Plastics as vectors of microorganisms in the aquatic environment
- Autores: Sergio Martínez-Campos Gutiérrez
- Directores de la Tesis: Roberto Rosal García (dir. tes.), Francisco Leganés Nieto (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2022
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Redondo Nieto (presid.), José Antonio Perdigón Melón (secret.), Georgiana Amariei (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos por la Universidad de Alcalá y la Universidad Rey Juan Carlos
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
El desarrollo de los plásticos ha sido uno de los mayores avances tecnológicos de la historia de la humanidad. Desde mediados del siglo XX, la producción de plásticos ha ido en aumento, a la vez que se multiplicaban sus usos. Los plásticos, una vez desechados, generan un enorme volumen de residuos acaban en el medio ambiente. La elevada persistencia de los plásticos dificulta enormemente su eliminación natural, por lo que los plásticos tienden a acumularse en los distintos ecosistemas. Este problema es motivo de preocupación para la comunidad, que muestra un creciente interés por los posibles efectos negativos que los plásticos puedan tener en los ecosistemas acuáticos. Uno de los impactos más desconocidos en este ámbito es la capacidad de los microorganismos para adherirse a los plásticos, empleándolos como soporte para su desarrollo. Con el tiempo, las comunidades fijadas al plástico se vuelven más complejas según se van uniendo microorganismos más variados, llegando a constituir un nuevo ecosistema. Este nuevo tipo de ecosistema ha sido denominado como ¿plastisfera¿. Son muchos los factores que limitan las comunidades fijadas en la plastisfera como la situación geográfica, el tipo de plástico o el tiempo de exposición al medio ambiente. Además, muchos de los materiales plásticos han sido ya colonizados durante su uso, como las membranas de osmosis inversa o los plásticos de invernadero y se desconoce cómo pueden afectar estos microorganismos a los ecosistemas una vez que son abandonados en el medio ambiente al final de su vida útil. Además, la movilidad de los plásticos, especialmente de las fracciones más pequeñas, comúnmente conocidas como microplásticos (MPs), puede provocar la movilización de microorganismos patógenos, bacterias con genes de resistencia a los antibióticos (GRA) y organismos invasores con capacidad para alterar las comunidades de los ecosistemas receptores.
En los últimos años se ha dedicado un gran esfuerzo al estudio de la presencia y efectos de los plásticos en los ecosistemas marinos. Sin embargo, existe una importante falta de conocimiento sobre su desarrollo los ecosistemas de agua dulce. Esto resulta llamativo ya que se ha comprobado que una de las principales vías de entrada de plásticos en los océanos son los ríos o los cursos de agua intermitentes. Además, las plantas de tratamiento de aguas residuales son una vía de entrada importante para los MP, los antibióticos y los ARG. Es importante considerar la interacción entre estos factores ya que es posible que los MPs actúen como un reservorio de resistencia a los antibióticos representando potencialmente un riesgo para el medio ambiente y también para la salud humana.
El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es caracterizar el potencial de los plásticos como vectores de microorganismos en ambientes acuáticos, especialmente en ecosistemas de agua dulce. En base a este objetivo, la tesis se organiza en una serie de capítulos para lograr satisfacer este objetivo.
El Capítulo 1 presenta las últimas investigaciones sobre el impacto de los plásticos en el medio ambiente. Destaca la importancia del plástico para nuestra sociedad, su uso masivo y el enorme volumen de residuos que genera. Posteriormente, se introduce el ciclo del plástico, incluyendo la forma en que llega al medio ambiente y se mueve a través de él, alcanzando finalmente cualquier lugar del planeta. Después, se discute el impacto de los plásticos en función de su tamaño. Por último, la introducción se centra en la plastisfera, cómo está constituida, los factores que determinan su composición y los diferentes tipos de microorganismos asociados a ella. Además, se analiza el riesgo que supone la plastisfera para el ser humano y el medio ambiente debido al posible transporte de organismos patógenos, GRAs y especies invasoras.
Los Objetivos Generales definen la hipótesis en la que se basa el desarrollo de esta tesis doctoral y especifica los objetivos que se persiguen de forma más detallada.
El Capítulo 2 analiza las comunidades bacterianas y fúngicas que se forman en las membranas de ósmosis inversa durante su vida útil. Las membranas de ósmosis inversa están formadas por diferentes capas de polímeros. La externa muestra una tendencia a recubrirse con diferentes tipos de microorganismos en una biopelícula, comúnmente denotada como bioensuciamiento que reduce la vida útil de la membrana. Cabe destacar que la viabilidad de estos microorganismos, una vez desechadas las membranas, es esencialmente desconocida.
