Prokaryotic communities and plastic pollution in the ocean - Gomes Ribeiro Teixeira Pinto, Maria (2020)
Die Plastikverschmutzung der Ozeane ist eines der größten Umweltprobleme in den letzten Jahrzehnten. Der Anstieg der Plastikproduktion und des damit einhergehenden Abfalls hat zu einem Anstieg an Plastik in den Ozeanen geführt. Das Ausmaß der Auswirkung von Plastikverschmutzung auf marine Lebensräume ist noch nicht vollständig geklärt, und das Schicksal von Plastik in den Ozeanen ist unbekannt. Das Verstehen des Einflusses von Mikroben auf Plastik und vice versa, ist essentiell, um den Lebenszyklus des Plastiks und dessen Einfluss auf die Ozeane der Welt zu verstehen. Diese Arbeit versucht Aufschluss über die Interaktion zwischen Plastik und prokaryotischen Gemeinschaften, sowohl in der Wassersäule als auch auf Plastik an der Meeresoberfläche zu geben. Unterschiede im Besiedlungsmuster prokaryotischer Gemeinschaften unter unterschiedlichen Lichtverhältnissen,wurden in dieser Arbeit untersucht. Bakterien und deren Stoffwechselwege, die auf einen möglichen Abbau von Low-Density-Polyethylene (LDPE) und / oder zugehörigen Stoffen hinweisen, wurden identifiziert. Der Einfluss des Auswaschen von gelösten organischen Kohlenstoff auf die mikrobielle Aktivität im Meereswasser wurde ebenfalls untersucht. Im Ozean wird Plastik von einem diversen Biofilm von Prokaryoten und Eukaryoten kolonialisiert. Die grundlegenden Faktoren, die die Kolonialisierung von Plastik bestimmen, sind großteils noch unbekannt. Um zu untersuchen wie verschiedene prokaryotische Gemeinschaften verschiedene Arten von Plastik unter denselben Umständen kolonialisieren, wurden fünf verschiedene Arten von Plastik und Glas für zwei Monate im nordadriatischen Meer abgedunkelt und in Umgebungslicht inkubiert. Die Zusammensetzung der prokaryotischen Gemeinschaften der diversen Biofilme wurde dann nach einer Woche, einem Monat und zwei Monaten via 16S rRNA Genanalyse untersucht. Die fünf Plastiktypen, die im Experiment verwendet wurden, waren LDPE, High-Density-Polyethylene (HDPE), Polypropylene (P), Polyvinylchlorid (PVC) mit di-isononyl Phthalate (DINP) als Zusatzstoff und PVC mit bis(2-ethylhexyl) Phthalate (DEHP) als Zusatzstoff. Insgesamt war die Zusammensetzung der prokaryotischen Gemeinschaft auf LDPE, HDPE, PP und Glas relativ ähnlich, und unterschiedlich zu der Zusammensetzung des Biofilms auf PVC. Der Unterschied war deutlicher nach einer Woche der Inkubation, und nahm in den späteren Phasen der Biofilmentwicklung ab. Gleichzeitig gab es Taxa die bestimmte Typen von Plastik gegenüber den anderen Typen und Glas bevorzugt haben, speziell nach einer Woche Inkubation. Oberflächeneigenschaften sind ein bekannter Einflussfaktor bei Etablierung von Biofilmen auf Oberflächen und könnten der Grund für die beobachteten Unterschiede zwischen den verschiedenen Plastiktypen sein. Die Präsenz und Konzentration von Zusatzstoffen könnten auch eine wichtige Rolle in der Entwicklung von Biofilmen spielen. Drei PE Biofilme wurden für zwei Jahre mit LDPE als einzige Kohlenstoffquelle in künstlichem Meerwasser inkubiert. Die Gemeinschaften die mit LDPE als einzige Kohlenstoffquelle überlebt haben, wurden nach einem und nach zwei Jahren mit metagenomischen Analysen untersucht. Die Analysen zeigten einen Anstieg der Häufigkeit einer taxonomisch diversen Gemeinschaft, mit einer vorherrschenden Anreicherung von Mitgliedern der Rhodobacteraceae, der Plantcomycetota und mit Repräsentanten der Alcanivoraceae. Genomische Analysen von Metagenome Assembled Genomes (MAGs) mehrerer dieser Bakterien zeigten, dass die Mehrheit der Bakterien Gene besitzen, die die essentiellen Enzyme zur Zersetzung von Alkanen kodieren, insbesondere Gene die Tenside kodieren, Alkan Transporter, Alkohol und Aldehyd-Dehydrogenase, und Gene die Enzyme kodieren welche verantwortlich für die initiale Oxidierung von Alkanen sind, wie die Gene alkB, CYP153, LadA und AlmA. Auch manche dieser Gene zeigten einen Anstieg in relativer Häufigkeit mit fortschreitender Inkubationsdauer in allen Inkubationen. Viele der Bakterien die in den LDPE Inkubationen angereichert wurden, waren allgegenwärtig auf Plastik welches im Nordatlantik, im Pazifik und im nordadriatischen Meer gesammelt wurde. Weiters zeigte die 16S rRNA Genanalyse, dass Mitglieder der Rhodobacteracaea, welche in LDPE Inkubationen angereichert wurden, LDPE und PE in den in-situ Inkubationen im nordadriatischen Meer gegenüber PP und Glas bevorzugten. Alles zusammengenommen deutet darauf