzyw sztucznych klasy handlowej. Proces ten symuluje powstawanie fragmentów plastiku w środowisku”. – mówi prof. Jana Paczęsnego.

Brzmi łatwo, prawda? W rzeczywistości eksperyment jest znacznie bardziej skomplikowany, aby symulować naturalne warunki środowiskowe. Oprócz wielu cech wpływających na eksperyment, ważną rolę odgrywają odcieki powszechnie stosowane jako dodatki polimerowe. Naukowcy odkryli korelację między spadkiem liczby bakteriofagów na powierzchni mikroplastiku a obecnością określonych odcieków.

Co ciekawe, spadek liczby fagów na powierzchni mikroplastiku może podlegać dwóm różnym mechanizmom. Pierwsza dotyczy obecności odcieków, które mogą dezaktywować do 50% fagów. Drugi koreluje z pewnymi rozmiarami materiałów polimerowych, gdzie generowanie nano i submikrocząstek odgrywa kluczową rolę, a adsorpcja skutkuje eliminacją fagów.

prof. Paczesny zauważa – „Efekt substancji wymywalnych mierzono po ekspozycji fagów nie na same cząsteczki, ale na bufor wstępnie inkubowany z mikroplastikami. Do oceny miana fagów zastosowano metodę liczenia płytek z podwójnym pokryciem. Zastosowaliśmy klasyczny model regresji liniowej, aby zweryfikować, które parametry fizykochemiczne (przetestowano 65 zmiennych) rządzą spadkiem miana faga”.

Praca badawcza koncentruje się na korelacji między liczbą fagów a właściwościami fizykochemicznymi mikroplastików jako wstępu do szerokiego zakresu badań ekotoksykologicznych. Ponieważ bakteriofagi codziennie eliminują do 40% biomasy bakteryjnej, odgrywają istotną rolę w utrzymaniu homeostazy społeczności bakteryjnej we wszystkich środowiskach, od Big Blue po ścieki. Gdy mikroplastik dostanie się do środowiska, jego powierzchnia zawiera warstwę biofilmu, która przyspiesza kolonizację mikroorganizmów i tu leży problem. Wiele szczepów bakterii przenoszonych przez mikroplastiki może kolonizować się w sposób niekontrolowany. W efekcie mogą wpływać na ekosystemy w niektórych strefach wodnych bez kontroli fagów, wpływając nie tylko na zwierzęta, ale także na ludzi. Co to oznacza w praktyce? Przyjrzyjmy się owocom morza. Mikroplastik dociera do przewodu pokarmowego ryb i innych zwierząt, zaburzając florę bakteryjną jelit i tworząc agregaty w innych tkankach. Dlatego, gdy je spożywamy, ten mikroplastik dostaje się do naszego układu pokarmowego i wraz ze zmniejszaniem się wielkości tych kawałków polimeru może również gromadzić się w organizmie, co może prowadzić do poważnych problemów zdrowotnych. Brzmi to zniechęcająco, ale z ustaleń naukowców IChF PAN jasno wynika, że ​​narastające zanieczyszczenie środowiska mikroplastikami może mieć dramatyczny wpływ na globalne ekosystemy.

Na podstawie tych ustaleń główne przesłanie brzmi: właściwy recykling i głęboka potrzeba ograniczenia plastiku w naszym życiu!

Praca nad wpływem mikroplastiku na fagi została opublikowana 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.