Новости

Патогенные вирусы и устойчивые к антибиотикам бактерии процветают на пластике. В борьбе с кризисом загрязнения нельзя упускать из виду биологическую опасность этой «пластисферы».    В июне этого года более 2 000 добровольцев приняли участие в кампании «2024 Global Ocean Cleanup» и собрали около 40 тонн пластикового мусора на 80 километрах океанских просторов и побережий по всему миру от Вьетнама до Калифорнии. Несмотря на то, что добровольцы проработали неделю, подобные инициативы - это капля в океане пластиковых отходов, которые образуются ежегодно - около 400 миллионов тонн, что эквивалентно весу всех взрослых людей, живущих в настоящее время на Земле.    Множество проектов и стратегий, как национальных, так и международных, направлены на борьбу с пластиковым загрязнением. Например, в 2019 году Ассоциация государств Юго-Восточной Азии разработала Рамочную программу действий по сокращению количества морского мусора. Европейский пакт о пластике, действующий с 2021 года, объединяет 15 правительств и 82 частных предприятия с целью максимального сокращения, повторного использования и переработки пластика. А юридически обязывающий Глобальный договор ООН по пластику, который в настоящее время обсуждается в Межправительственном комитете по переговорам о загрязнении пластиком, должен быть окончательно доработан к концу этого года.    Однако один аспект часто упускается из виду - это сообщества микроорганизмов, живущих на пластиковом мусоре, который образует пластисферу. Предварительные исследования показывают, что эта созданная человеком среда обитания служит широко распространенным, мобильным резервуаром различных патогенов, но пока об этом мало что известно. Ученые, занимающиеся проблемами экологии и здоровья, связанными с загрязнением окружающей среды пластиком, призывают государственный и частный секторы составить карту микробиомов пластика, чтобы понять, как они взаимодействуют с существующими экосистемами, оценить риск, который они представляют для человека и экосистем, и разработать стратегии по снижению воздействия.    Повсеместное распространение пластиковых отходов означает, что пластисфера покрывает огромные пространства воды и суши. На сегодняшний день в мире образовалось более 7 миллиардов тонн пластиковых отходов, около 80% которых накопилось в окружающей среде. Поскольку пластиковых отходов образуется все больше, а разлагаются они крайне медленно, пластисфера быстро расширяется - это идеальное место для колонизации микроорганизмами, которые стремятся прикрепляться к поверхностям. Так, на одном квадратном сантиметре морской пластисферы было обнаружено более 80 000 диатомей.  Один грамм морского пластика может содержать в десять раз больше микробной биомассы, чем кубический метр воды в открытом океане.    Пластик состоит из различных соединений, которые могут служить питательными веществами для микробов, что, в свою очередь, может повлиять на процессы биогеохимического круговорота на суше и в воде. Например, микробы пластисферы могут быть важной частью углеродного и азотного циклов, а также стимулировать производство парниковых газов, включая углекислый газ, метан и закись азота.    В пластисфере обитают разнообразные патогены, включая вирусы и антибиотикоустойчивые бактерии, которые влияют на здоровье растений, животных и человека. Многие из этих микробов не обнаруживаются в окружающей среде. Например, бактерии Vibrio, которые обычно редко встречаются в открытом океане, широко распространены в пластисфере в северной части Атлантического океана, где они могут вызывать заболевания у морских обитателей, включая рыбу, моллюсков и кораллы, а также у людей. Гены, которые могут сделать микроорганизмы резистентными к антибиотикам, также чаще встречаются в пластисфере, чем в окружающих областях. В ней патогены выживают дольше и являются более контагиозными. Вредные водоросли, такие как Pseudonitzschia, известные тем, что производят нейротоксин домоевую кислоту, вызывающую отравление моллюсками, также, как было показано, процветают в пластисфере.    