하천의 미세 플라스틱으로 항생제 내성 미생물 확산

Nature Water 저널 에 최근 게재된 연구에서 과학자들은 메타게놈 및 바이옴 시퀀싱을 사용하여 미세 플라스틱에서 바이러스 분포, 숙주 상호작용 및 항생제 내성 유전자(ARG) 전이를 조사했습니다.

지속적인 미세 플라스틱 오염은 인류세의 특징적인 특징으로, 독성 용출과 생물 조직으로의 직접 침투를 통해 환경 및 공중 보건 위험을 초래합니다. 미세 플라스틱은 미생물 군집화와 바이오필름 성장을 위한 독특한 틈새를 만들어 다양한 미생물 군집으로 구성된 "플라스티스피어(plastisphere)"를 형성합니다. 이러한 표면은 병원균을 선택적으로 증식시켜 질병 전파에 영향을 미칠 수 있습니다. 바이러스는 어디에나 존재함에도 불구하고 플라스티스피어 연구에서 대체로 간과되어 왔지만, 최근 연구 결과에 따르면 바이러스가 미세 플라스틱에 잔류하여 박테리아 숙주와 상호작용하는 것으로 나타났습니다. 미세 플라스틱에 대한 바이러스 군집과 ARG 전파의 생태학적 영향과 환경 및 인간 건강에 미치는 영향을 완전히 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다.

2021년 3월, 중국 광시성 베이룽강에서 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP) 두 종류의 미세 플라스틱에 대한 연구가 수행되었습니다. 도시화 수준과 물리화학적 특성을 기준으로 강변 다섯 곳을 선정하여 농촌에서 도시 지역까지 다양한 지역을 대상으로 연구를 진행했습니다. 각 지역에서 미세 플라스틱(PE 및 PP) 2.0g과 천연 입자(돌, 나무, 모래)를 강물에서 배양했습니다. 미세 플라스틱은 70% 에탄올로 소독하고 멸균수로 세척했으며, 천연 입자는 살균하여 원래의 박테리아 및 바이러스 군집을 제거했습니다. 배양 기간은 플라스틱에서 30일 이내에 바이오필름이 성공적으로 형성되었음을 보여주는 기존 연구를 기반으로 설정했습니다.

배양 후, 미세 플라스틱, 자연 입자 및 수질 시료를 채취하여 분석을 위해 -20°C에 보관했습니다. 큰 입자와 초식동물은 걸러내고 유도 결합 플라스마 발광 분광법을 사용하여 금속 농도를 측정했습니다. 추가적인 물리화학적 특성과 도시화 수준을 측정했습니다.

FastDNA Spin 키트를 사용하여 DNA를 추출하고 HiSeq X 플랫폼에서 시퀀싱했습니다. 고품질 리드를 처리하여 오픈 리딩 프레임을 예측하고 중복 유전자를 제거했습니다. 박테리아 유전체는 다양한 생물정보학 도구를 사용하여 조립하고 주석을 달았습니다. 바이러스 DNA를 추출, 농축 및 시퀀싱하여 미세 플라스틱에서 바이러스 집단과 잠재적 바이러스 클러스터를 확인했습니다.

메타게놈 시퀀싱을 이용하여 베이룽강 유역의 미세플라스틱 샘플에서 총 28,732종의 박테리아 종이 확인되었습니다. 우점하는 문은 Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria, 그리고 Chloroflexi였으며, 박테리아 군집의 52.6%를 차지했습니다. 종 풍부도와 균일도는 장소 또는 미세플라스틱 유형에 따라 유의미한 차이를 보이지 않았습니다. 25,883종으로 구성된 핵심 박테리아 군집은 검출된 전체 종의 78.4%를 차지했으며, PE 샘플 하나를 제외한 모든 샘플에서 공통적으로 발견된 종은 12,284종이었습니다. 대부분의 종(28,599종)은 PE와 PP 미세플라스틱에서 공통적으로 발견되었으며, 각각 49종과 84종이 PE와 PP에서 발견되었습니다.

약 0.32%의 박테리아 종이 잠재적 병원균이었으며, 11개 문에서 91종이 검출되었습니다. 우세한 병원균은 Burkholderia cepacia(13.29%), Klebsiella pneumoniae(10.21%), Pseudomonas aeruginosa(7.59%)였습니다. 지점 간 미생물 군집의 유사성에서 유의미한 거리-일수 효과가 발견되었습니다(R² = 0.842, P < 0.001). NMDS 분석 결과 PE와 PP 미세 플라스틱 간의 세균 군집 구조에 차이가 있는 것으로 나타났습니다.

바이러스 군집에 대해서는 226,853개의 계수가 얻어졌으며, 대부분 1,000kb 미만이었습니다. Myoviridae와 Siphoviridae가 우세하여 바이러스 존재비의 58.8%를 차지했습니다. 바이러스 풍부도와 균일도는 미세플라스틱 유형 간에 유의미한 차이가 없었습니다. 바이러스 수는 501개 속으로 분류되었으며, 그중 364개는 PE와 PP에 공통적으로 존재했습니다. 지점 간 바이러스 군집에서 유의미한 거리-일수 효과가 발견되었습니다. NMDS 분석 결과 PE와 PP 미세플라스틱 간 바이러스 군집에 차이가 있는 것으로 나타났습니다.

다양한 데이터베이스를 이용하여 미세 플라스틱에 존재하는 박테리아 및 바이러스 서열의 기능 유전자에 대한 주석 분석을 수행했습니다. 대부분의 바이러스 유전자는 분류되지 않았거나 특성이 제대로 규명되지 않았으며, 그중 일부는 유전 정보 처리 및 세포 과정과 관련이 있었습니다. 박테리아 기능 유전자 또한 분류되지 않았으며, 그중 일부는 대사 경로 및 생합성과 관련이 있었습니다. 바이러스 및 박테리아 서열에서 금속 내성 유전자(MRG)와 금속 내성 유전자(ARG)가 발견되었으며, 가장 흔한 것은 Cu, Zn, As, Fe에 대한 내성이었습니다.

박테리아 ARG는 주로 여러 약물, 마크로라이드, 린코사마이드, 스트렙토그라민(MLS), 그리고 테트라사이클린에 대한 내성을 암호화하는 반면, 바이러스 ARG는 트리메토프림, 테트라사이클린, 그리고 MLS에 대한 내성 유전자를 포함하고 있었습니다. 바이러스와 박테리아 숙주 사이에서 ARG와 MRG의 수평적 이동이 관찰되었는데, 이는 미세플라스틱 생성을 촉진하는 유전자 교환의 가능성을 시사합니다.

이 연구는 베이룬 강의 미세 플라스틱에 서식하는 박테리아 및 바이러스 군집과 자연 입자의 차이를 발견했습니다. 각 지점에서 다양성은 유사했지만, 미세 플라스틱의 종류는 군집 구성에 영향을 미쳤습니다. 중요한 점은 연구진이 미세 플라스틱에서 박테리아 및 바이러스와 관련된 잠재적 병원균과 항미생물제 내성 유전자(ARG)를 확인했다는 것입니다. 바이러스와 박테리아 간의 수평적 유전자 전이의 증거를 관찰했는데, 이는 미세 플라스틱이 수생 환경에서 항생제 내성 확산에 기여할 수 있음을 시사합니다. 이러한 결과는 미세 플라스틱 오염과 관련된 잠재적 환경 및 공중 보건 위험을 강조합니다.