Microplastic pollution increases gene exchange in aquatic ecosystems

Abstract

Pollution by microplastics in aquatic ecosystems is accumulating at an unprecedented scale, emerging as a new surface for biofilm formation and gene exchange. In this study, we determined the permissiveness of aquatic bacteria towards a model antibiotic resistance plasmid, comparing communities that form biofilms on microplastics vs. those that are free-living. We used an exogenous and red-fluorescent E. coli donor strain to introduce the green-fluorescent broad-host-range plasmid pKJK5 which encodes for trimethoprim resistance. We demonstrate an increased frequency of plasmid transfer in bacteria associated with microplastics compared to bacteria that are free-living or in natural aggregates. Moreover, comparison of communities grown on polycarbonate filters showed that increased gene exchange occurs in a broad range of phylogenetically-diverse bacteria. Our results indicate horizontal gene transfer in this habitat could distinctly affect the ecology of aquatic microbial communities on a global scale. The spread of antibiotic resistance through microplastics could also have profound consequences for the evolution of aquatic bacteria and poses a neglected hazard for human health.

La contaminación por microplásticos en ecosistemas acuáticos se acumula a una escala sin precedentes, lo que la convierte en una nueva superficie para la formación de biopelículas y el intercambio genético. En este estudio, determinamos la permisividad de las bacterias acuáticas hacia un plásmido modelo de resistencia a antibióticos, comparando las comunidades que forman biopelículas en microplásticos con las de vida libre. Utilizamos una cepa donante de E. coli exógena y fluorescente roja para introducir el plásmido pKJK5, de amplio espectro de hospedadores y fluorescente verde, que codifica la resistencia a la trimetoprima. Demostramos una mayor frecuencia de transferencia de plásmidos en bacterias asociadas con microplásticos en comparación con las bacterias de vida libre o en agregados naturales. Además, la comparación de comunidades cultivadas en filtros de policarbonato mostró que se produce un mayor intercambio genético en una amplia gama de bacterias filogenéticamente diversas. Nuestros resultados indican que la transferencia horizontal de genes en este hábitat podría afectar significativamente la ecología de las comunidades microbianas acuáticas a escala global. La propagación de la resistencia a los antibióticos a través de los microplásticos también podría tener profundas consecuencias para la evolución de las bacterias acuáticas y plantea un peligro desatendido para la salud humana.