Тот факт, что пластисфера состоит из пластиковых фрагментов размером от микрометров до нескольких метров, означает, что в ней могут обитать микробиомы, которые попадают в экосистемы и пищевую цепь различными способами. Например, такие сельскохозяйственные культуры, как пшеница и салат-латук, могут напрямую поглощать пластиковые частицы субмикрометрового размера и переносить их от корней к побегам. Пластиковые частицы размером более десятков микрометров были обнаружены в различных тканях человека, таких как сонная артерия, ткани легких и толстой кишки, а также в фекалиях. Более крупные фрагменты, длиной около нескольких сантиметров, легко проглатываются животными, такими как рыбы, черепахи, птицы и наземные травоядные. Наконец, пластиковые частицы и их микробные обитатели часто перемещаются на большие расстояния, например, по торговым путям или в виде отходов, переносимых ручьями, реками и ветром, и могут нарушить естественное распределение микробных видов. Это может ускорить распространение патогенов и устойчивости к противомикробным препаратам, нарушить экосистемы и спровоцировать вспышки заболеваний.    Для количественной оценки влияния микробиомов пластика на экосистемы и их популяции, а также для прогнозирования потенциальных рисков необходимы количественные измерения. Исследователи должны сотрудничать, чтобы объединить результаты мониторинга на местах, лабораторных экспериментов и моделей, моделирующих перенос пластиковых материалов.Крайне важно согласовать процедуры отбора проб, экспериментальные методики и инструментарий, чтобы охарактеризовать сложный генетический, микробный и метаболический ландшафт пластической сферы.     Некоторые существующие проекты и организации, такие как Глобальная инициатива по микропластику, организация Ocean Cleanup в Роттердаме, Нидерланды, Институт 5 Gyres, Калифорния, и Глобальная программа мониторинга эстуариев ООН, должны установить стандарты и протоколы в местных, региональных и глобальных масштабах. Поможет и обмен образцами и данными. Например, во время очистных работ образцы пластика и данные о загрязнении должны собираться и передаваться в соответствии со стандартизированными процедурами. Пластик является носителем микроорганизмов, которые могут нанести вред животным, например медведям на Аляске. Фото: Martin Almqvist/Alamy    Исследователи должны стремиться точно определить местонахождение и численность патогенов, устойчивых к антибиотикам микробов и генов, связанных с пластиковыми отходами, и количественно оценить их влияние на изменение климата, например, через выброс парниковых газов. Также важно определить траекторию, динамику переноса и судьбу пластикового мусора, несущего микробиомы, в экосистемах, регионах и странах, например, от свалок к рекам и океанам, от стран-экспортеров отходов к странам-импортерам отходов. Полезным может быть изучение того, откуда берутся микроорганизмы, особенно патогены, путем анализа генетических элементов или факторов окружающей среды. А моделирование может помочь отследить экологические нарушения, вызванные увеличением концентрации и переноса пластика в экосистемах.    В настоящее время оценки рисков, связанных с загрязнением пластиком, в основном касаются эффектов, возникающих из-за физических и химических аспектов пластика - его размера, формы, типа полимера и добавок. Черепахи и тюлени запутываются в крупных фрагментах; более мелкие фрагменты могут блокировать пищеварительную систему рыб или морских птиц. Из пластика также вымываются такие вредные соединения, как бисфенол А и фталаты. Но необходимо учитывать и микробные риски, которые они представляют.     В связи с этим предлагается четыре приоритета для оценки рисков:    1. Выявление «горячих точек». Такие места, как фермы, городские реки и прибрежные зоны, являются основными источниками и поглотителями пластиковых отходов, интенсивно взаимодействуют с человеком и представляют угрозу безопасности пищевых продуктов.    2. Защита уязвимых мест. Зоны аквакультуры, рыбные хозяйства, заповедники, заказники, коралловые рифы и водно-болотные угодья играют важнейшую роль в поддержании биоразнообразия, регулировании климатических факторов и обеспечении продовольствием. Они также очень чувствительны к загрязнению и вторжению микроорганизмов.    3. Целевой транспорт. Регионы и объекты, где происходит транзит и накопление пластика, такие как эстуарии, гавани, очистные сооружения и суда, осуществляющие дальние перевозки, также нуждаются в целевых оценках риска.    4. Сфокусироваться на пищевой цепочке. Микропластик накапливается в различных продуктах питания, от листовых овощей до морепродуктов, непосредственно угрожая здоровью человека.    