El capítulo se centra en determinar si existen microorganismos comunes en las membranas de ósmosis inversa de diferentes orígenes, así como en la viabilidad microbiana y el grado de formación de la biopelícula. Se seleccionaron tres membranas de ósmosis inversa, dos de ellas procedentes de un sistema de tratamiento de acuíferos salinos y una de una planta desalinizadora de agua de mar. Los resultados mostraron que el origen del agua tratada afecta en gran medida a la comunidad microbiana, pero también la existencia de géneros comunes entre las distintas membranas, que podrían desempeñar un papel común en la formación de biopelículas en las membranas de ósmosis inversa y en otros sustratos plásticos.
El Capítulo 3 se centra en la colonización bacteriana temprana de MPs en contacto con el efluente de dos plantas de tratamiento de aguas residuales, haciendo hincapié en la presencia de dos ARG (sulI y tetM). Las plantas de tratamiento de aguas residuales se consideran uno de los principales puntos de entrada de MPs y GRAs en el medio acuático.
A pesar de este hecho, existe un notable grado de desconocimiento sobre la capacidad de las MP para actuar como reservorio de ARGs. Los resultados mostraron que la ubicación (lugar de muestreo) y las propiedades del plástico (hidrofobicidad y rugosidad) desempeñaron un papel importante en la fase temprana de la colonización bacteriana. Además, se detectaron géneros específicos para cada tipo de polímero, lo que sugiere que el tipo de polímero determina la adhesión temprana de las bacterias. Aunque las aguas de los efluentes analizados contenían ambos GRAs (se detectaron sulI y tetM), los MPs concentraban sólo el gen sulI.
El Capítulo 4 estudia la comunidad procariota y eucariota desarrollada en cuatro plásticos de uso habitual que se dejaron colonizar de forma natural en dos secciones del mismo río. Ambas localizaciones se caracterizaban por unas condiciones ambientales muy diferentes, una situada en un tramo con uso natural del suelo y la otra agua abajo de una planta de tratamiento de aguas residuales. El objetivo fue estudiar el proceso natural de colonización de residuos plásticos, que pueden quedar atrapados en una misma zona durante mucho tiempo. Se estudió la influencia del tipo de sustrato plástico y las condiciones específicas de la ubicación del río en la comunidad microbiana adherida. En concreto, uno de los lugares de muestreo se situó cerca del vertido de una EDAR con el fin de evaluar la influencia de sus efluentes sobre la capacidad de los plásticos para actuar como reservorio de GRAs. Los resultados confirmaron que la ubicación y el tipo de sustrato condicionaron fuertemente la comunidad procariota y eucariota desarrollada sobre ellos. El tiempo de contacto desempeñó un papel menos significativo. Los resultados mostraron una correlación entre la abundancia de los genes y la concentración de sus respectivos antibióticos.
El Capítulo 5 explora la capacidad de los plásticos de invernadero para actuar como vectores de bacterias una vez que son abandonados en el medio ambiente al final de su vida útil. Los plásticos agrícolas se desechan a menudo de forma incontrolada, creando un problema medioambiental en las zonas agrícolas y en los cauces de los ríos y mares cercanos.
En esta investigación se recogieron plásticos de invernadero, abandonados cerca de los mismos, en los cauces secos de los ríos, en el río y en el mar, siguiendo todo el recorrido que seguirían en un proceso normal de diseminación. Los resultados mostraron una diferencia significativa en las comunidades microbianas adheridas a los plásticos tomados del río y del mar en comparación con los tomados del suelo, lo que indica una evolución en la comunidad microbiana adherida a los plásticos. No obstante, la presencia de varios géneros comunes adheridos al plástico independientemente del lugar de muestreo confirmó que los plásticos actúan como vectores de microorganismos.
El Capítulo 6 es una Discusión General que resume los resultados de la Tesis Doctoral, discutiendo la relación entre los diferentes capítulos y con los objetivos fijados en este documento. Por último, las Conclusiones Generales exponen las conclusiones obtenidas en la Tesis Doctoral.
- English
The development of plastics has been one of the largest technological breakthroughs in the history of mankind. Since the middle of the 20th century, the production of plastics has been increasing, according to the multiplication of their uses. Plastics, once used, represent a huge volume of waste that may end up dumped in the environment. The high persistence of plastics makes it very difficult to eliminate them naturally, so plastics tend to accumulate in environmental compartments. This problem has been of great concern to the scientific community, which is paying a growing attention to all the possible effects that plastics could have on aquatic ecosystems. One of the most unknown impacts derives from the ability of microorganisms to attach to plastics. Eventually, a broad range of microorganisms can colonize plastics, forming communities that become more and more complex until they constitute new ecosystems. This new type of ecosystem is called “plastisphere”. Many factors influence the communities constituted on plastics, such as geographic location, type of material, or the length of time this material has been exposed in the environment. Many plastic materials have already been colonized during their use, such as reverse osmosis membranes or greenhouse plastics, and it is unknown how these microorganisms may affect ecosystems once they are abandoned at the end of their useful life. In addition, the mobility of plastics, especially the smaller fractions, commonly known as microplastics (MPs), can lead to the mobilization of pathogenic microorganisms, bacteria with antibiotic resistance genes (ARGs) and invasive organisms with the capacity to alter the communities of the receiving ecosystems.
