Neue Methode zum Auffinden antibiotikaresistenter Gene zeigt Grenzen von „Schnappschuss“-Proben, Chlorierung

Laut den Ingenieuren der Rice University kann das Testen des Inhalts einer einfachen Abwasserprobe viel darüber aussagen, was es enthält, aber nicht die ganze Geschichte erzählen.

Ihre neue Studie zeigt, dass zusammengesetzte Proben, die über 24 Stunden in einer städtischen Kläranlage entnommen wurden, eine viel genauere Darstellung des Gehalts an antibiotikaresistenten Genen (ARGs) im Wasser geben. Nach Angaben der Centers for Disease Control and Prevention (CDC) ist die Antibiotikaresistenz eine globale Gesundheitsbedrohung, die weltweit für Millionen von Todesfällen verantwortlich ist.

Dabei stellten die Forscher fest, dass die sekundäre Abwasserbehandlung zwar die Menge des Ziel-ARG erheblich reduziert, Chlordesinfektionsmittel, die häufig in späteren Phasen der Behandlung verwendet werden, in einigen Situationen jedoch negative Auswirkungen auf das wieder in die Umwelt freigesetzte Wasser haben können.

Das Labor von Lauren Stadler an der George R. Brown School of Engineering von Rice berichtete, dass in zusammengesetzten Proben Konzentrationen von antibiotikaresistenter RNA festgestellt wurden, die zehnmal höher waren als in „Grabs“, Schnappschüssen, die gesammelt wurden, wenn der Durchfluss durch eine Abwasseranlage auf ein Minimum reduziert wurde .

Stadler und die Hauptautorinnen Esther Lou und Priyanka Ali, beide Doktorandinnen in ihrem Labor, berichteten in der Zeitschrift über ihre Ergebnisse ACS Environmental Science & Technology: Wasser.

Die Ergebnisse könnten zu besseren Protokollen für die Abwasserbehandlung führen, um die Prävalenz antibiotikaresistenter Gene in Bakterien zu verringern, die sich in Pflanzen vermehren und diese Gene auf andere Organismen in der Umwelt übertragen können.

Das Problem ist kritisch, weil Antibiotikaresistenz ein Killer ist, der jedes Jahr schätzungsweise 2,8 Millionen Infektionen in den USA verursacht und zu mehr als 35.000 Todesfällen führt, sagte Stadler, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen und Pionier in der laufenden Analyse von Abwasser auf Anzeichen des für COVID-19 verantwortlichen SARS-CoV-2-Virus.

Diese Statistiken haben es zu einem langjährigen Schwerpunkt der Bemühungen bei Rice gemacht, die zur Gründung eines neuen Zentrums, Houston Wastewater Epidemiology, einer Partnerschaft mit dem Houston Health Department und Houston Public Works, geführt haben. Das Zentrum ist eines von zwei Zentren, die dieses Jahr von der CDC benannt wurden, um Instrumente zu entwickeln und andere staatliche und lokale Gesundheitsbehörden in den Wissenschaften der Überwachung von durch Abwasser übertragenen Krankheiten zu schulen.

Die Erkenntnis für Tester ist, dass Schnappschüsse zu unbeabsichtigten Verzerrungen in ihren Ergebnissen führen können, sagte Stadler.

„Ich denke, es ist intuitiv, dass das Entnehmen einer einzigen Abwasserprobe nicht repräsentativ dafür ist, was den ganzen Tag fließt“, sagte Stadler, der auch Fakultätsmitglied der in Rice ansässigen, von der National Science Foundation unterstützten Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) ist ) Center. „Die Abwasserströme und -belastungen variieren im Laufe des Tages aufgrund von Mustern der Wassernutzung. Obwohl wir wissen, dass dies wahr ist, hat niemand gezeigt, inwieweit antibiotikaresistente Gene im Laufe des Tages variieren.“

Für die Studie entnahm das Rice-Team in zwei 24-Stunden-Kampagnen, eine im Sommer und eine im Winter, in einer Anlage in der Nähe von Houston, die routinemäßig Abwasser desinfiziert, sowohl Stichproben als auch Mischproben.

Sie nahmen alle zwei Stunden Proben aus verschiedenen Phasen des Abwasserbehandlungsprozesses und führten PCR-Tests im Labor durch, um mehrere klinisch relevante Gene zu quantifizieren, die Resistenz gegen Fluorchinolon, Carbapenem, ESBL und Colistin verleihen, sowie ein bekanntes Klasse-1-Integrin-Integrase-Gen als mobiles genetisches Element (MGE) für seine Fähigkeit, sich innerhalb eines Genoms zu bewegen oder von einer Art auf eine andere zu übertragen.

Die von ihnen gesammelten Proben ermöglichten es ihnen, die Konzentration von ARGs und Belastungen an einem typischen Wochentag, die Variabilität der Entfernungsraten in Anlagen basierend auf den Stichproben und die Auswirkungen der Nachbehandlung und Chlordesinfektion auf die Entfernung von ARGs sowie die zu bestimmen Fähigkeit, Greifer und Verbundwerkstoffe zu vergleichen.

Das Team stellte fest, dass die überwiegende Mehrheit der ARG-Entfernung auf biologische Prozesse und nicht auf chemische Desinfektion zurückzuführen war. Tatsächlich beobachteten sie, dass die Chlorierung, die als abschließendes Desinfektionsmittel verwendet wird, bevor das behandelte Abwasser in die Umwelt eingeleitet wird, möglicherweise auf antibiotikaresistente Organismen selektiert hat.

Da die Ergebnisse von Snapshots im Laufe eines Tages erheblich variieren können, mussten sie über 24 Stunden in einem gleichmäßigen Tempo erfasst werden. Dafür mussten Lou und Ali mehrere lange Schichten in der Kläranlage City of West University Place verbringen. „Sie haben draußen gezeltet“, sagte Stadler. „Sie stellten ihre Betten auf und bestellten Essen zum Mitnehmen.“

Ein solches Engagement wird nicht erforderlich sein, wenn die Abwasserüberwachung in Echtzeit Realität wird. Stadler ist Teil einer Rice-Kooperation, die lebende Bakteriensensoren entwickelt, die das Vorhandensein von ARGs und Krankheitserregern, einschließlich SARS-CoV-2, ohne Pause an verschiedenen Stellen innerhalb eines Abwassersystems erkennen würden. Das bei Rice laufende Projekt zum Bau bakterieller Sensoren, die beim Erfassen eines Ziels sofort ein elektrisches Signal aussenden, war Gegenstand von ein Studium im Natur im November.

„Lebende Sensoren können eine kontinuierliche Überwachung ermöglichen, anstatt sich auf teure Geräte zu verlassen, um zusammengesetzte Proben zu sammeln, die zur Analyse ins Labor zurückgebracht werden müssen“, sagte sie. „Ich denke, die Zukunft sind diese lebenden Sensoren, die überall im Abwassersystem platziert werden können und in Echtzeit melden, was sie sehen. Darauf arbeiten wir hin.“

Rice-Studentin Karen Lu und Prashant Kalvapalle, eine Doktorandin in Systems, Synthetic and Physical Biology Ph.D. Programm, sind Co-Autoren der Studie.