Nanoplasticele de polistiren influențează supraviețuirea Salmonella și rezistența la antibiotice

Un studiu experimental a analizat modul în care nanoplasticele din polistiren influențează fiziologia și virulența bacteriei Salmonella enterica. Cercetarea condusă de Colegiul de Științe Agricole, ale Consumatorilor și ale Mediului al Universității din Illinois arată că aceste particule de nanodimensiuni pot modifica supraviețuirea bacteriană, răspunsul la stres, formarea biofilmului și expresia genelor de virulență, sugerând un potențial impact asupra transmiterii agenților patogeni alimentari.

Idei principale

• Nanoplasticele din polistiren se atașează la suprafața bacteriei Salmonella enterica și modifică proprietățile membranei celulare.
• Expunerea determină activarea genelor de stres, virulență și rezistență la antibiotice.
• Nanoplasticele stimulează formarea biofilmului bacterian și modifică compoziția matricei extracelulare.
• Stresul oxidativ și permeabilitatea membranei cresc odată cu concentrația particulelor.
• Efectele depind de doză și timp: expunerea moderată crește temporar virulența, iar expunerea prelungită reduce invazia celulară.

Context

Poluarea cu materiale plastice reprezintă una dintre cele mai mari provocări de mediu ale ultimelor decenii. După fragmentarea deșeurilor plastice, se formează microplastice (sub 5 mm) și ulterior nanoplastice, particule cu dimensiuni sub 100 nanometri. Acestea prezintă proprietăți fizico-chimice distincte, inclusiv o suprafață reactivă mare și capacitatea de a traversa membrane biologice.

Nanoplasticele pot interacționa cu biomoleculele și microorganismele din mediul înconjurător. Suprafețele lor pot fi colonizate de bacterii și pot favoriza formarea biofilmelor, structuri comunitare care conferă microorganismelor protecție împotriva stresului și a sistemului imun. În aceste biofilme pot avea loc schimburi genetice intense, inclusiv transferul genelor de rezistență la antibiotice.

Salmonella enterica este un patogen alimentar major, responsabil anual pentru aproximativ 1,35 milioane de infecții la nivel global. Capacitatea sa de a supraviețui în medii diverse și de a contamina alimentele gata pentru consum o transformă într-un model relevant pentru studierea interacțiunilor dintre bacterii și nanoplastice.

Despre studiu

Design experimental

Cercetătorii au investigat efectele nanoplasticelor din polistiren asupra unui izolat multirezistent de Salmonella enterica. Experimentele au fost realizate folosind particule cu dimensiunea de aproximativ 50 nm, modificate chimic cu grupări amine.

Bacteriile au fost expuse la diferite concentrații de nanoplastice:

• expunere scăzută: 2,5–5 mg/L
• expunere moderată: 10–20 mg/L
• expunere ridicată: 50–100 mg/L

Analizele au fost realizate după 24 și 72 de ore de expunere și au inclus:

• microscopie electronică pentru observarea interacțiunilor bacterie–nanoplastic
• determinarea viabilității bacteriene
• analiza expresiei genelor prin PCR cantitativ
• evaluarea formării biofilmului
• măsurarea stresului oxidativ și a integrității membranei
• teste de atașare și invazie în celule epiteliale intestinale Caco-2

Rezultate

Caracteristicile nanoplasticelor

Analiza fizico-chimică a particulelor a evidențiat:

• diametru hidrodinamic mediu: 72,75 ± 15,75 nm
• indice de polidispersitate: 0,313
• potențial zeta: +44,6 ± 6,98 mV

Aceste valori indică o suspensie coloidală relativ stabilă și o distribuție moderată a dimensiunilor particulelor.

Interacțiunea dintre bacterii și nanoplastice

Microscopia electronică a arătat că nanoplasticele se atașează direct de suprafața bacteriilor. La concentrații mari, particulele formează agregate dense în jurul celulelor bacteriene, fără a modifica vizibil morfologia acestora.