Такие организации, как Программа ООН по окружающей среде (UNEP), Глобальный экологический фонд в Вашингтоне, Бельмонтский форум в Монтевидео (Уругвай) и Всемирный банк, должны инициировать программы финансирования для поддержки крупномасштабных исследований и оценок. Исследования, отслеживающие потоки пластика и оценивающие его опасность для здоровья, должны быть сосредоточены на странах глобального Юга. Они часто нуждаются в улучшении потенциала по переработке отходов и обеспечении гарантий здоровья населения, а также вынуждены бороться с экспортом отходов с глобального Севера, включая Германию и Великобританию.    Соответствующие организации, финансирующие исследования, такие как Национальный фонд естественных наук Китая, Агентство по охране окружающей среды США и Horizon Europe, должны организовать совместные исследовательские мероприятия для совместного финансирования проектов с участием ученых из разных географических регионов. Научные и политические организации тоже должны действовать. Например, Межправительственная научно-политическая группа по химическим веществам, отходам и предотвращению загрязнения была создана в 2022 году в соответствии с мандатом UNEP для преодоления разрыва между наукой и политикой, а также для решения глобальных проблем, связанных с химическими отходами и загрязнением. В ее составе должно быть отделение, специально занимающееся загрязнением пластиком и рисками, связанными с пластисферами. Такой централизованный подход поможет установить стандарты, поддержать исследований и отслеживать результаты, имеющие значение для политики.    Разработчики экологической политики и регулирующие органы должны уделять первоочередное внимание управлению и контролю за пластисферами в ключевых регионах, которые исследователи относят к группе риска. Крайне важно смягчить последствия переноса микробов через глобальные сети торговли. Необходимо наладить сотрудничество между UNEP, Всемирной торговой организацией, группами, участвующими в достижении соответствующих Целей устойчивого развития ООН, Глобальным партнерством по пластиковым отходам Базельской конвенции и местными органами власти, чтобы и далее сокращать маршруты торговли. Все страны также должны работать над сокращением производства одноразового пластика и внедрением экологически чистых альтернатив.  Значительную помощь в этом окажет фокусирование на всем жизненном цикле пластмасс и переход от линейной модели (сделать - использовать - выбросить) к циклической экономике (в которой пластмассы используются повторно, перерабатываются, компостируются или подвергаются биоразложению).     Сейчас, когда ведутся переговоры по глобальному договору ООН по пластику, Межправительственный комитет по переговорам о загрязнении пластиком должен всесторонне рассмотреть экологические и медицинские риски загрязнения пластиком. Для населения, подверженного высокому риску воздействия, первостепенное значение имеют меры защиты от патогенов и резистентности к противомикробным препаратам. Органы охраны окружающей среды и здравоохранения должны расширить существующие программы обеспечения безопасности пищевых продуктов, в рамках которых уже ведется мониторинг таких загрязняющих веществ, как тяжелые металлы, пестициды и бактериальные патогены, и включить в них микропластик, а также информировать потребителей об этих потенциальных рисках. Для работников, занятых сбором мусора на свалках и в сфере переработки пластиковых отходов, работодатели должны предоставлять индивидуальные средства защиты, надбавки к зарплате и регулярные медицинские осмотры.    Ученые и экспертные группы должны создать международный некоммерческий форум по проблеме загрязнения пластиком, который будет способствовать обмену результатами исследований и стимулировать сотрудничество между учеными, политиками, частными заинтересованными сторонами и общественностью. Организации, которые могут послужить образцом для подражания, существуют в различных областях - например, Глобальное водное партнерство в Стокгольме. Наконец, специалисты по научной коммуникации и средства массовой информации должны информировать общественность о существующих рисках и любых мерах по их снижению, предпринимаемых государственными и частными организациями.    Для борьбы с микробными рисками, связанными с пластисферой, необходима единая глобальная стратегия, а переговоры ООН по договору о пластике должны подтолкнуть к конкретным действиям.

