Mikroplastik transportiert Mikroben und Resistenzen von Abwasser bis ins Meer

Mikroplastik treibt durch Flüsse und entlang von Küsten und sammelt auf seinen Oberflächen unzählige Mikroben an. Viele Menschen betrachten es noch immer als bloße Partikel, doch Forschende entdecken zunehmend weiterreichende Risiken, die mit diesen Teilchen verbunden sind.

Eine neue Studie des Plymouth Marine Laboratory und der University of Exeter liefert neue Erkenntnisse dazu, wie Mikroplastik das mikrobielle Leben vom Krankenhausabwasser bis zur offenen See beeinflusst, und zeigt besorgniserregende Muster auf, die Aufmerksamkeit erfordern.

Mikroplastik als Transportmittel für Mikroben

Mikroplastik kommt in nahezu allen Lebensräumen vor. Innerhalb weniger Stunden lagern sich Bakterien daran an und bilden dichte Biofilme, die als „Plastisphäre“ bekannt sind. Zu diesen Biofilmen gehören auch krankheitserregende und arzneimittelresistente Arten.

Der neuen Studie zufolge kann Mikroplastik Resistenzen begünstigen, weil es stabile Oberflächen für das Wachstum von Biofilmen bietet, einen intensiven Genaustausch unterstützt und angelagerte Chemikalien festhält, welche die mikrobielle Aktivität beeinflussen.

Die Forschenden stellten fest, dass Mikroplastik Antibiotika, Schwermetalle und andere Schadstoffe in seiner Struktur transportieren kann. Diese eingeschlossenen Chemikalien könnten Mikroben dazu veranlassen, Resistenzen zu entwickeln.

Da die Partikel nur langsam zerfallen, können sie über große Distanzen wandern. Dadurch erhalten Biofilme ausreichend Zeit, zu wachsen, sich zu verändern und über weite Strecken verbreitet zu werden.

Untersuchung unter realen Umweltbedingungen

Für die Analyse der natürlichen Besiedlung entwickelten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen neuen Ansatz. Sie konstruierten frei schwimmende Vorrichtungen, die fünf Materialien enthielten: Bioperlen, Kunststoffgranulat (Nurdles), Polystyrol, Holz und Glas.

Diese Vorrichtungen wurden entlang eines Verschmutzungsgradienten ausgebracht, der bei unbehandeltem Krankenhausabwasser begann und in Meeresgewässern endete.

Das Studiendesign sorgte dafür, dass die Materialien vollständig realen Bedingungen ausgesetzt waren, statt sich in geschlossenen Beuteln oder Käfigen zu befinden, die das Verhalten von Biofilmen verändern können.

Nach zwei Monaten analysierte das Team die DNA jedes Biofilms. Zusätzlich untersuchte es frei lebende mikrobielle Gemeinschaften und erfasste Umweltbedingungen wie pH-Wert und Temperatur.

Die Forschenden wollten herausfinden, in welchem Maß der Standort – und nicht allein das Material – die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften bestimmte.

Veränderliche mikrobielle Risiken

In allen Proben fanden die Fachleute Tausende mikrobielle Arten. Der Standort prägte die Gemeinschaften deutlich stärker als das jeweilige Material.

Am Krankenhausstandort war die Bakterienmenge am höchsten, während die Vielfalt dort am geringsten ausfiel. Die Proben flussabwärts und aus dem Meer wiesen vielfältigere, jedoch weniger dichte Gemeinschaften auf.

Krankheitserreger wurden auf sämtlichen Materialien nachgewiesen, doch ihre Verteilung veränderte sich mit zunehmender Entfernung. Einige Gruppen gingen flussabwärts zurück, andere nahmen in Biofilmen zu, nicht jedoch im freien Wasser. Dazu zählten Flavobacteriia, Fusobacteriia, Mollicutes und Sphingobacteriia.

Viele Vertreter dieser Gruppen verursachen Krankheiten bei Fischen und können gegen mehrere Antibiotikaklassen resistent sein. Ihr verstärktes Auftreten in Biofilmen nahe Aquakulturgebieten weckt Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Meeresfrüchten.

Außerdem wiesen die Forschenden Vibrio-Arten nach, die mit Risiken für Schalentiere und die menschliche Gesundheit verbunden sind.

Einige von ihnen waren an flussabwärts gelegenen Standorten häufiger vertreten als an der Abwasserquelle. Dies deutet darauf hin, dass Mikroplastik diesen Bakterien helfen kann, an neuen Orten zu gedeihen.

Mikroplastik und antimikrobielle Resistenz

Die Fachleute untersuchten auch Gene für Arzneimittelresistenzen. Mikroplastik trug mehr als 100 einzigartige Sequenzen – deutlich mehr als Holz, Glas oder frei lebende Gemeinschaften.

Das Team erläuterte, dass Mikroplastik den horizontalen Gentransfer beschleunigen könnte, da Biofilme enge und dicht besiedelte Bedingungen für den Austausch von DNA schaffen. Die Kunststoffoberflächen halten zudem Antibiotika zurück und erzeugen kleinräumige Hotspots, die resistente Stämme begünstigen.

Überraschenderweise nahm die relative Häufigkeit von Resistenzgenen flussabwärts häufig zu, anstatt abzunehmen.

Gene, die mit Aminoglykosiden, Tetrazyklinen, Oxazolidinonen und weiteren Klassen verbunden sind, traten in flussabwärts gelegenen und marinen Gewässern in höheren Mengen auf.

