Værktøjer til overvågning af antibiotikaresistens i Puerto Ricanske vandskel efter orkanen Maria

Da orkanen Maria gik i land, ødelæggende Dominica, St. Croix, og Puerto Rico i september 2017, oversvømmelser og strømafbrydelser skabte kaos på det svækkede land, resulterer i forurening af vandveje med ubehandlet menneskeligt affald og patogene mikroorganismer.

Seks måneder efter den dødelige kategori 5-orkan, Virginia Tech civil- og miljøingeniørprofessor Amy Pruden ledede et hold af Virginia Tech-forskere, herunder Maria Virginia Riquelme og William Rhoads, daværende postdoktorale forskere, som pakkede deres tasker og laboratorieartikler og tog til Puerto Rico.

USA's ø-territorium beliggende i den nordøstlige del af Det Caribiske Hav var blevet ødelagt, kaster sine 3,4 millioner indbyggere ud i krise. Masseødelæggelsen gav forskerne en kritisk mulighed for at studere, hvordan skader på spildevandsinfrastruktur kan bidrage til spredningen af ​​antibiotikaresistens - en voksende global trussel mod folkesundheden.

I en undersøgelse offentliggjort i American Chemical Society's Journal of Environmental Science &Technology, Virginia Tech-forskere og internationale samarbejdspartnere har videreudviklet en innovativ tilgang til antibiotikaresistensovervågning ved at anvende DNA-sekventeringsteknikker til at påvise spredning af sygdom i vandskel påvirket af storme i stor skala.

"Denne undersøgelse er et kritisk skridt i retning af at etablere en samlet og omfattende overvågningstilgang til antibiotikaresistens i vandskel, " sagde Pruden, den W. Thomas Rice professor i bygge- og miljøteknik. "Ideelt set den kan anvendes som en baseline til at spore forstyrrelser og folkesundhedsproblemer forbundet med fremtidige storme."

I løbet af det seneste årti, Pruden, en mikrobiolog og miljøingeniør, har arbejdet med sine elever ved at bruge næste generations DNA-sekventering, en specialitet fra Prudens, at undersøge Legionella-stammer, som de fungerer før, i løbet af, efter, og uden for legionærsygeudbrud i forskellige byer over hele landet, inklusive Flint, Michigan.

Med RAPID-finansiering fra National Science Foundation og i samarbejde med hovedefterforsker Christina Bandoragoda, forsker ved University of Washington med ekspertise i vandskelmodellering og geospatial analyse, Virginia Tech-forskere gik sammen med Graciela Ramirez Toro, professor og direktør for Centro de Educación, Conservación og Interpretación Ambiental, og hendes forskningsgruppe ved det lokale Interamerican University i San German, Puerto Rico. Sammen, de identificerede tre prøveudtagningssteder i vandskel med særskilte arealanvendelsesmønstre og niveauer af spildevandstilførsel, der var ideelle til at spore geospatiale mønstre i forekomsten af ​​bakterielle gener, der forårsager antibiotikaresistens.

Prudens ph.d.-studerende og førsteforfatter af papiret Benjamin Davis brugte en metode kaldet shotgun metagenomic DNA-sekventering til at påvise antibiotikaresistensgener i flodvandsprøver fra tre vandskel, inklusive prøver indsamlet ved vandring til langt opstrøms uberørte områder af vandområderne og nedstrøms for tre spildevandsrensningsanlæg. Metagenomics er studiet af genetisk materiale genvundet direkte fra miljøprøver.

Analyse af dataene afslørede, at to antropogene antibiotikaresistensmarkører - DNA-sekvenser forbundet med menneskelige påvirkninger af vandskel - korrelerede med et særskilt sæt antibiotikaresistensgener, i forhold til dem, der korrelerede specifikt med menneskelige fækale markører.

En klar afgrænsning af spildevandsrensningsanlægs indflydelse på genprofilerne for antibiotikaresistens var tydelig, og niveauerne blev forhøjet nedstrøms for renseanlæg, resulterer i en høj mangfoldighed af gener, der påvirker resistens over for klinisk vigtige antibiotika, såsom beta-lactamer og aminoglykosider, i vandskelprøverne. Nogle af de påviste beta-lactam-resistensgener var forbundet med dødelige antibiotika-resistente infektioner i regionen og viste tegn på at kunne springe på tværs af bakteriestammer. Beta-lactamresistensgener blev også bemærket at være mere præcist forudsagt af menneskeskabte antibiotikaresistensmarkører end humane fækale markører.

Selvom basisniveauer af antibiotikaresistensgener i Puerto Ricans vandskel forud for orkanen Maria er ukendte, overvågningsmetoder som disse kunne bruges til at vurdere fremtidige virkninger af større storme på spredningen af ​​antibiotikaresistens, sagde forskerne.

Mange internationale samfund vil sandsynligvis ikke have adgang til sofistikerede metagenomisk-baserede overvågningsværktøjer i den nærmeste fremtid, men identifikation af enkelte gen-mål, såsom antropogene antibiotikaresistensmarkører, gøre vandskelovervågning af antibiotikaresistens meget mere tilgængelig. Og sådanne gener kan kvantificeres direkte ved kvantitativ polymerasekædereaktion, giver omkostningseffektiv, hurtige resultater på mindre end en dag.