Microplastiche e batteri: una lama a doppio taglio

Poche sono le conoscenze degli effetti diretti delle microplastiche e dei loro additivi organici sui batteri marini.
Per iniziare a comprendere come i nostri cari microrganismi siano affetti dallo sfrenato uso della plastica, i ricercatori dell’Università delle Isole Baleari (Palma de Mallorca) in collaborazione con l’Università di Antofagasta (Chile), hanno portato avanti uno studio mirato a valutarne gli effetti quantitativi e qualitativi sulla popolazione microbica marina.

Plastica, microplastica, di cosa dobbiamo preoccuparci?

Il concetto di “spreco“, per quanto riguarda la plastica, è duramente condannato al giorno d’oggi. Tutti i giorni utilizziamo, anche non facendoci caso, prodotti di plastica: la piccola bottiglia dell’acqua, la busta della spesa, la carta del nostro snack preferito o gli imballaggi di prodotti di varia natura. Tutta questa serie di prodotti, che li si voglia ritenere inutili e sostituibili o meno, finisce inevitabilmente in qualche luogo. Se correttamente smaltita, nella maggior parte dei casi non presenta un problema per l’ambiente, ma nel momento in cui essa viene gettata incorrettamente?

Tutto ciò, in un modo o in un altro, arriva nei nostri meravigliosi mari. Qui la plastica può subire diversi destini. Essenzialmente, possiamo avere 4 tipi di prodotti finali, derivanti dall’incorretto smaltimento di questo materiale (Fig. 1):

Macroplastiche (>250 mm)
Mesoplastiche ( 1-25 mm)
Microplastiche (1–1,000 μm)
Nanoplastiche (<1 μm)

Microplastiche abbandonate contaminate da batteri — *Figura 1 – Plastica smaltita illegalmente [Fonte: Carlos Miguel Forero]*

Le più preoccupanti tra queste sono le microplastiche, poiché fanno parte di quella serie di detriti definiti “marine litter” che hanno effetti devastanti sull’ambiente marino.

Inoltre sappiamo che i detriti plastici, oltre a scomporsi in componenti più piccole, sono in grado di:

Assorbire sulla propria superficie molecole di composti inquinanti idrofobici (PCB, DDT e suoi metaboliti).
Rilasciare nei processi di degradazione sostanze quali ftalati, bisfenolo A, alchilfenoli e altri intermedi chimici inquinanti.

Gli impatti sul biota, tra cui anche il microbiota, sono in gran parte sconosciuti. Il pericolo maggiore deriva dal passaggio di questi detriti nella catena alimentare, di cui la percentuale maggiore è rappresentata appunto dalle microplastiche. D’altronde, secondo un recente studio, queste microplastiche possono contaminare addirittura la placenta umana, trasportate dal flusso ematico e con possibili esiti dannosi per la salute del feto.

Attuali conoscenze sulle relazioni tra particelle microplastiche e batteri

Diversi studi hanno approfondito le relazioni che legano i rifiuti plastici e il microbiota marino.
Sappiamo che alcuni batteri marini sono in grado di degradare rifiuti plastici, in particolare il batterio Ideonella sakaiensis 201-F6 (Yoshida, 2016) (Fig.2). Invece altri, fra cui alcuni patogeni, sono in grado di sopravvivere su residui plastici, diffondendosi più facilmente.

Ideonella sakaiensis microplastica e batteri — *Figura 2 –* Ideonella sakaiensis isolato da Yoshida et al.
E’ un batterio capace di crescere su frammenti di microplastica. [Fonte: sciencemag.org]

Lo studio in questione ha valutato diversi fattori della relazione fra batteri e microplastiche.

Tra i fattori più importanti abbiamo la valutazione della crescita, la sovraproduzione di proteine, interazioni fisiche dirette fra batteri e MP (microplastiche), i meccanismi di acquisizione del fosforo e/o il tasso di fissazione dell’azoto atmosferico (N₂).

Inoltre, si tratta della prima ricerca effettuata su microrganismi diazotrofi, ovvero in grado di fissare l’azoto atmosferico in una forma biologicamente più utile come l’ammoniaca.