hin, dass manche Mitglieder von Biofilmen auf Plastik in den Ozeanen das Potential zur Zersetzung von PE Polymer oder PE-verwandten Stoffen haben und dass Abbauwege von Alkanen beteiligt sein könnten. Plastic pollution in the ocean has become one of the major environmental concerns of the last decades. Increase in plastic production and consequently waste has been accompanied with an increase in plastic debris in the ocean. The extent of the impact plastic pollution has on marine environments is still unclear, and the fate of plastic in the oceans is unknown. Understanding the influence of microbes on plastics and vice versa is essential to understand the lifecycle of plastics and their impact in the world’s oceans. This thesis aimed at shedding light on the interaction between plastics and prokaryotic communities living in the seawater and attached to the plastics at the sea surface. Differences in prokaryotic colonization patterns under both dim and ambient light conditions on different plastics were studied. Bacteria and associated metabolic pathways putatively indicating degradation of low-density polyethylene (LDPE) and/or associated compounds were identified. The influence of plastic leachates on the dissolved organic carbon (DOC) pool and microbial activity in the seawater was also investigated. Once in the ocean, plastics become colonized by a taxonomical diverse biofilm of prokaryotes and eukaryotes. The underlying factors determining plastic colonization are still to be understood. To determine whether different prokaryotic communities colonize different plastics under the same conditions, five different plastics and glass were incubated in the North Adriatic Sea over two months under both, dim and ambient light conditions. The prokaryotic community composition of their biofilm was then analyzed after one week and after one and two months via 16S rRNA gene analysis. The five plastics used in these experiments were LDPE, high-density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC) with diisononyl phthalate (DINP) as an additive and PVC with bis(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) as an additive. Overall, the prokaryotic community composition of LDPE, HDPE, PP and glass was relatively similar between each other and different from those of the biofilm of the PVC. This difference was more pronounced after one week of incubation and decreased in later stages of biofilm development. At the same time, there were certain taxa that discriminated for certain plastics over the others and over glass, also especially after one-week incubation. Surface properties are known to influence biofilm establishment on surfaces and might have been the cause for the observed differences between different plastics. The presence and concentration of additives could also play an important role in the biofilm development. Three PE biofilms were incubated in artificial seawater with LDPE as the sole carbon source for two years. Metagenomic analysis was used to investigate the consortiums surviving with LDPE as sole carbon source after one- and two-years incubations. The analysis revealed an increase in the abundance of a taxonomically diverse consortium of bacteria with a predominant enrichment of members from the Rhodobacteraceae family, the Planctomycetota phylum and bacteria associated to the Alcanivoraceae family. Genomic analysis of metagenome assembled genomes (MAGs) of several of these bacteria revealed that the majority harbored genes encoding for the essential enzymes for alkane degradation, particularly genes encoding surfactants, alkane transporters, alcohol and aldehyde dehydrogenases and genes encoding enzymes responsible for the initial oxidation of alkanes such as genes alkB, CYP153, LadA and AlmA. Some of these genes also increased in relative abundance over time in all incubations. Several of the bacteria that were enriched in the LDPE incubations were also found to be ubiquitous on the biofilm of plastics collected in the North Atlantic, the Pacific and the North Adriatic. Furthermore, 16S rRNA gene analysis also revealed that members of the Rhodobacteraceae family enriched in LDPE-incubations discriminated for LDPE and PE in the in-situ incubations performed in the North Adriatic in comparison to PP and glass. Taken together, this indicates that some members of the biofilm of plastics in the ocean might have the potential to degrade the PE polymer or PE-associated compounds and that alkane degradation pathways might be involved.