Antarktis: Plastik trägt Antibiotikaresistenzgene

Wenn Forschende eine möglichst unbelastete Vergleichsbasis für Antibiotikaresistenzen benötigen, gilt die Antarktis seit Langem als Standard. Dort gibt es weder intensive Landwirtschaft noch überlastete medizinische Einrichtungen. In der Nähe der meisten Forschungsstandorte befinden sich über Hunderte Kilometer hinweg keine Apotheken. Entsprechend lautete die Annahme: Abgeschiedenheit bedeutet Reinheit.

Doch Funde an plastikverschmutzten Küsten in eben diesen entlegenen Gebieten stellen diese Vorstellung zunehmend infrage. Entscheidend ist nicht, woraus der Kunststoff besteht, sondern was auf ihm lebt.

Fragmente auf der Fildes-Halbinsel

Ein Team unter Leitung von Forschenden der Autonomen Universität Madrid (UAM) untersuchte mit sterilen Probenbeuteln die Ufer von zwei Seen und einer geschützten Insel auf der Fildes-Halbinsel nahe King George Island.

Die drei Untersuchungsorte waren der Lake Uruguay, der Lake Ionosférico und Ardley Island, ein ausgewiesenes besonders geschütztes Gebiet der Antarktis.

Am gefundenen Plastik war nichts Außergewöhnliches: expandiertes Polystyrol und Polyurethanschaum – dieselben Materialien, die zu Hause zum Verpacken von Sendungen verwendet werden.

Ein Ökosystem aus Plastik

Kunststoff in Wasser und Boden bildet rasch einen dünnen Bakterienfilm. Diese Schicht aus lebenden Organismen – dicht besiedelt, aktiv und von ihrer Umgebung klar verschieden – wird Plastisphäre genannt.

Bakterien innerhalb einer Plastisphäre können Gene leichter austauschen als frei im Boden oder Wasser schwebende Bakterien. Auf Oberflächen können sie anhaften, sich dicht nebeneinander ansiedeln und DNA über Artgrenzen hinweg weitergeben.

Dass marine Plastisphären Eigenschaften zur Antibiotikaresistenz ansammeln, war bereits bekannt; die erste bedeutende Arbeit dazu stammte aus dem offenen Ozean. Am südlichsten Ende der Welt hatte dies jedoch bislang niemand untersucht.

Gene häufen sich auf Kunststoffabfall

Juan Manuel Valenzuela-Lázaro, UAM-Forscher und Erstautor der Studie, setzte einen Test ein, der Hunderte Resistenzgene gleichzeitig erfassen kann. Das Team untersuchte damit den Biofilm auf dem Plastik, den angrenzenden Boden und das Seewasser.

Über alle Proben hinweg identifizierten die Forschenden 294 unterschiedliche Antibiotikaresistenzgene sowie 52 DNA-Abschnitte, die solchen Genen den Wechsel zwischen Bakterien ermöglichen. Davon traten 83 – rund 28 % – ausschließlich auf Plastik auf.

Im umgebenden Boden und Wasser fanden sich nur zwei einzigartige Gene. Fast sämtliche vom Team nachgewiesenen Antibiotikaresistenzen saßen auf Kunststoff, während die umliegende Umwelt selbst nahezu keine aufwies.

Risikoreiche Resistenzen auf Plastik

Die Forschenden ordneten die 294 Gene danach ein, wie gefährlich sie für die Humanmedizin sind.

Sechzehn gehörten zur besorgniserregendsten Kategorie – jener Gruppe, die mit Ausbrüchen in Krankenhäusern und schwer behandelbaren Infektionen verbunden ist.

Fünf davon wurden ausschließlich auf Plastik von Ardley Island entdeckt. Zwei waren vor dieser Studie noch nie irgendwo in der Antarktis dokumentiert worden. Jetzt sind sie es.

Mobile genetische Elemente

Das deutlichere Muster zeigte sich bei den mobilen genetischen Elementen selbst: jenen DNA-Fragmenten, die Resistenzmerkmale zwischen nicht verwandten Bakterien übertragen können.

Auf Plastik waren diese Fragmente 20-mal häufiger mit Antibiotikaresistenzgenen verknüpft als im nahe gelegenen Boden oder Wasser. Dieses Muster unterschied den Kunststoff klar von allem in seiner Umgebung.

Ein Gen, mit dem Bakterien Antibiotikaresistenzmerkmale aufnehmen und weiterbewegen können und das am häufigsten in Krankenhausstämmen vorkommt, wurde auf Plastik 16-mal häufiger nachgewiesen als abseits davon.

Kunststoff hielt Antibiotikaresistenzen also nicht nur fest. Er schien auch mit den molekularen Werkzeugen beladen zu sein, die diese Gene für den Übergang von einem Bakterium auf ein anderes benötigen.

Lebende Bakterien nachgewiesen

Um auszuschließen, dass es sich lediglich um längst abgestorbenes genetisches Material handelte, fror das Team den Kunststoff über Monate ein und versuchte anschließend, Bakterien darauf auf antibiotikahaltigen Kulturplatten zu vermehren.

Sieben unterschiedliche Stämme wurden wieder lebensfähig – überwiegend Arten der in der Region heimischen Gattung Pseudomonas, dazu ein kälteangepasstes Pedobacter.

Jeder erneut gewachsene Stamm widerstand mindestens einem Antibiotikum in Konzentrationen, die für Ärztinnen und Ärzte relevant wären.

Zudem besaß jeder Stamm die genetische Ausstattung, die eine Weitergabe der Resistenz an andere Bakterien ermöglicht. Die Bakterien waren lebendig, nicht bloß eingefrorene Spuren von etwas einst Vorhandenem.

Gene bleiben in Isolation erhalten

Das Team prüfte Boden und Wasser auf fünf verbreitete Antibiotikafamilien. Keine davon lag oberhalb der Nachweisgrenzen. Was hält diese Gene also auf Plastik am Leben, wenn offenbar nichts ihre Auswahl begünstigt?

Eine Studie aus dem Jahr 2018 brachte Resistenzen in unberührten antarktischen Böden mit alten, natürlich entstandenen Genen in Verbindung, die älter sind als von Menschen entwickelte Antibiotika.

Andere Untersuchungen verknüpften sie mit Schwermetallen in Pinguinkot. Plastik scheint alles, was bereits in der Umwelt vorhanden ist, zu sammeln und zu konzentrieren.

Was sich dadurch verändert

Bisher ließ sich das Bild antarktischer Mikroben in zwei Richtungen teilen: entweder alt und natürlich entstanden oder schwach von Signalen aus Forschungsstationen geprägt. Die hier entdeckte, plastikgetragene Resistenz stellt etwas anderes dar.

Plastikmüll sammelt Resistenzmerkmale nicht bloß an. Er scheint sie mit den molekularen Werkzeugen zu verbinden, die eine Ausbreitung dieser Merkmale zwischen Arten ermöglichen könnten, und hält ihre Träger durch antarktische Winter hindurch am Leben.

Eine aktuelle Übersichtsarbeit hatte bereits davor gewarnt, den Kontinent nicht als frei von antimikrobiellen Resistenzen anzusehen.

Diese Untersuchung zeigt, wo sich die tatsächlichen Hotspots befinden. Für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die die weltweite Verbreitung von Resistenzen verfolgen, ist dies ein neuer Punkt auf der Karte – einer, über den Bakterien und Gene durch Zugvögel, Meeresströmungen oder Expeditionsverkehr wieder in die weitere Welt gelangen könnten.