Bacterial biofilms colonizing plastics in estuarine waters, with an emphasis on Vibrio spp. and their antibacterial resistance

Abstract

Since plastics degrade very slowly, they remain in the environment on much longer timescales than most natural organic substrates and provide a novel habitat for colonization by bacterial communities. The spectrum of relationships between plastics and bacteria, however, is little understood. The first objective of this study was to examine plastics as substrates for communities of Bacteria in estuarine surface waters. We used next-generation sequencing of the 16S rRNA gene to characterize communities from plastics collected in the field, and over the course of two colonization experiments, from biofilms that developed on plastic (low-density polyethylene, high-density polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polystyrene) and glass substrates placed in the environment. Both field sampling and colonization experiments were conducted in estuarine tributaries of the lower Chesapeake Bay. As a second objective, we concomitantly analyzed biofilms on plastic substrates to ascertain the presence and abundance of Vibrio spp. bacteria, then isolated three human pathogens, V. cholerae, V. parahaemolyticus, and V. vulnificus, and determined their antibiotic-resistant profiles. In both components of this study, we compared our results with analyses conducted on paired samples of estuarine water. This research adds to a nascent literature that suggests environmental factors govern the development of bacterial communities on plastics, more so than the characteristics of the plastic substrates themselves. In addition, this study is the first to culture three pathogenic vibrios from plastics in estuaries, reinforcing and expanding upon earlier reports of plastic pollution as a habitat for Vibriospecies. The antibiotic resistance detected among the isolates, coupled with the longevity of plastics in the aqueous environment, suggests biofilms on plastics have potential to persist and serve as focal points of potential pathogens and horizontal gene transfer.

TSC Opinion

Les écosystèmes microbiens ont des particularités que le grand public ne connaît pas bien. Dans les régions humides, marais, marais maritimes ou tout simplement les zones côtières, les bactéries de type vibrio ont toujours été présentes. Certaines sont bien connues pour les épidémies qu’elles ont occasionnées dans le passé, par exemple le choléra. Pas si longtemps en arrière dans l’histoire européenne et française, on retrouve des exemples d’épidémies qui restaient en général localisées. De nos jours, elles sont beaucoup moins fréquentes dans les pays développés par les contrôles sanitaires et les traitements des eaux usées. Toutefois, les consommateurs de produit de la mer, en particulier des coquillages filtreurs, ont tous expérimenté, à un moment ou un autre de leur vie, ces désordres digestifs occasionnés par une de ces bactéries. Certaines produisent des toxines, mais le plus souvent, c’est la déshydratation qui aggrave l’état de santé du malade. Lorsqu’elles sont en faible quantité et qu’elles sont ingérées par un corps en bonne santé immunologique, elles n’ont aucun effet. Ces vibrio sont donc toujours présents dans l’environnement. Les auteurs de cette étude montrent qu’on les retrouve sur les particules en suspension et flottant à la surface de l’eau, en particulier sur les débris plastiques, même de petites tailles. Elles forment ou sont intégrés dans un biofilm qui adhère aux débris. La plupart des bactéries préfèrent être fixées sur un support plutôt que de se développer en suspension dans l’eau, en particulier en mer. Sous cette forme de biofilm, les échanges de matériel génétique entre les bactéries sont plus fréquents. La conséquence est une diffusion plus rapide des gènes de résistance aux antibiotiques dans la population de microorganismes. Ces deux facteurs, support de croissance et diffusion des résistances, font des débris plastiques un facteur de risque pour la santé humaine. Il est toutefois à intégrer avec les autres sources de débris et particules en suspension dans l’eau, comme la déforestation, l’érosion des sols, les dragages …