In the last few years, numerous studies have focused on the fate of plastics in marine ecosystems. However, there is an important knowledge gap about freshwater ecosystems. It has been proven that one of the main routes for plastic entering the oceans are rivers or intermittent waterways. Moreover, wastewater treatment plants are a hotspot for MPs, antibiotics and ARGs. The interaction between the afore mentioned factors must be considered since it could cause microplastics to act as a reservoir of antibiotic resistance potentially representing a risk for the environment and also to human health.
The overall main objective of this Doctoral Thesis is to characterize the potential of plastics as vectors of microorganisms in aquatic environments, especially in freshwater ecosystems. Based on these objectives, the thesis is organized into a series of chapters to achieve the objective.
Chapter 1introduces the latest research on the impact of plastics to the environment. It highlights the importance of plastic for our society, its massive use, and the huge waste it generates. Subsequently, the plastic cycle is introduced, including the way plastic reaches the environment and moves through it, eventually reaching any place on the planet. Afterwards, the impact of plastics depending on their size is discussed. Finally, the introduction focuses on the plastisphere, how it is constituted, the factors that determine its composition, and the different types of microorganisms associated to it. In addition, the risk posed by the plastisphere to humans and the environment due to the possible transportation of pathogenic organisms, ARGs, and invasive species.
Hypothesis and objectives define the hypothesis underlying the development of this doctoral thesis and details its objectives Chapter 2 analyzes the bacterial and fungal communities formed in reverse osmosis membranes during their useful life. Reverse osmosis membranes are made of different polymers layers. The external one shows a tendency to become coated with different types of microorganisms in a biofilm, commonly denoted as biofouling, that reduces membrane lifetime. Noticeably, the viability of these microorganisms, once membranes are discarded, is essentially unknown. The chapter focuses on whether key microorganisms exist in reverse osmosis membranes from different origins as well as on the microbial viability and the extent of biofilm formation. Three reverse osmosis membranes were selected, two of them from a salty aquifer treatment system, and one from a seawater desalination plant. The results showed that the origin of treated water strongly affects the microbial community but also that there were common genera in the different membranes, which could play a common role in biofilm formation in reverse osmosis membranes and other plastic substrates.
Chapter 3 focuses on the early bacterial colonization of MPs in contact with the effluent of two wastewater treatment plants with emphasis on the presence of two ARGs (sulI and tetM). Wastewater treatment plants are considered one of the main entry points for MPs and ARGs into the aquatic environment. Despite this fact, there is a lack of knowledge on the capacity of MPs to act as a reservoir of ARGs. The results showed that the location (sampling site), and the properties of the plastic (hydrophobicity and roughness) played an important role in the early bacterial colonization phase. Furthermore, specific genera were detected for each type of polymer, suggesting that polymer type determines the early attachment of bacteria. Although the tested effluents waters contained both ARGs (sulI and tetM were detected) MPs concentrated only sulI gene.
Chapter 4 studies the prokaryotic and eukaryotic community found in four commonly used plastics allowed to colonize for one year in two sections of the same river. Both locations were characterized by very different environmental conditions, one located in a section with natural land use and the other downstream of a wastewater treatment plant. The purpose was to mimic the fate of plastic debris, which could be trapped in the same areafor a long time. The influence of the type of plastic substrate and the specific conditions of the river location on the attached microbial community were studied. Specifically, one of the sampling sites was located close to the discharge of a WWTP to assess the role of wastewater effluents on the ability of plastics to act as a reservoir of ARGs. The results confirmed that the location and type of substrate strongly conditioned the prokaryotic and eukaryotic community developed on plastics, while contact time played a less significant role. The results showed a correlation between the abundance of resistance genes and the concentration of their respective antibiotics.
Chapter 5 explores the ability of greenhouse plastics to act as vectors of bacteria once they are abandoned in the environment at the end of their useful life. Discarded agricultural plastics are often abandoned creating an environmental problem in agricultural areas, and in nearby riverbeds and seas. In this research, greenhouse plastics were collected from greenhouses, and found abandoned near greenhouses, in dry riverbeds, in the river, and in the sea. Therefore, the full path followed by greenhouse plastics from use to the sea was tracked. The results showed a significant difference in the microbial communities attached to plastics taken from the river and the sea in comparison with those taken from the soil, denoting an evolution in the microbial community attached to the plastics. Nevertheless, the presence of several genera attached to the plastic independently of the sampling location confirmed the role of plastics as vectors of microorganisms.
Chapter 6 is a General Discussion which summarizes the results of the doctoral thesis, discussing the relationship between the different chapters and with the objectives stated in this document. Finally, the General Conclusions outlines the conclusions obtained in this Doctoral dissertation.
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