В то время как исследования микробиома заквасок были сосредоточены в основном на молочнокислых бактериях (МКБ) и дрожжах, недавние исследования показали, что уксуснокислые бактерии (УБК) также являются важным членом микробиома многих ферментированных продуктов.    Они относятся к классу Alphaproteobacteria, порядку Rhodospirillales и семейству Acetobacteraceae, в котором в настоящее время описано более 100 видов, относящихся к 19 родам. Эта группа хорошо известна благодаря ферментации уксуса [Acetobacter pasteurianus], комбучи [Komagataeibacter spp], пива сортов ламбик [Acetobacter lambici], кефира [Acetobacter sicerae] и какао [A. pasteurianus коммерчески и Acetobacter ghanensis/senegalensis спонтанно].    В целом УКБ подкисляют ламбиковое пиво и уксус, придают вкус, препятствуют прорастанию какао-бобов и производят целлюлозный компонент симбиотической культуры бактерий и дрожжей (SCOBY) в комбуче. УКБ также выделяют множество метаболических продуктов, которые находят применение в пищевой, косметической, медицинской и других отраслях промышленности. Эти продукты, включая уксусную кислоту (кислый вкус и противомикробное средство), DHA (дигидроксиацетон; распространенный ингредиент солнцезащитных средств) и ацетоин (маслоподобный вкус), образуются в результате окислительной ферментации сахаров и спиртов. УКБ также обнаружены в кишечнике насекомых, в том числе плодовых мушек и пчел, а также в цветах и фруктах, которые являются средой, богатой сахаром. Адаптация к этой богатой сахаром среде, возможно, способствовала успеху в производстве ферментированных продуктов и напитков.    Несмотря на их общепризнанную важность, понимание экологии УКБ ограничено. Одной из систем, где УКБ, вероятно, важны, но в основном остаются без внимания, являются закваски, которые мы для краткости называем «закваской». Большая часть исследований микробиома закваски была сосредоточена на дрожжах и молочнокислых бактериях (МКБ). Этих двух функциональных групп достаточно для создания закваски, хотя микробиомы заквасок часто более разнообразны, включают от 3 до 10 видов и содержат другие микробы, помимо МКБ и дрожжей. Метод «обратного наклона», используемый при созревании и содержании заквасок, позволяет видам с низкой численностью доминировать и колонизировать новые виды, но факторы, позволяющие дополнительным группам сохраняться, неясны. Например, недавние работы показали, что УКБ часто встречаются в закваске, но важность и функции УКБ в закваске также остаются не выясненными.    Несколько исследований начали изучать функциональную роль УКБ в закваске, но геномные и метаболические характеристики УКБ были ограничены другими средами, включая кишечник насекомых и уксус. Любительские эксперименты с дикими заквасками позволяют предположить, что УКБ могут влиять на подъем и аромат теста, но контролируемое экспериментальное подтверждение ограничено. Известно, что штамм Acetobacter tropicalis влияет на свойства китайского хлеба на пару. Li et al. обнаружили, что закваски с добавлением УКБ имели самый низкий рН, самую высокую вязкость и эластичность, а также отличались большим разнообразием вкусовых соединений, чем хлеб с дрожжами и МКБ или только с дрожжами. Аналогичным образом, добавление в тесто экстрагированных экзополисахаридов (леванов и фруктонов) из УКБ приводило к тому, что хлеб был мягче и имел больший объем, что еще раз указывает на то, что соединения, выделяемые УКБ, могут влиять на возникающие свойства закваски. Однако сведения о подавляющем большинстве экологически и функционально разнообразных ААВ остаются ограниченными.    