I ricercatori sono partiti analizzando conoscenze pregresse da altri studi, grazie ai quali sappiamo che le microplastiche possono essere un fattore di stress antropogenico che può influenzare la diversità microbica e il ciclo dell’azoto. Attraverso analisi metagenomiche hanno inoltre rilevato cambi nelle comunità microbiche associate a plastiche galleggianti, ipotizzando cosi che le risposte biologiche siano inoltre specie-specifiche.

Lo studio: può la concentrazione di microplastica influenzare i batteri?

Inizialmente sono state selezionate cinque specie marine azotofissatrici (due ceppi di cianobatteri e tre di batteri eterotrofici). Prima dell’inizio della sperimentazione, le cellule sono state acclimatate e coltivate nei loro rispettivi mezzi di coltura ideali per permettergli di raggiungere la loro fase esponenziale. In questo caso i terreni di coltura erano composti da:

Componente liquida (MB, marine broth o brodo marino)
SSW (acqua marina sintetica)

Le cellule sono state acclimatate a 25°C a 120 r.p.m. in un agitatore rotante con un fotoperiodo di 12 h di oscurità e 12 h di luce (luce fluorescente a bassa intensità).
Successivamente poi messe a contatto con le microplastiche e gli additivi nelle stesse condizioni di coltura iniziali per 72 h.
La ricerca può poi essere suddivisa in due fasi, in base alle concentrazioni di MPs e additivi.
Nella prima. le cinque specie selezionate sono state esposte a concentrazioni rilevanti ma paragonabili a quelle ambientali. Nella seconda, denominata dai ricercatori “Worst Case” (peggior scenario), sono stati utilizzati invece solo due ceppi batterici modello, rispettivamente un cianobatterio ed un batterio eterotrofico tra quelli preventivamente selezionati.

Risultati della ricerca: Fase 1

La maggior parte dei batteri diazotrofi, nella fase 1 dello studio, non ha subito importanti influenze dalla relazione con microplastiche di varia natura, tranne che per l’aumento significativo della fase di crescita dei cianobatteri selezionati. Questo cambiamento nella fase di crescita dei cianobatteri ha permesso di dedurre che queste relazioni siano influenti in modo specie-specifico.

Gli effetti derivanti dalla presenza di additivi organici meritano invece una diversa analisi. I batteri hanno subìto in questo caso influenze varie a seconda dell’additivo preso in considerazione, assumendo anche in questo caso un andamento specie-specifico. Alcuni dei ceppi selezionati hanno subito un incremento della loro fase di crescita, altri invece un decremento. Questo fenomeno si deve al tipico metabolismo dei singoli ceppi batterici (Fig. 3).

Microplastica e batteri, valori di crescita dei batteri selezionati. — Figura 3 – Influenza delle microplastiche e degli additivi sui valori di crescita nella fase 1. I valori rappresentati sono significativi e le barre di errore rappresentano gli errori standard fra le varie replicazioni dell’esperimento. (n=3) [Fonte: Fernández-Juárez V. et al.,2021]

Gli additivi possono essere assorbiti o liberati dalle microplastiche, con conseguenze diverse in ambo i casi. Se assorbiti, portano vantaggio ai ceppi sensibili e uno svantaggio a quelli che invece utilizzano queste sostanze come fonte di carbonio organico. Al contrario, se rilasciati possono essere invece dannosi per i ceppi sensibili, portando benefici a quei ceppi che li utilizzano come substrato metabolico. Se presenti invece in combinazioni elevate con le stesse particelle microplastiche, l’effetto cumulativo di diversi additivi e micro particelle può essere nullo.

Risultati della ricerca: Fase 2 “Worst-Case“

In questa fase, denominata “peggior scenario”, i ricercatori hanno simulato una possibile situazione in cui le concentrazioni di microplastiche e additivi fossero ben superiori ai livelli critici ambientali di contaminazione di queste sostanze.
L’alta concentrazione di MPS (microplastiche) stimola significativamente la fase di crescita batterica di entrambi i ceppi, specialmente in presenza di residui di PVC. Questo cambiamento è dovuto principalmente all’aumento del carbonio organico disciolto (DOC) nel mezzo, in relazione all’aumento delle concentrazioni di materiale plastico.

