河川のマイクロプラスチックが抗生物質耐性の微生物を広げる

Nature Water 誌に最近発表された研究で、科学者らはメタゲノムとバイオームの配列解析を用いて、マイクロプラスチック上のウイルスの分布、宿主との相互作用、抗生物質耐性遺伝子（ARG）の移動を調査した。

持続的なマイクロプラスチック汚染は人新世を特徴づける特徴であり、毒性物質の浸出と生物組織への直接浸透を通じて環境および公衆衛生上のリスクをもたらします。マイクロプラスチックは、微生物のコロニー形成とバイオフィルムの成長に適したニッチを形成し、多様な微生物群からなる「プラスチスフィア」を形成します。これらの表面は病原体を選択的に増殖させ、疾患伝播に影響を与える可能性があります。ウイルスは普遍的に存在するにもかかわらず、プラスチスフィアの研究ではほとんど無視されてきましたが、最近の証拠は、ウイルスがマイクロプラスチック上に残存し、細菌宿主と相互作用することを示唆しています。ウイルス群集とARG伝播がマイクロプラスチック上でもたらす生態学的影響、そしてそれらが環境と人間の健康に及ぼす影響を完全に理解するには、さらなる研究が必要です。

2021年3月、中国広西チワン族自治区の北龍河において、ポリエチレン（PE）とポリプロピレン（PP）の2種類のマイクロプラスチックに関する研究が行われた。河川沿いの5地点は、都市化の程度と物理化学的特性に基づき、農村部から都市部までの範囲で選定された。各地点において、マイクロプラスチック（PEとPP）と天然粒子（石、木、砂）2.0gを河川水中で培養した。マイクロプラスチックは70%エタノールで消毒し、滅菌水で洗浄した。天然粒子は、元々の細菌およびウイルス群集を除去するために滅菌処理した。培養期間は、30日以内にプラスチック上にバイオフィルムが形成されることを示す過去の研究に基づいて決定された。

培養後、マイクロプラスチック、天然粒子、および水サンプルを採取し、分析のために-20℃で保管しました。大きな粒子と草食動物は濾過により除去し、誘導結合プラズマ発光分光法を用いて金属濃度を測定しました。さらに、物理化学的特性と都市化レベルも測定しました。

DNAはFastDNA Spinキットを用いて抽出し、HiSeq Xプラットフォームでシーケンスしました。高品質なリードはオープンリーディングフレーム（ORF）を予測し、重複遺伝子を除去しました。細菌ゲノムは様々なバイオインフォマティクスツールを用いてアセンブルおよびアノテーションされました。ウイルスDNAは抽出、濃縮、シーケンスを行い、マイクロプラスチック上のウイルス群および潜在的なウイルスクラスターを同定しました。

メタゲノムシーケンシングを用いた解析により、北龍江流域のマイクロプラスチックサンプルから合計28,732種の細菌種が同定されました。優占門はプロテオバクテリア門、アシドバクテリア門、放線菌門、クロロフレクシス門で、細菌群集の52.6%を占めました。種の豊富さと均一性は、場所やマイクロプラスチックの種類による有意差は認められませんでした。25,883種からなるコア細菌群集は、検出された種全体の78.4%を占め、12,284種はPEサンプル1種を除くすべてのサンプルに共通していました。種の大部分（28,599種）はPEとPPのマイクロプラスチックに共通で、PEとPPにそれぞれ49種と84種が固有のものでした。

細菌種の約0.32%が潜在的病原体であり、11門から91種が検出されました。主要な病原体は、Burkholderia cepacia（13.29%）、Klebsiella pneumoniae（10.21%）、Pseudomonas aeruginosa（7.59%）でした。地点間の微生物群集の類似性には、有意な距離日効果が認められました（R2 = 0.842、P < 0.001）。NMDS分析では、PEマイクロプラスチックとPPマイクロプラスチックの細菌群集構造に違いが見られました。

ウイルス群集については、226,853カウントが得られ、そのほとんどが1,000 kb未満でした。ミオウイルス科とシフォウイルス科が優勢で、ウイルス存在量の58.8%を占めました。マイクロプラスチックの種類間で、ウイルスの豊富さと均一性には有意な差はありませんでした。ウイルス数は501属に分類され、そのうち364属はPEとPPに共通でした。地点間のウイルス群集には、有意な距離日効果が見られました。NMDS分析では、PEとPPのマイクロプラスチック間でウイルス群集に違いが見られました。

マイクロプラスチック上の細菌およびウイルス配列の機能遺伝子のアノテーションを、様々なデータベースを用いて実施した。ウイルス遺伝子のほとんどは未分類または十分に特徴づけられておらず、その一部は遺伝情報処理や細胞プロセスに関連していた。細菌の機能遺伝子も未分類であったが、その一部は代謝経路や生合成に関連していた。ウイルスおよび細菌の配列には金属耐性遺伝子（MRG）およびARGが見られ、最も多く見られたのはCu、Zn、As、Feに対する耐性であった。

細菌性ARGは主に多剤耐性遺伝子（マクロライド、リンコサミド、ストレプトグラミン（MLS）、テトラサイクリン）をコードしており、ウイルス性ARGはトリメトプリム、テトラサイクリン、MLSに対する耐性遺伝子を含んでいました。ウイルスと細菌宿主の間でARGとMRGの水平伝播が観察され、マイクロプラスチックを促進する遺伝子交換の可能性が示唆されました。

本研究では、北侖河において、マイクロプラスチックに定着する細菌群集とウイルス群集に、天然粒子との違いが明らかになりました。多様性は調査地点間でほぼ同様でしたが、マイクロプラスチックの種類が群集構成に影響を与えました。重要な点として、研究者らはマイクロプラスチック上の細菌およびウイルスに関連する潜在的な病原体および抗レトロウイルス薬（ARG）を特定しました。ウイルスと細菌間の水平遺伝子伝播の証拠が観察され、マイクロプラスチックが水環境における抗菌薬耐性の拡大に寄与している可能性が示唆されました。これらの知見は、マイクロプラスチック汚染に関連する潜在的な環境および公衆衛生リスクを浮き彫りにしています。