Помимо их экономического и культурного значения, УКБ в закваске также представляют собой возможность для изучения экологических последствий геномных и штаммовых различий в микробиомах. Хотя из сравнительной геномики и метагеномики ясно, что внутривидовое разнообразие существует во многих микробиомах, все еще удивительно мало исследований, в которых экспериментально манипулировали бы штаммовым разнообразием, чтобы понять, как оно влияет на состав и функции микробиома. Прошлые исследования, изучающие роль вариаций на внутривидовом уровне, показали, что различия на уровне штаммов связаны с составом микробного сообщества и функциональными признаками, а несколько штаммов могут сосуществовать в среде благодаря полиморфизму на уровне нескольких ниш.    Будучи членами микробиомов в широком диапазоне сред - от заквасок до насекомых, УКБ могут быть универсальными, но давление экологического отбора могло привести к внутривидовой диверсификации. Также неясно, насколько велико разнообразие штаммов внутри видов УКБ в закваске и других средах и как это разнообразие способствует изменению возникающих функций микробиомов. Понимание функциональной значимости видового и штаммового разнообразия УКБ может помочь найти новые подходы к управлению функциями заквасок и других микробиомов с преобладанием УКБ.    Чтобы изучить экологическую и функциональную роль УКБ на разных уровнях генетического сходства в микробиомах заквасок, мы выделили доминирующие таксоны УКБ из разнообразной коллекции из 500 заквасок, предоставленных учеными со всего мира. В этой коллекции был представлен 21 штамм 11 видов, относящихся к двум родам. Мы получили высококачественные предварительные геномы всех изолятов, а также восемь собранных метагеномных геномов (MAGs), чтобы охарактеризовать метаболические пути и различия в содержании генов. Мы оценили, обогащены ли определенные функции в геномах закваски УКБ по сравнению с геномами из других сред, в целом по всем УКБ и внутри видовых кластеров.     Мы также использовали нашу коллекцию изолятов УКБ из заквасок для экспериментального определения функций различных УКБ в микробиоме закваски. Создавая синтетические заквасочные сообщества с различными штаммами УКБ и без них, мы измеряли ключевые возникающие свойства, такие как кислотность и производство метаболитов. При этом ожидалось, что все УКБ будут снижать рН заквасок благодаря хорошо изученной продукции уксусной кислоты, и мы прогнозировали, что рН будет варьировать в зависимости от штамма на основе соответствующих изменений в производстве уксусной кислоты и требований к росту. Предыдущие исследования показали, что численность УКБ сильно коррелирует с вариациями летучих соединений в закваске, однако степень различия конкретных метаболитов у разных штаммов и видов УКБ остается неясной.     В совокупности в нашей работе экспериментально определены последствия влияния на функции микробиома не замеченной, но функционально важной группы микробов в заквасках - уксуснокислых бактерий. Данное исследование представляет собой комплексный геномный и экологический обзор УКБ, выделенных из заквасок.Чтобы оценить влияние УКБ на эмерджентные функции микробиомов заквасок, мы сконструировали синтетические микробиомы заквасок, варьируя только включенный в них тот ли иной штамм УКБ. Все штаммы УКБ увеличивали кислотность синтетических заквасок по сравнению с дрожжами и МКБ в среднем на 18,5%. Разные штаммы УКБ оказывали различное влияние на профиль летучих веществ синтетической закваски.     Сочетая сравнительную геномику с манипуляционными экспериментами с использованием синтетических микробиомов, мы показали, что даже штаммы со средней нуклеотидной идентичностью >97% могут изменять важные функции микробиома, что подчеркивает важность видового и штаммового разнообразия в микробных системах. Мы также продемонстрировали полезность заквасок в качестве модельной системы для понимания последствий геномного разнообразия на уровне штаммов и видов для многовидовых сообществ. Полученные результаты важны для промышленных и домашних производителей, поскольку мы раскрываем роль УКБ в формировании свойств заквасок, которые оказывают непосредственное влияние на сенсорные оттенки и качество продуктов.