Нанопластик все чаще признается угрозой для здоровья человека, но новые исследования показывают, что его опасность не ограничивается прямым воздействием. Взаимодействуя с бактериями в системах водоснабжения, нанопластик может изменять поведение микроорганизмов таким образом, что биопленки становятся более прочными, устойчивыми к дезинфицирующим средствам и потенциально более сложными для контроля. Фото: Shutterstock

Крошечные частицы пластика могут незаметно менять микрофлору в системах водоснабжения.

Нанопластик уже вызывает опасения, поскольку люди могут проглотить его. Теперь учёные говорят, что эти крошечные частицы могут представлять опасность другого рода, когда попадают в воду: они могут способствовать тому, что бактерии становятся более устойчивыми и их сложнее удалить.

Исследование, проведённое в Water Research под руководством Цзинцю Ляо из Политехнического университета Виргинии в сотрудничестве с международными партнёрами, показало, что нанопластик может влиять на поведение микробов в окружающей среде, что может косвенно сказаться на здоровье человека. Опасность заключается не только в том, что частицы могут делать в организме, но и в том, что они могут стимулировать в системах водоснабжения, на которые люди полагаются каждый день.

«Очень важно лучше понимать, как нанопластик влияет на здоровье человека, причём не только на людей, но и на окружающую среду, которая косвенно влияет на здоровье человека, — говорит Ляо, доцент кафедры гражданского и экологического строительства. — Нанопластик может способствовать выживанию патогенов, устойчивых к противомикробным препаратам, что может нанести вред окружающей среде и иметь последствия для общественного здравоохранения».

Одной из основных проблем является дезинфекция. Системы водоснабжения зависят от этапов очистки, направленных на сдерживание роста микроорганизмов, но, как сообщают исследователи, нанопластик может повышать устойчивость к дезинфицирующим средствам. Такое изменение может усложнить процесс очистки и распределения воды, особенно если микробы будут лучше сохраняться на поверхности труб и снова появляться ниже по течению.

«Когда нанопластик взаимодействует с биопленкой и бактериями внутри нее, он может укрепить биопленку и сделать ее более устойчивой к любым мерам, направленным на поддержание чистоты воды», — говорит Ляо, который также является сотрудником Центра глобальных изменений Института наук о жизни Фралина.

Нанопластик относится к более широкой категории микропластика, но его частицы ещё меньше — примерно от одного до тысячи нанометров в диаметре, что намного меньше размера, различимого человеческим глазом. В этой работе команда исследователей сосредоточилась на том, что происходит, когда эти частицы влияют на образование биоплёнок в системах водоснабжения, где бактерии часто предпочитают жить на поверхности, а не свободно плавать.

Почему биоплёнки так важны

Биоплёнки образуются, когда различные бактерии оседают на поверхностях, например внутри водопроводных труб, и создают вокруг себя слизистый защитный слой. Это покрытие помогает им выдерживать стресс, в том числе условия, при которых отдельные клетки погибли бы или были бы смыты. В некоторых случаях биоплёнки могут быть полезны, так как помогают задерживать или расщеплять нежелательные вещества, но в системах распределения питьевой воды они могут представлять серьёзную опасность.

Ляо отметил, что риск зависит от того, какие микробы присутствуют и что они переносят. Некоторые бактерии в биопленках могут быть патогенными, а также могут быть носителями бактериофагов — вирусов. Эти вирусы могут изменять микробные сообщества, убивая одни бактерии, заставляя другие адаптироваться, а иногда влияя на перемещение генетического материала в популяции. До этого исследования учёные имели лишь ограниченное представление о том, как нанопластик может влиять на эти и без того сложные взаимосвязи внутри биопленок.

Пластиковые материалы не поддаются биологическому разложению. Они разрушаются в окружающей среде и в конечном итоге превращаются в мельчайшие наночастицы пластика. Фото: Фелиция Спенсер, Технологический институт Вирджинии

«Основной процесс, который нас особенно интересовал, — это взаимодействие бактерий и бактериофагов друг с другом в процессе воздействия нанопластика на биопленку в целом», — сказал Ляо, который также является сотрудником Центра новых, зоонозных и переносимых членистоногими патогенов Института наук о жизни Фралина.

Знания Ляо в области экологии микроорганизмов и метагеномного анализа сделали её идеальной кандидатурой для этого исследования. Она опубликовала исследования о роли почвы в распространении устойчивости к антибиотикам и недавно получила стипендию в рамках программы крупных грантов инженерного колледжа за работу над публикацией Nature Communications «Различная роль детерминированных и стохастических процессов в формировании экотипов почвенных бактерий в наземных экосистемах».

Как нанопластик влияет на поведение биоплёнок

По словам Ляо, исследователи обнаружили, что при воздействии нанопластика на биоплёнку, состоящую из кишечной палочки и синегнойной палочки, у бактерий запускается ряд реакций:

• Различные бактерии «общаются» друг с другом и выделяют вещества, которые делают биопленку толще, тяжелее и надежнее защищают ее.
• Профаги — фаги, которые встраивают свой геном (ДНК) в геном бактерий-хозяев, — активируются, разрушая бактериальные клетки, в которых они живут, и создавая множество новых вирусных частиц.
• Бактерии борются с профагами, используя кластеризованные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы (CRISPR) ДНК или РНК клеток в качестве противовирусной системы защиты.

В своём исследовании авторы приходят к выводу, что «повышенная механическая прочность биоплёнки и её устойчивость к дезинфицирующим средствам указывают на потенциальную проблему для систем очистки и распределения воды, поскольку нанопластик может способствовать образованию трудноизлечимых биоплёнок на поверхности некоторых систем очистки и распределения воды».

Ляо считает, что для лучшего понимания молекулярных механизмов, лежащих в основе экологической реакции сложных многовидовых биоплёнок на нанопластик, необходимы дополнительные исследования. Она также предполагает, что размер пластика имеет значение. Она отмечает, что микропластик, который крупнее нанопластика, может по-другому влиять на взаимодействие бактерий и фагов в биопленке.

«В целом наши результаты позволяют по-новому взглянуть на взаимодействие между нанопластиком и бактериями-фагами, а также указывают на повышенные риски для здоровья, связанные с нанопластиком в воде», — сказал Ляо.