Mikroplastik – miniaturowe cząstki tworzyw sztucznych, których rozmiar nie przekracza pięciu milimetrów, naukowcy znajdują dziś wszędzie. Wraz z opadami atmosferycznymi dociera w tak niedostępne rejony świata jak wysokogórskie jeziora w Himalajach czy lodowce Arktyki.
Wiadomo, że tworzywa sztuczne szkodzą ptakom, ssakom morskim czy rybom, wciąż jednak mało wiemy o ich wpływie na relacje wewnątrzgatunkowe stworzeń stojących u podstaw wodnych sieci pokarmowych.
Zespół badaczy z Wydziału Biologii UW – mgr Marcin Żebrowski, dr Ewa Babkiewicz, dr Piotr Maszczyk, Natalia Sipa, dr hab. Mirosław Ślusarczyk, prof. ucz. – postanowił sprawdzić, jak na ekspozycję na mikroplastik reaguje rozwielitka Daphnia pulex. To niewielki skorupiak. Pełni on kluczową rolę w ekosystemach słodkowodnych, m.in. filtrując wodę i kontrolując rozwój glonów. Stanowi też główne źródło pokarmu dla wielu gatunków ryb.
Większość dotychczasowych analiz skupiała się wyłącznie na pojedynczych, laboratoryjnych organizmach hodowanych w izolacji. Tymczasem w naturalnym środowisku zwierzęta te bezustannie ze sobą konkurują.
Badacze postawili fundamentalne pytanie: czy stale obecny w środowisku wodnym mikroplastik zmienia relacje konkurencyjne między odmiennymi genetycznie osobnikami wewnątrz jednej populacji?
– W badaniu zestawiliśmy klony pochodzące z dwóch kontrastujących typów siedlisk: zbiorników leśnych, uznawanych za słabiej przekształcone przez człowieka, oraz zbiorników wiejskich, potencjalnie silniej narażonych na różnorodne presje antropogeniczne. Spodziewaliśmy się, że w obecności mikroplastiku klony wiejskie będą wykazywały większą przeżywalność, lepsze tempo wzrostu populacji lub większą siłę konkurencyjną względem klonów leśnych. Hipoteza ta nie została jednak potwierdzona – mówi Marcin Żebrowski z Zakładu Hydrobiologii, Instytutu Ekologii, Wydziału Biologii UW.
Naukowcy intuicyjnie zakładali, że populacje zasiedlające stawy wiejskie, zlokalizowane blisko gospodarstw domowych, pól uprawnych i dróg, regularnie stykają się z całą gamą zanieczyszczeń spływających z tychże pól czy dróg. Teoretycznie taka długotrwała presja powinna skutkować lokalnym przystosowaniem i wyselekcjonować osobniki o znacznie wyższej ogólnej tolerancji na stresor, jakim jest mikroplastik.
Spodziewano się, że w bezpośrednim starciu klony wiejskie z łatwością wyprą i zdominują swoich krewniaków z czystych, odizolowanych zbiorników leśnych ukrytych w głębi Puszczy Piskiej, stając się wyraźnymi beneficjentami ekologicznego kryzysu. Stało się jednak inaczej.
– Mogło to wynikać z faktu, że presja antropogeniczna, w tym ekspozycja na mikroplastik, była w siedliskach wiejskich zbyt słaba lub zbyt krótkotrwała, aby doprowadzić do wyraźnej selekcji klonów lepiej zaadaptowanych do tego konkretnego stresora. Innym możliwym wyjaśnieniem jest to, że klony z obu typów siedlisk pochodziły z niewielkiego obszaru geograficznego i mogły należeć do podobnej puli genowej, przez co różnice w ich tolerancji na mikroplastik były zbyt małe, aby ujawnić się w czasie eksperymentu. Niewykluczone, że wynik konkurencji byłby inny, gdyby klony leśne zestawiono z klonami pochodzącymi ze zbiorników silnie zanieczyszczonych, na przykład zlokalizowanych w dużych aglomeracjach miejskich – mówi badacz.
Wojna klonów w kontrolowanych warunkach
Aby zweryfikować te przypuszczenia biolodzy z UW zaprojektowali rygorystyczny i skomplikowany, 30-dniowy eksperyment laboratoryjny.
Do badań wykorzystali sześć genetycznie odmiennych klonów Daphnia pulex, które połączono w trzy pary o kontrastowym pochodzeniu. Genotyp każdego pojedynczego osobnika użytego w testach został uprzednio drobiazgowo zweryfikowany za pomocą elektroforezy allozymowej. To technika biochemiczna i genetyczna służąca do wykrywania zmienności genetycznej w naturalnych populacjach, analizująca aktywność specyficznego enzymu, czyli izomerazy glukozo-6-fosforanowej (GPI).
