Может ли загрязнение микропластиком изменить важные сообщества водных бактерий?
Ученые обнаружили, что микропластик загрязняет множество сред по всему миру, включая океаны и береговые линии. Некоторые из этих пластиков попадают в особенно важную среду - прибрежные отложения, или слой ила под водой. В этих отложениях обитают разнообразные бактерии, которые играют ключевую роль в круговороте питательных веществ в экосистеме. Эти бактерии крайне важны для здоровой окружающей среды, но также легко подвержены влиянию загрязнения. К сожалению, мало что известно о том, как бактерии реагируют на загрязнение микропластиком. Мы изучили влияние различных видов микропластика на бактерии, обитающие в морских отложениях, а также их последующее воздействие на круговорот питательных веществ. Мы впервые обнаружили, что различные виды микропластика могут значительно изменять бактериальные сообщества и круговорот азота, что требует дальнейшего изучения для понимания долгосрочного воздействия на нашу природную среду.
Загрязнение микропластиком
Возможно, вы слышали о микропластике, но не знаете, что это такое и почему о нем говорят все. Микропластик - это маленькие кусочки пластика, как правило, шириной 5 мм (размером с карандашный ластик) или меньше. Пластмасса может быть изготовлена таким образом, чтобы быть размером с микропластик, например, в виде маленьких шариков, которые добавляют в средства по уходу за кожей или зубную пасту. Однако чаще всего микропластик образуется в результате распада более крупных кусков пластика. Это особенно актуально для океанской среды, где со временем скапливается много пластикового мусора, который подвергается воздействию ветра, волн и солнечного света, в результате чего образуется микропластик [ 1 ]!
Хотя это звучит просто, микропластик в окружающей среде - чрезвычайно сложный процесс. Это связано с тем, что существует множество различных видов пластика. Строительные блоки или "основа" любого пластика называются полимерами. Распространенные пластмассы чаще всего называются по имени их полимера, например, полиэтилен или поливинилхлорид. Кроме того, в пластик часто добавляют другие химические вещества, которые помогают ему выполнять свои функции. Эти так называемые добавки различны, но могут включать, например, цветные красители. Таким образом, ни один из двух микропластиков не похож на другой [ 2 ].
В последние годы ученые обнаружили, что загрязнение микропластиком широко распространено и растет в связи с ростом населения и увеличением использования пластика. Микропластик был обнаружен в океанах, озерах, реках и почвах, на отдаленных горных вершинах, внутри ледников и во взвешенном состоянии в воздухе [1]! В водной среде микропластик накапливается в осадочных породах - слоях грязи и ила, оседающих на дно под водой. В донных отложениях обитает множество различных животных, которые могут взаимодействовать с загрязнением микропластиком. Ученые пытаются понять, какое воздействие разнообразный микропластик может оказывать на живых существ [1].
Бактериальное сообщество донных отложений
Если вы исследуете донные отложения в ручьях, озерах и реках, то обнаружите множество живых организмов - червей, моллюсков и крабов, и это лишь некоторые из них. Но если вы исследуете осадок с помощью микроскопа, то увидите, что в нем также существует богатое сообщество микробов (т.е. организмов, которые нельзя увидеть невооруженным глазом)! Бактерии - это один из видов микробов, которых очень много в осадочных породах. Тысячи видов бактерий сосуществуют друг с другом, образуя бактериальное сообщество. Ученые описывают бактериальные сообщества осадочных пород по видам и количеству каждого вида. Эти бактериальные сообщества выполняют очень важную работу для всей экосистемы.
Одна из функций бактериальных сообществ донных отложений - преобразование питательных веществ. Питательные вещества необходимы растениям и животным (включая человека) для построения важнейших биомолекул, включая белки и ДНК. Вы получаете питательные вещества из пищи с помощью бактерий, обитающих в вашем кишечнике. Когда вы едите, бактерии в вашем пищеварительном тракте помогают переработать пищу, чтобы высвободить питательные вещества, необходимые вашему организму. Осадочные бактерии делают то же самое для организмов в воде. Когда органические материалы, такие как мертвые организмы или фекалии, опускаются в осадок, большинство питательных веществ все еще остаются в ловушке и недоступны для других живых организмов. Бактерии в донных отложениях расщепляют органический материал, высвобождая питательные вещества для себя и других организмов (рис. 1). В то же время они следят за тем, чтобы одного питательного вещества не было слишком много, что может нанести вред. Таким образом, бактериальное сообщество влияет на типы и здоровье высших организмов, которые могут жить в этой среде.
Цикл азота в донных отложениях
Важным питательным веществом, которое бактерии донных отложений помогают регулировать, является азот [ 3 ]. Цикл азота очень сложен, поэтому мы остановимся лишь на некоторых его особенностях. В донных отложениях и воде азот содержится во многих различных химических соединениях, включая аммоний (NH4 + ) и нитрат (NO3- ). Различные бактерии могут преобразовывать эти соединения из одной формы в другую. Два очень важных процесса преобразования в донных отложениях - это нитрификация и денитрификация. Оба процесса могут работать в комбинации, превращая аммоний в нитрат через нитрификацию, а нитрат в газообразный динитроген (N2) через денитрификацию (Рисунок 2A).