In questa seconda fase, viene influenzata anche la produzione di proteine, in particolar modo quelle atte o relazionate con la degradazione plastica. Tra queste troviamo, l’alcol deidrogenasi (ADH, Fig.4) e un trasportatore di carbonio (C4-ABCS), sovraprodotte nel ceppo eterotrofo di Cobetia sp. ma non ritrovabili nel cianobatterio Halothece sp.

struttura alcol deidrogneasi di Cobetia sp. — *Figura 4 – Analisi strutturale dell’alcol deidrogenasi (ADH) di* Cobetia sp. [Fonte:Fernández-Juárez V. et al.,2021]

Invece, l’effetto di alte concentrazioni di additivi come nella prima fase dello studio sembra creare situazioni contrastanti e variabili a seconda del tipo di additivo e del metabolismo della specie in analisi.
Per cui la concentrazione degli additivi ha un peso minore, nell’influenzare gli effetti sulle popolazioni microbiche, poiché essi sono presenti anche a concentrazioni minori.

Ulteriori fattori relazionali tra microplastiche e batteri

Esistono ulteriori fattori che possono andare a influire sul microbiota, quali la grandezza dei microframmenti e le proprietà chimico-fisiche. La dimensione dei frammenti sembra assumere un ruolo fondamentale, andando a influenzare l’area di superficie su cui le cellule batteriche possono proliferare. Esse avranno maggiori possibilità di aderire ai frammenti qualora questi siano di dimensioni più elevate. Nei processi di adesione entrano in gioco anche fattori idrodinamici e elettrostatici che possono variare da caso a caso e influire sulla crescita e sulla capacità di assorbimento dei nutrienti delle cellule.

interazioni fisiche dirette fra batteri e frammenti — Figura 5 – Interazione fisica diretta tra MPs e specie batteriche selezionate. In particolar modo nelle immagini F-I viene evidenziato come avvenga il rapporto fra le membrane e frammenti di microplastiche. [Fonte:Fernández-Juárez V. et al.,2021]

In particolar modo sembra che l’adesione favorisca l’assorbimento (soprattutto in acque oligotrofiche), favorendo allo stesso tempo la formazione di biofilm microbici, che aumentano a loro volta la superficie atta alla cattura del nutrimento. Frammenti di dimensione più contenuta sembrano sfavorire invece i batteri eterotrofici di dimensioni più piccole, e non i cianobatteri. Per approfondire però questo aspetto, i ricercatori specificano che sarà utile effettuare ulteriori studi. Da prime analisi superficiali sembra che giochi un ruolo fondamentale l’assorbimento di piccoli frammenti di plastica, tramite un contatto fisico diretto. Questi piccoli frammenti creano delle invaginazioni (Fig.5) all’interno delle membrane cellulari, che potrebbero essere la causa scatenante dell’effetto dannoso sulla salute delle popolazioni batteriche di dimensioni minori.

Conclusioni

Da questo importante studio, possiamo dedurre che anche le popolazioni microbiche sono influenzate dalla presenza di plastiche negli oceani. La relazione tra microplastiche e batteri è molto complessa e per avere un quadro completo della situazione, saranno perciò necessari ulteriori studi. Con le giuste conoscenze è possibile anche giungere all’elaborazione di strategie atte a preservare questi meravigliosi ambienti, con l’aiuto del microbiota marino.

Da questo deduciamo però che anche le popolazioni batteriche possono essere influenzate negativamente dall’inquinamento plastico. Bisogna tener presente che il microbiota marino è alla base dei cicli dei nutrienti che hanno dato origine alla vita sul nostro pianeta, continuando tutt’oggi ad alimentare questi cicli. Qualora questo equilibrio dovesse essere danneggiato, cosa potrebbe accadere al delicato equilibrio ambientale?

I ricercatori cercheranno di prevedere eventuali scenari, tocca a tutti noi però impegnarci per prevenire terribili scenari che porterebbero alla scomparsa di interi ecosistemi fondamentali.

Luigi Gallucci