Rozwielitki umieszczono w czterolitrowych akwariach z borokrzemowego szkła, zanurzonych w specjalnych łaźniach termostatycznych dbających o utrzymanie stałej, optymalnej temperatury – 21°C. Część populacji żyła w czystej wodzie, stanowiąc grupę kontrolną, natomiast pozostałe akwaria poddano nieustannej ekspozycji na starannie przygotowaną mieszaninę polistyrenowych mikrocząstek o różnych wymiarach.
– W eksperymencie zastosowaliśmy mieszaninę cząstek o średnicy 1 i 25 µm, ponieważ oba rozmiary mieszczą się w zakresie cząstek wychwytywanych przez aparat filtracyjny rozwielitek, ale odpowiadają różnym frakcjom ich potencjalnego pokarmu – tłumaczy badacz.
Frakcja o średnicy mikrometra odpowiada wielkością komórkom bakteryjnym, podczas gdy większe drobiny o rozmiarze 25 mikrometrów imitują optymalne dla Daphnia komórki fitoplanktonu, stanowiące podstawę ich codziennej diety.
Zastosowane w akwariach stężenia cząstek były celowo wysokie i wynosiły odpowiednio 800 tysięcy mniejszych cząstek oraz 8 tysięcy większych cząstek na każdy litr wody. Choć wartości te przewyższają średnie pomiary obecnie notowane w czystych zbiornikach naturalnych, to idealnie odzwierciedlają warunki ekstremalne oraz ramy stosowane w nowoczesnych testach ekotoksykologicznych.
– Zastosowaliśmy stałą, limitowaną dawkę pokarmu, aby zwiększyć konkurencję o zasoby między osobnikami i tym samym lepiej ujawnić ewentualne różnice w zdolnościach konkurencyjnych poszczególnych klonów. Przy dużej dostępności pokarmu nawet słabiej konkurujące genotypy mogą utrzymywać podobne tempo wzrostu i rozrodu, natomiast przy ograniczonych zasobach większego znaczenia nabierają różnice w efektywności zdobywania i wykorzystywania pokarmu. Takie warunki lepiej odzwierciedlają również sytuacje często występujące w środowisku naturalnym – wyjaśnia Marcin Żebrowski.
Wprowadzenie rygorystycznego limitu pokarmowego w postaci dobowej racji zielonych glonów Chlamydomonas klinobasis miało kluczowe znaczenie dla wywołania silnej, wewnątrzgatunkowej konkurencji o zasoby.
W bogatym środowisku, gdzie pożywienia jest pod dostatkiem, subtelne różnice w kondycji poszczególnych osobników mogłyby zostać całkowicie zamaskowane. Dopiero w warunkach niedoboru energii i konieczności ciągłego filtrowania wody, w której pływały nieużyteczne metabolicznie cząstki tworzyw, ujawniła się prawdziwa cena, jaką organizmy płacą za życie w zanieczyszczonym środowisku.
Głodujące rozwielitki zmuszone były do ciągłego nakładu energetycznego na oczyszczanie przewodu pokarmowego z plastiku, co postawiło je na skraju wytrzymałości fizjologicznej.
Demograficzny kryzys w kropli wody
Wyniki eksperymentu przyniosły niepokojące wnioski dotyczące struktury wiekowej populacji. Okazało się, że obecność polistyrenowego mikroplastiku drastycznie obniżyła ogólną liczebność i zagęszczenie skorupiaków w dwóch z trzech badanych par klonów. Spadek ten nie miał jednak charakteru gwałtownego, a co za tym idzie nagłego załamania całego systemu.
– Wyniki sugerują, że mikroplastik wpływał przede wszystkim na dynamikę osobników młodocianych i tempo wzrostu całej populacji, podczas gdy badane parametry rozrodu pozostawały względnie stabilne. Przy ograniczonej dostępności pokarmu samice dysponują mniejszą ilością energii, którą mogą przeznaczyć na rozwój potomstwa. Jeżeli do jaj trafia mniej substancji zapasowych, młode rozpoczynają życie z mniejszymi rezerwami energetycznymi. Może to spowalniać ich wzrost, opóźniać osiąganie dojrzałości oraz zwiększać podatność na głód i dodatkowy stres wywołany obecnością mikroplastiku. W naszym doświadczeniu nie mierzyliśmy jednak wielkości jaj, neonatów (nowo urodzonych osobników – przyp. red.) ani ilości zgromadzonych w nich substancji zapasowych, dlatego mechanizm ten pozostaje prawdopodobnym wyjaśnieniem, a nie bezpośrednio potwierdzonym wynikiem – komentuje Marcin Żebrowski.
Mikroplastik nie zablokował mechanicznie samego procesu formowania jaj, a odsetek samic noszących jaja w komorach lęgowych oraz średnia wielkość miotu pozostały na stabilnym poziomie w obu wariantach eksperymentu.
