Untersuchung der Auswirkungen von Mikroplastik auf die Infektiosität von Bakteriophagen in einer wässrigen Umgebung

Materialien auf Polymerbasis kommen fast überall vor und reichen sogar bis in die tiefsten Regionen der Ozeane. Ihre weltweite Produktion übersteigt das Recycling, was zu einer enormen Wasserverschmutzung durch Mikroplastik führt. Diese winzigen Polymerpartikel setzen nicht nur Chemikalien frei, sondern reduzieren auch die Zahl der Bakteriophagen.

Kürzlich haben Forscher des Instituts für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Prof. Jan Paczesny dieses Gebiet erforscht und das Ausmaß des Problems aufgezeigt. In ihrer Arbeit untersuchten sie die Auswirkungen von Mikroplastik auf die Infektiosität von Bakteriophagen in einer wässrigen Umgebung.

Es ist schwer, sich eine Welt ohne Produkte auf Kunststoffbasis vorzustellen. Synthetische Materialien werden in allen Lebensbereichen verwendet, von Textilien über Lebensmittelverpackungen und Pharmazie bis hin zu Materialien, die in der Bauindustrie verwendet werden. Aufgrund ihrer Multifunktionalität sind sie aus dem Leben nicht mehr wegzudenken. Kunststoffe sind leicht, leicht formbar, resistent gegen Umwelteinflüsse und günstiger als viele andere synthetische Materialien, was sie so beliebt macht.

Allerdings sind sie nicht unbedingt gesundheits- und umweltfreundlich, zumal die Plastikpartikel immer kleiner werden. An den Wasserreservoirs angekommen, werden synthetische Materialien leicht mechanisch in noch kleinere Stücke zersplittert. Sie können auch durch UV-Strahlung, chemischen Abbau oder sogar biologischen Abbau abgebaut werden, sodass kleine Kunststoffpartikel sehr lange in den Wasserreservoirs fließen. Solches Mikroplastik mit einem Durchmesser unter 5 mm oder kleinere Stücke wie Nanoplastik (sogar eine Million Mal kleiner als Mikroplastik) sind überall, sogar im Leitungswasser oder der Milch von Säugetieren.

Wenn diese winzigen Plastikpartikel in die Umwelt gelangen, werden sie zu einem ernsthaften Problem für Gewässersysteme wie Seen, Flüsse, Meere und sogar Ozeane, wo sie sich langsam zersetzen und viele schädliche Chemikalien freisetzen. Leider ist die Liste ziemlich lang und reicht von Weichmachern, Pigmenten und Flammschutzmitteln bis hin zu Schwermetallionen, die viele Störungen oder Krankheiten verursachen können. Darüber hinaus adsorbiert die Oberfläche von Mikroplastik organische Verbindungen, die als Nahrungsspeicher für mikrobielle Biofilme dienen, was zu einem Ungleichgewicht zwischen den einzelnen Gruppen von Mikroorganismen, die Biofilme bilden, einschließlich Bakteriophagen, führt.

Hier beginnt die Wissenschaftsgeschichte. Kürzlich hat das Team von Prof. Jan Paczesny vom Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften die Auswirkungen verschiedener Mikroplastiken auf verschiedene Arten von Bakteriophagen in wässrigen Medien nachgewiesen. In ihrer Arbeit verwendeten die Wissenschaftler zwölf verschiedene Arten häufig verwendeter Polymere, z. B. Polycarbonat (PC), Polyethylen (PE), PET, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polypropylen (PP) usw., und schnitten sie in winzige Stücke und nutzte sie als Quellen für alle vorbereiteten Materialien.

„Wir haben mit Bedacht Polymere in Industriequalität ausgewählt, um die tatsächlichen Quellen von Mikroplastik in der Umwelt widerzuspiegeln. Wir haben Polymerproben vorbereitet, indem wir größere Stücke von Kunststoffen in Handelsqualität mechanisch zerkleinert haben. Dieser Prozess simuliert, wie Kunststofffragmente in der Umwelt entstehen“, sagt Prof. Jan Paczesny.

Klingt einfach, oder? Tatsächlich ist das Experiment viel komplizierter, die natürlichen Umweltbedingungen zu simulieren. Neben vielen Einflussfaktoren auf den Versuch spielen auch die üblicherweise verwendeten Sickerwässer als Polymerzusätze eine wichtige Rolle. Forscher fanden einen Zusammenhang zwischen der Abnahme der Bakteriophagen auf der Oberfläche des Mikroplastiks und dem Vorhandensein bestimmter Sickerwässer.

Interessanterweise kann die Abnahme der Phagenzahl auf der Oberfläche von Mikroplastik zwei verschiedene Mechanismen durchlaufen. Die erste bezieht sich auf das Vorhandensein von Sickerwasser, das sogar 50 % der Phagen deaktivieren kann. Die zweite hängt mit bestimmten Größen von Polymermaterialien zusammen, bei denen die Erzeugung von Nano- und Submikropartikeln eine Schlüsselrolle spielt und die Adsorption zum Abfangen von Phagen führt.

Prof. Paczesny sagt: „Die Wirkung von auslaugbaren Stoffen wurde gemessen, als die Phagen nicht den Partikeln selbst, sondern dem mit Mikroplastik vorinkubierten Puffer ausgesetzt wurden. Zur Bestimmung der Phagentiter wurde eine Plaque-Zählmethode mit doppelter Überlagerung verwendet. Wir verwendeten dazu ein klassisches lineares Regressionsmodell.“ überprüfen, welche physikalisch-chemischen Parameter (65 Variablen wurden getestet) die Abnahme der Phagentiter steuern.“

Die Forschungsstudie konzentriert sich auf den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Phagen und den physikalisch-chemischen Eigenschaften von Mikroplastik als Einführung in das breite Feld ökotoxikologischer Studien. Da die Bakteriophagen täglich bis zu 40 % der bakteriellen Biomasse zerstören, spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Homöostase in der Bakteriengemeinschaft in allen Umgebungen, vom Big Blue bis zum Abwasser. Sobald das Mikroplastik in die Umwelt gelangt, beherbergt seine Oberfläche die Biofilmschicht, die die Ansiedlung von Mikroorganismen fördert, und hier liegt das Problem.

Durch das Mikroplastik transportiert, können sich viele Bakterienstämme unkontrolliert ansiedeln. Dadurch können sie ohne die Kontrolle der Phagen Ökosysteme in bestimmten Wasserzonen beeinträchtigen und nicht nur Tiere, sondern auch Menschen betreffen. Was bedeutet es in der Praxis? Werfen wir einen Blick auf die Meeresfrüchte. Mikroplastik gelangt in den Verdauungstrakt von Fischen und anderen Tieren, stört die Darmbiota und bildet Aggregate in anderen Geweben. Wenn wir sie konsumieren, gelangt solches Mikroplastik daher in unser Verdauungssystem und kann sich mit abnehmender Größe dieser Polymerstücke auch im Körper ansammeln, was zu schwerwiegenden Gesundheitsproblemen führen kann. Es klingt beängstigend, aber aus den Erkenntnissen der Wissenschaftler des IPC PAS geht klar hervor, dass die zunehmende Umweltverschmutzung durch Mikroplastik dramatische Auswirkungen auf globale Ökosysteme haben kann.

Die Arbeit zur Mikroplastikwirkung auf Phagen ist im veröffentlicht Zeitschrift für Umweltqualität.