Наличие нужных бактерий в нужном количестве обеспечивает необходимый уровень аммония и нитратов в экосистеме. Если баланс нарушен, экосистема может измениться или пострадать. В частности, бактерий должно быть достаточно для завершения процессов нитрификации и денитрификации, чтобы удалить избыток аммония (который может нанести вред окружающей среде), но не слишком много, чтобы полностью удалить аммоний (который в нужном количестве является важным питательным веществом для других организмов). Все виды бактерий, которые важны для различных этапов круговорота азота, имеют разный генетический код. Ученые могут прочитать этот код, чтобы узнать, какие виды бактерий присутствуют и какую роль в круговороте питательных веществ они выполняют. Мы решили использовать этот инструмент, чтобы задать два важных вопроса.
Наш эксперимент
Мы задались двумя вопросами: Изменяют ли различные виды микропластика в донных отложениях состав бактериального сообщества? И если да, то влияет ли это также на деятельность по преобразованию азота? Чтобы ответить на эти вопросы, мы поставили эксперимент! Мы собрали осадок с местного болота, распределили его по контейнерам и добавили воды, чтобы создать уменьшенные копии природной экосистемы, называемые микрокосмами. В осадок в разных контейнерах мы добавили четыре разных типа микропластика: полиэтилен, поливинилхлорид, пенополиуретан и полимолочную кислоту. Эти микропластики были получены путем измельчения крупных кусков пластика в специализированном измельчителе. Эти микропластики используются для разных целей, поэтому они содержат разные полимеры и добавки, которые могут по-разному влиять на бактериальное сообщество. Мы также изготовили один контейнер без добавления микропластика, чтобы представить нормальную ситуацию. Этот контейнер называется контрольным. Наблюдение за контейнерами велось в течение 16 дней.
Мы проанализировали бактериальные сообщества в донных отложениях до, во время и после эксперимента, считывая генетические коды бактерий, присутствующих в каждом микрокосме. Сначала мы использовали эту информацию для характеристики бактериального сообщества - какие виды присутствуют и насколько они многочисленны? Затем мы специально искали части генетического кода, отвечающие за нитрификацию и денитрификацию. Мы сравнили полученные данные между разными микрокосмами, чтобы выяснить, изменил ли микропластик бактериальное сообщество или круговорот азота.
Мы обнаружили, что сообщества, содержащие добавленный микропластик, действительно отличались от контрольных, причем типы полимеров приводили к различным изменениям! Мы также обнаружили, что микропластик повлиял на круговорот азота, то есть изменил численность видов, способных осуществлять нитрификацию и денитрификацию. Мы обнаружили, что в донных отложениях, обработанных поливинилхлоридом, в конце эксперимента произошли самые значительные изменения в бактериальном сообществе. В осадках с микропластиком из поливинилхлорида нитрификация и денитрификация были значительно снижены. В микрокосмах с микропластиком из полимолочной кислоты и пенополиуретана, однако, нитрификация и денитрификация были повышены. Микрокосмы с полиэтиленовым микропластиком были похожи на наш контроль, что говорит о том, что этот пластик не так сильно влияет на бактериальное сообщество осадка, как другие пластики (рис. 2B). Этот эксперимент показал нам, что загрязнение окружающей среды микропластиком может влиять на ключевые бактериальные сообщества и цикл азота.
Почему это важно?
Ученым давно известно, что осадочные породы играют важную роль в круговороте питательных веществ, движущей силой которого являются бактерии. Круговорот питательных веществ крайне важен для организмов, обитающих в донных отложениях, а также для организмов, обитающих в вышележащих водах и за их пределами. Недавно ученые узнали, что большое количество микропластика загрязняет водные отложения по всему миру, и наше исследование является первым сообщением о том, что микропластик может влиять на бактериальное сообщество отложений, а значит, и на их деятельность по переработке азота. Баланс азотного цикла в донных отложениях поддерживает питательные вещества на необходимом уровне для здоровья обитающих в них животных, включая червей, рыб, фитопланктон и водные травы! Получив эти знания, мы можем задать важные исследовательские вопросы: Какие виды пластика вызывают наибольший вред? Чем вызван этот вред - полимером или добавками? И сколько пластика должно быть в донных отложениях, чтобы повлиять на бактериальное сообщество? Получив эти знания, ученые смогут сотрудничать с политиками, чтобы помочь защитить прибрежные зоны от вредного воздействия загрязнения микропластиком.
Большинство микропластика образуется, когда более крупные куски пластика разрушаются в окружающей среде. Поэтому, если мы хотим остановить загрязнение микропластиком, мы должны остановить загрязнение пластиком! Пластиковое загрязнение происходит не только тогда, когда мы мусорим. Люди производят много пластикового мусора, и иногда он попадает в окружающую среду до того, как попадает на свалку. Это может произойти из-за переполненного мусорного бака, потери мусорного пакета в грузовике или из-за того, что мусор, унесенный ураганом, попадает в местную реку, озеро или океан. Если мы сократим количество пластиковых отходов, их меньше попадет в окружающую среду. Вы можете подумать о том, как уменьшить количество пластикового мусора, который вы производите каждый день, или о том, где можно отлавливать пластиковые обломки, просачивающиеся в окружающую среду. И то, и другое - важнейшие шаги на пути к снижению загрязнения микропластиком!