Viabilitatea bacteriană

Rezultatele au indicat un răspuns dependent de doză. După 24 de ore, viabilitatea bacteriană a crescut progresiv, atingând o creștere de aproximativ 49,2% la concentrația de 100 mg/L.

După 72 de ore, viabilitatea a rămas peste nivelul controlului, dar a prezentat o ușoară scădere la concentrațiile cele mai ridicate, sugerând un efect adaptativ inițial urmat de stres celular.

Modificări ale expresiei genice

Expunerea la nanoplastice a modificat expresia mai multor categorii de gene:

• gene de virulență: invA, invF, sipA, ail
• gene de răspuns la stres: rpoH, rpoS, osmY
• gene implicate în biofilm: bssS, sdiA, lsrA
• gene de rezistență la antibiotice: acrA, acrB, marA

La expunerea moderată (10–20 mg/L), genele de virulență au fost semnificativ activate după 24 de ore. De exemplu:

• expresia ail a crescut de aproximativ 2,3 ori
• expresia sipA a crescut cu aproximativ 0,74 fold

După 72 de ore, multe dintre aceste gene au prezentat o scădere a expresiei, sugerând o adaptare bacteriană la stresul indus de particule.

Formarea biofilmului

Nanoplasticele au stimulat puternic formarea biofilmelor. Volumul biofilmului a crescut semnificativ la concentrația de 20 mg/L, atingând aproximativ 1.839.393 µm³.

După 72 de ore, biovolumul biofilmului a crescut și mai mult, ajungând la:

• 3.068.690 µm³ la concentrația de 50 mg/L
• peste dublul valorii observate în grupul de control

Compoziția biofilmului

Nanoplasticele au influențat și compoziția matricei extracelulare a biofilmului:

• conținutul de carbohidrați a crescut până la 87,10 µg/mL
• conținutul de proteine a atins valori de până la 123,60 µg/mL

Aceste modificări reflectă o consolidare structurală a biofilmului bacterian.

Stres oxidativ și integritatea membranei

Expunerea la nanoplastice a determinat:

• creșterea permeabilității membranei bacteriene
• creșterea nivelurilor de specii reactive de oxigen
• intensificarea peroxidării lipidice

La concentrația de 100 mg/L, permeabilitatea membranei a crescut de peste 6 ori comparativ cu cea mai mică concentrație testată.

Interacțiunea cu celulele epiteliale intestinale

Experimentele realizate pe linia celulară Caco-2 au arătat că expunerea bacteriilor la nanoplastice modifică capacitatea acestora de a infecta celulele gazdă.

După 24 de ore, atașarea bacteriană a crescut până la 80,69% la concentrația de 100 mg/L, comparativ cu 39,78% în control.

În mod similar, invazia celulară a crescut de aproximativ 3 ori la concentrațiile mari de nanoplastice.

După 72 de ore, însă, aceste valori au scăzut semnificativ, sugerând că stresul prelungit reduce capacitatea patogenă.

Interpretarea rezultatelor

Rezultatele indică faptul că nanoplasticele pot acționa simultan ca:

• factori de stres pentru bacterii
• suprafețe microscopice care favorizează colonizarea și formarea biofilmelor

Expunerea moderată stimulează temporar mecanismele de virulență și adaptare, crescând capacitatea bacteriilor de a se atașa de celulele gazdă. În schimb, expunerea prelungită sau la concentrații ridicate determină un compromis metabolic: bacteriile prioritizează supraviețuirea și răspunsul la stres în detrimentul virulenței.

Concluzii

Studiul demonstrează că nanoplasticele din polistiren pot modifica profund comportamentul biologic al Salmonella enterica. Aceste particule influențează viabilitatea bacteriană, răspunsul la stres oxidativ, formarea biofilmelor și expresia genelor de virulență și rezistență la antibiotice.

Aceste rezultate sugerează că nanoplasticele prezente în mediul alimentar sau în infrastructura de procesare ar putea contribui la persistența agenților patogeni și la transmiterea bolilor alimentare. Monitorizarea contaminării cu nanoplastice în lanțul alimentar ar putea deveni astfel o componentă importantă a strategiilor de siguranță alimentară.