Diversity and specificity of microplastic-associated bacterial communities: evidences from a marine coral microcosm system

Abstract

Corals are complex organisms in a delicate balance with symbiotic algae, fungi, bacteria, archaea, and viruses, which constitute the coral holobiont. Coverage and survival of coral reefs decrease rapidly due to changes in environmental conditions induced by human activities including, among others, the plastic pollution. Few studies have focused on the effects of plastic pollution on coral health, even though the research on microplastics (MP) in the ocean is imperative since MP are ubiquitous in aquatic systems, subjected to bacterial colonisation, dispersion among ecosystems, and ingestion by animals being transferred within the food web.The hypothesis on which the study is based suggests that MP harbour specific bacterial assemblages that differ from those on other particles and that MP act as vectors of non-native and potential pathogenic bacteria that may be involved in the health impairment of corals, which was observed in corals exposed to MP in the CEMarin aquatic system. Bacterial assemblages associated with different habitats within the system: MP, sandy sediments, detritus, and present in the > 5µm, the 0.22-5µm, and the total water fractions, were investigated by cultivation-dependent and independent approaches. A closer examination of isolates of genera Roseivivax, Marinobacter, Roseivivax, and especially Vibrio was performed due to their relevance as potential coral pathogens.Differences in structure and composition of the bacterial assemblages associated with the particles and water fractions were observed, as well as MP-specific bacterial assemblages with high abundances of Jejudonia, Roseivivax, Marinobacter, and Erythrobacter, not present in any other sample. Quantitative PCR revealed a higher abundance of Vibrio spp. 16S rRNA gene copies per ng total DNA from MP compared to sandy sediments. The most abundant genera identified in the 16S rRNA gene amplicon sequencing were also isolated from the different samples. This approach indicated that Vibrio was the most abundant genus of the cultured community, and through a deep analysis based on 16S rRNA gene phylotyping, multilocus sequence analysis (MLSA), and genotyping, a higher genetic diversity of Vibrio spp. was observed. The strains were more closely related to Vibrio alginolyticus, Vibrio fortis, Vibrio coralliilyticus, Vibrio mediterranei, and Vibrio owensii, most of them coral pathogens. The genome of selected MP-associated bacteria was sequenced and by using comparative genomics, genes involved in the degradation of complex polymers, as well as genes associated to pathogenicity were detected, which may be related to coral diseases and the health impairment observed in corals incubated in the CEMarin aquarium system. In addition, four isolates from the strain collection represented new species, described as Winogradskyella pocilloporae, Pseudomaribius plastisphaeri, Ruegeria sedimentorum, and Vibrio aquimaris.These findings validate the proposed hypothesis and represent a starting point to unravel the potential effects of MP-associated bacterial communities on coral s health. The strain collection may serve as base for future studies aimed to strengthen the knowledge of plastic biodegradation and bacterial pathogenicity on corals to identify the causes, mitigate their effects, and contribute to the conservation of these ecosystems. Korallen sind komplexe Organismen, die in einem empfindlichen Gleichgewicht mit symbiotischen Algen, Pilzen, Bakterien, Archaeen und Viren den Korallen-Holobionten bilden. Die Ausbreitung und das Überleben der Korallenriffe nehmen aufgrund der durch den Menschen verursachten Veränderungen der Umwelt, u.a. durch die Verschmutzung durch Plastikreste, rapide ab. Bisher haben sich nur wenige Studien auf die Auswirkungen dieser Verschmutzung auf die Gesundheit der Korallen konzentriert. Dabei ist die Erforschung von Mikroplastik im Ozean unerlässlich, da diese Partikel in aquatischen Systemen allgegenwärtig sind, einer bakteriellen Besiedlung ausgesetzt sind und von Tieren aufgenommen und im Nahrungsnetz übertragen werden könnten.Die Hypothese, auf die sich die Studie stützt, legt nahe, dass MP spezifische Bakterielle Gemeinschaften aufweisen, die sich von denen auf anderen Partikeln unterscheiden, und dass MP als Vektoren nicht einheimischer und potenziell pathogener Bakterien fungieren. Diese Bakterien könnten die Gesundheitsschädigung von Korallen induzieren, welche bei Korallen beobachtet wurde, die MP im aquatischen System von CEMarin ausgesetzt waren. Aus diesem System wurden bakterielle Gemeinschaften durch kultivierungs-abhängige und -unabhängige Ansätze untersucht, die mit verschiedenen Lebensräume assoziiert sind (Mikroplastik-Partikel, sandige Sedimente, Detritus, > 5µm Wasserfraktionen, 0,22-5µm Wasserfraktionen und den Gesamtwasserfraktionen). Eine genauere Untersuchung von Isolaten der Gattungen Roseivivax, Marinobacter, Erythrobacter, und insbesondere Vibrio wurde aufgrund ihrer Relevanz als potentielle Korallenpathogene durchgeführt.Es wurden Unterschiede in Struktur und Zusammensetzung der mit den Partikeln und Wasserfraktionen assoziierten bakteriellen Gemeinschaften sowie Mikroplastik-spezifische bakterielle Gemeinschaften beobachtet. Die Mikroplastik-assoziierte Gemeinschaft wies hohe Abundanzen von Jejudonia, Roseivivax, Marinobacter und Erythrobacter auf, die in keiner anderen Probe vorhanden waren. Die Quantitative PCR zeigte eine höhere Häufigkeit von Vibrio spp. 16S rRNA Genkopien pro ng Gesamt-DNA aus Mikroplastik-Fraktionen im Vergleich zu den 16S rRNA Genkopien pro ng Gesamt-DNA aus sandigen Sedimenten. Die häufigsten Gattungen, die in der 16S rRNA-Gen-Amplicon-Sequenzierung identifiziert wurden, wurden ebenfalls aus den verschiedenen Proben isoliert. Vibrio war die am häufigsten vorkommende Gattung der bakteriellen Gemeinschaft. Eine Tiefenanalyse auf der Grundlage der 16S rRNA-Genphylotypisierung, die Multilocus-Sequenzanalyse (MLSA) und die Genotypisierung , konnte zeigen, dass eine hohe genetische Diversität vorliegt. Die Stämme waren eng verwandt mit Vibrio alginolyticus, Vibrio fortis, Vibrio coralliilyticus, Vibrio mediterranei und Vibrio owensii, wovon die meisten Korallenpathogene sind. Mit Hilfe der vergleichenden Genomik wurden Gene entdeckt, die am Abbau komplexer Polymere beteiligt sind und die mit Virulenzfaktoren und Pathogenität assoziiert sind, die mit der gesundheitlichen Beeinträchtigung der Korallen im System zusammenhängen können. Aus dieser Gruppe wurden zusätzlich vier Stämme isoliert, die neue Arten darstellen: Winogradskyella pocilloporae, Paramaribius plastisphaeri, Ruegeria sedimentorum und Vibrio aquimaris. Diese Ergebnisse validieren die vorgeschlagene Hypothese und stellen einen Ausgangspunkt dar, um die möglichen Auswirkungen von Mikroplastik-assoziierten Bakteriengemeinschaften auf die Gesundheit der Korallen zu entschlüsseln. Die angelegte Stammsammlung kann als Grundlage für zukünftige Studien dienen, die das Wissen über die bakterielle Pathogenität von Korallen stärken sollen. Diese Erkenntnisse können genutzt werden, um die Ursachen der Schädigung der Gesundheit zu identifizieren, ihre Auswirkungen zu mildern und zur Erhaltung dieser Ökosysteme beizutragen.