Zanieczyszczenie doprowadziło jednak do głębokich zaburzeń na poziomie metabolicznym. Dorosłe rozwielitki traciły ogromne ilości energii na próby usuwania i wydalania niejadalnych cząstek, przez co drastycznie skracała się ich długość życia, a osłabione organizmy po prostu szybciej ginęły. Ostatecznie, stabilność demograficzna całego stada została zachwiana.
Stabilność w czasach zarazy
Trzydzieści dni trwania eksperymentu to czas odpowiadający około trzem lub czterem pokoleniom rozwielitek. Wykazał on całkowity brak różnic w strukturze genetycznej badanych populacji. Udziały poszczególnych klonów w zbiornikach poddanych presji plastiku i w zbiornikach kontrolnych były niemal identyczne. Hipoteza o rzekomej przewadze ewolucyjnej klonów pochodzących ze środowisk wiejskich została więc obalona.
Stały dopływ pokarmu nie był korygowany w dół wraz ze spadkiem liczby osobników, zmniejszenie gęstości populacji wywołane plastikiem paradoksalnie zwiększyło ilość jedzenia przypadającą na jedną ocalałą głowę. To gęstościozależne zjawisko zamortyzowało negatywne skutki ekotoksyczne, chroniąc słabsze genetycznie klony przed ostateczną eliminacją.
Głównym i najbardziej uniwersalnym wnioskiem płynącym z pracy warszawskich biologów jest wyraźne rozdzielenie bezpośrednich skutków ekologicznych od długofalowych odpowiedzi ewolucyjnych.
Badania dowodzą, że destrukcyjny wpływ antropogenicznych zanieczyszczeń na liczebność i strukturę demograficzną populacji ujawnia się znacznie wcześniej, zanim w strukturze genetycznej gatunku zarysują się jakiekolwiek mierzalne zmiany o charakterze adaptacyjnym. Dla trwałości ekosystemów to alarmująca wiadomość – populacje mogą sukcesywnie ginąć, nie wykazując przy tym żadnych ewolucyjnych oznak obrony.
Wielopokoleniowy i realistyczny obraz zmian wymagałby wydłużenia czasu trwania eksperymentów do minimum kilku miesięcy, a nawet lat, co pozwoliłoby na prześledzenie losów kilkudziesięciu następujących po sobie generacji skorupiaków. Ponadto w naturalnych ekosystemach słodkowodnych presja wywołana plastikiem nigdy nie występuje w izolacji, lecz nakłada się na ciągłe wahania termiczne, okresowe deficyty tlenowe czy stałe zagrożenie ze strony drapieżnych ryb i larw owadów. Dopiero wprowadzenie tych dodatkowych czynników stresogennych do modeli badawczych pozwoli w pełni zrozumieć ukryte dotąd mechanizmy selekcji.
Niezwykle obiecującym i wymagającym zbadania kierunkiem jest również analiza zmian w składzie mikrobiomu jelitowego rozwielitek, ponieważ zasiedlające przewód pokarmowy bakterie mogą ulegać gwałtownym przekształceniom pod wpływem połykanego plastiku, co bezpośrednio modyfikuje odporność ich gospodarza.
Jednak już prezentowane badania stanowią znaczny postęp w zrozumieniu ukrytych mechanizmów, za pomocą których współczesne zanieczyszczenia degradują biologiczną strukturę wód słodkich.
Badania wykazują, że ekosystemy słodkowodne mogą tracić swoją wydolność demograficzną w sposób niezwykle skryty. Ta niebezpieczna dysocjacja czasowa między natychmiastowym spadkiem kondycji populacji a powolnym procesem naturalnej selekcji stawia pod znakiem zapytania dotychczasowe uproszczone modele oceny ryzyka środowiskowego, oparte wyłącznie na monitorowaniu bioróżnorodności genetycznej.
Badania sfinansowano ze środków grantu OPUS 18 Narodowego Centrum Nauki (2019/35/B/NZ8/04523) pt. „Wpływ mikroplastiku na wybrane ekologiczne interakcje między organizmami wodnymi”, kierowanego przez dr. Piotra Maszczyka, a także w ramach Projektu Młodych Badaczy Wydziału Biologii UW oraz programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”. Artykuł „Microplastics reduce population viability without shifting clonal structure in Daphnia pulex” opublikowano w czasopiśmie Ecotoxicology and Environmental Safety. Powstał on we współpracy z Natalią Sipą, dr Ewą Babkiewicz, dr. hab. Mirosławem Ślusarczykiem, prof. ucz., oraz dr. Piotrem Maszczykiem, promotorem pracy doktorskiej mgr. Marcina Żebrowskiego.
