Le nanoplastiche di polistirene (PS-NP), frammenti plastici di dimensioni microscopiche sempre più diffusi nell’ambiente, rappresentano un rischio emergente per la sicurezza alimentare nel mondo, insieme all’infezione da Salmonella enterica.
Due fenomeni apparentemente distanti, ma più vicini di quanto si possa pensare. Infatti, le PS-NP possono modificare il comportamento della Salmonella, un patogeno in grado di contaminare alimenti pronti al consumo e dotato di sistemi di virulenza e adattamento unici ancora poco studiati. Qual è il ruolo di questi fattori nel contesto dell’esposizione alle nanoparticelle?
È il punto di partenza dello studio di Jayita De e colleghi dell’Università dell’Illinois – Urbana-Champaign (USA), che hanno esaminato gli effetti delle PS-NP su Salmonella enterica, a diverse dosi e in base al tempo di esposizione. Le PS-NP hanno influenzato la vitalità batterica, l’integrità della membrana e i livelli di stress ossidativo, inducendo una sovraregolazione precoce di geni correlati allo stress e ai meccanismi di resistenza antimicrobica (AMR). Lo studio è stato pubblicato a febbraio sul Journal of Hazardous Materials.
Salmonella si adatta rapidamente alla presenza di nanoplastiche
Le immagini ottenute mediante microscopia elettronica hanno evidenziato un’interazione diretta tra le nanoparticelle e la superficie di Salmonella. Infatti, le cellule di controllo (esposte a 0 mg/l di sostanza) hanno mantenuto una morfologia liscia a forma di bastoncino senza alterazioni superficiali visibili. All’aumentare della concentrazione, gli aggregati di nanoparticelle diventavano sempre più numerosi, ricoprendo progressivamente le cellule batteriche, senza però alterarne la morfologia.
Dopo 24 ore, la sopravvivenza cellulare ha mostrato un incremento dose-dipendente. In particolare, si è osservato un numero di cellule superiore di quasi il 50% nel passaggio da 2,5 mg/l a 100 mg/l di sostanza.
L’influenza sull’attività dei geni coinvolti nella virulenza e nella formazione del biofilm
L’analisi dell’espressione genica ha rilevato un’iperattivazione precoce della maggior parte dei geni funzionali e strutturali, che si attenuava a concentrazioni più elevate e dopo tre giorni. Infatti, a distanza di 24 ore, geni associati all’invasione cellulare e alla virulenza (ail, invA, invF e sipA) risultavano sovraespressi. In parallelo, è stata osservata anche l’attivazione di diversi geni coinvolti nei meccanismi di risposta allo stress (rpoH, rpoS e osmY9) e nella formazione del biofilm (bssS, cpxA, sdiA, lsrA e rhtB).
I ricercatori hanno osservato un aumento progressivo dell’aggregazione cellulare e della biomassa del biofilm, soprattutto alle concentrazioni più elevate di nanoplastiche e dopo esposizioni prolungate (dalle 24 alle 72 ore). A 50 mg/l il volume del biofilm era più del doppio di quello dei controlli non esposti.
Possibili effetti sui meccanismi di resistenza agli antibiotici
Le nanoparticelle hanno stimolato diverse strategie difensive che rendono il batterio più difficile da eliminare. Ad esempio, dopo tre giorni è stato riportato un forte accumulo di carboidrati e proteine, componenti fondamentali della matrice del biofilm. I ricercatori hanno rilevato anche un’alterazione del sistema regolatorio marA-marR e della pompa di efflusso multidrug (MDR) AcrAB-TolC, tra i principali fattori implicati nei meccanismi di resistenza agli antimicrobici (AMR) e ad altre sostanze. Geni chiave di resistenza agli antibiotici, come tetC e aac(6′)Ib, sono aumentati già nelle fasi iniziali e in presenza di 20 mg/l di sostanza.
Secondo gli autori, questi cambiamenti potrebbero favorire fenomeni di resistenza crociata, nei quali l’adattamento a uno stress ambientale aumenta indirettamente la tolleranza ad altri agenti, inclusi alcuni antibiotici.
Stress ossidativo e alterazioni della membrana batterica
In presenza di concentrazioni elevate di PS-NP, la membrana batterica ha mostrato alterazioni strutturali importanti, tra cui una maggiore permeabilità e un assorbimento di oltre sei volte superiore a quello rilevato a concentrazioni più basse. A questo si accompagnava anche una maggiore produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e un incremento dei livelli di malondialdeide (MDA), un indicatore di danno ossidativo. Livelli significativi di MDA sono stati osservati già a 10 mg/ml. Un’alterazione che ha determinato anche una maggiore attività della catalasi, enzima coinvolto nella neutralizzazione dei radicali liberi.
La combinazione patogeno-nanoparticelle aumenta l’adesione alle cellule intestinali
Dopo 24 ore, Salmonella ha mostrato una maggiore capacità di aderire e invadere cellule intestinali umane Caco-2. L’adesione passava da circa il 40% del controllo a valori vicini all’80% alle concentrazioni più elevate di nanoparticelle (100 mg/l). Anche la capacità invasiva è risultata significativamente potenziata, con i gruppi trattati che hanno riportato valori di quasi tre volte superiori rispetto ai controlli. Attività che, tuttavia, ha mostrato una riduzione marcata dopo tre giorni, anche nel gruppo esposto a 100 mg/l. Secondo gli autori, questa diminuzione potrebbe essere associata alla ridotta espressione dei principali geni coinvolti nell’invasione cellulare (invA, phoQ e sipA) osservata nelle fasi più tardive dell’esposizione.
Conclusioni
Le nanoplastiche non sono semplici contaminanti passivi, ma possono fungere da fattori di pressione ambientale in grado di modificare il comportamento dei microrganismi, con implicazioni che potrebbero estendersi lungo l’intera filiera alimentare. Per gli autori, questi dati rafforzano la necessità di monitorare la presenza di queste particelle in ecosistemi e catene produttive, approfondendo al contempo i meccanismi molecolari alla base delle interazioni tra nanoparticelle e microrganismi.