Nach Ansicht der Forschenden könnten landwirtschaftliche Abflüsse, Antibiotikarückstände und angelagerte Chemikalien zu diesem Muster beitragen.

Polystyrol und Kunststoffgranulat zeigten besonders hohe Mengen an Resistenzgenen. Ihre Oberflächen scheinen robuste Biofilme zu fördern und könnten Antibiotika wirksamer binden.

Diese Kombination erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Resistenzgene auf diesen Partikeln überleben und sich verbreiten.

Dringende nächste Schritte

„Nach der jüngsten besorgniserregenden Freisetzung von Abwasser-Bioperlen in Sussex unterstreicht diese aktuelle Studie das Risiko durch Krankheitserreger und antimikrobielle Resistenzen, das von Mikroplastiksubstraten ausgeht, die unsere Ozeane und Küsten verschmutzen“, sagte Dr. Emily Stevenson, Hauptautorin der Studie.

„Indem wir Hochrisikosubstrate identifizieren, können wir deren Überwachung verbessern oder sie sogar zugunsten sicherer Alternativen schrittweise abschaffen.“

Das Team richtete seine Arbeit auf reale Umgebungen statt auf kontrollierte Becken aus. Es wollte beobachten, wie sich Mikroben unter dem Einfluss von Verschmutzungsgradienten, wechselnden pH-Werten und natürlichen Strömungen verhalten. Mit diesem Ansatz konnte es Muster erfassen, die bei älteren Methoden häufig unentdeckt blieben.

Dr. Stevenson betonte, dass die Untersuchung eine speziell entwickelte Inkubationsvorrichtung nutzte. Diese trug dazu bei, Verzerrungen durch Biofilmgemeinschaften zu verringern, die auf Käfigen, Beuteln oder Boxen wachsen, mit denen Mikroplastik in herkömmlichen Studien befestigt wird.

„Unsere Studie befestigte diese neuen Strukturen entlang eines Transekts von der Klinik bis zu den Meeresgewässern, und unsere Ergebnisse zeigen eindeutig, wie wichtig dieser Transekt über mehrere Umgebungen hinweg ist“, erklärte sie.

„Frühere Studien haben die Besiedlung mit antimikrobiellen Resistenzen und Krankheitserregern in stark verschmutzten Zonen festgestellt, doch wir zeigen, dass auch andere Oberflächengewässer Gemeinschaften mit einem hohen Anteil antimikrobieller Resistenzen beherbergen können.“

Zunehmende Sorgen wegen Mikroplastik

Mit der Ausweitung der Studie auf Krankenhaus-, Fluss- und Küstengewässer erkannte das Team neue Risiken für Wildtiere und Freiwillige.

„Da diese Arbeit die vielfältigen und teils schädlichen Bakterien hervorhebt, die auf Kunststoff in der Umwelt wachsen, empfehlen wir allen Freiwilligen bei Strandsäuberungen, während der Aufräumarbeiten Handschuhe zu tragen und sich anschließend stets die Hände zu waschen“, sagte Professorin Pennie Lindeque von der University of Exeter.

Sie erklärte, dass die Kunststoffpartikel als langlebige Träger dienen. Sie legen weite Strecken zurück und schützen schädliche Mikroben vor widrigen Bedingungen.

Mikroplastik und Antibiotikaresistenz

Professorin Pennie Lindeque zufolge zeigt die Studie, dass Mikroplastik als Träger für schädliche Krankheitserreger und Bakterien mit antimikrobieller Resistenz (AMR) wirken und deren Überleben sowie Verbreitung fördern kann.

„Diese Wechselwirkung stellt ein wachsendes Risiko für Umwelt und öffentliche Gesundheit dar und erfordert dringende Aufmerksamkeit“, erklärte sie.

„Indem unsere Studie einen Weg von der Quelle bis zum Meer verfolgt, der durch Einleitungen aus Krankenhaus- und Haushaltsabwässern beeinflusst wird, zeigt sie, wie Krankheitserreger mit antimikrobieller Resistenz sämtliche Substrate besiedelten.“

Dr. Aimee Murray erklärte, die Studie mache deutlich, dass Mikroplastik nicht nur ein Umweltproblem sei – es könne auch zur Verbreitung antimikrobieller Resistenzen beitragen.

„Deshalb benötigen wir integrierte, sektorübergreifende Strategien, die die Mikroplastikverschmutzung bekämpfen und sowohl die Umwelt als auch die menschliche Gesundheit schützen“, schloss sie.

Sofortige Maßnahmen empfohlen

Die Studie fordert eine engmaschigere Überwachung von Mikroplastik und seiner Wechselwirkungen mit Antibiotika, Metallen und anderen Schadstoffen.

Zugleich hebt die Untersuchung hervor, wie wichtig es ist, die Mikroplastikverschmutzung zu verringern und die Abfallwirtschaft zu verbessern. Freiwillige und Forschende sollten Kunststoffabfälle vorsichtig handhaben und immer Handschuhe verwenden.

Während Mikroplastik weiterhin durch natürliche Systeme wandert, bewegen sich seine Biofilme mit ihm. Zu verstehen, wie sie sich zwischen verschiedenen Umgebungen verändern, wachsen und Risiken transportieren, ist entscheidend für den Schutz von Ökosystemen, Nahrungsketten und der menschlichen Gesundheit.