Новый метод поиска генов устойчивости к антибиотикам показывает по словам инженеров Университета Райса, проверка содержимого простого образца сточных вод может многое рассказать о том, что они несут, но не может рассказать всю историю.

Их новое исследование показывает, что составные образцы, взятые в течение 24 часов на городской станции очистки сточных вод, дают гораздо более точное представление об уровне генов устойчивости к антибиотикам (ARG) в воде. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC), устойчивость к антибиотикам представляет собой глобальную угрозу для здоровья, ответственную за миллионы смертей во всем мире.

В процессе исследователи обнаружили, что, хотя вторичная очистка сточных вод значительно снижает количество целевого АРГ, хлорсодержащие дезинфицирующие средства, часто используемые на более поздних стадиях очистки, могут в некоторых ситуациях оказывать негативное влияние на воду, возвращающуюся в окружающую среду.

Лаборатория Лорен Стадлер из инженерной школы Джорджа Р. Брауна при Райсе сообщила, что в составных образцах уровни концентрации РНК, устойчивые к антибиотикам, в 10 раз выше, чем в «захватах» — моментальных снимках, сделанных, когда поток через станцию ​​очистки сточных вод находится на минимальном уровне. .

Стадлер и ведущие авторы Эстер Лу и Приянка Али, аспиранты ее лаборатории, сообщили о своих результатах в журнале ACS Environmental Science & Technology: Water.

Результаты могут привести к улучшению протоколов очистки сточных вод, чтобы снизить распространенность генов устойчивости к антибиотикам у бактерий, которые размножаются на растениях и могут передавать эти гены другим организмам в окружающей среде.

Проблема имеет решающее значение, потому что устойчивость к антибиотикам является убийцей, ежегодно вызывая примерно 2,8 миллиона инфекций в США, что приводит к более чем 35 000 смертей, сказал Стадлер, доцент кафедры гражданского и экологического строительства и пионер в постоянном анализе сточных вод. на наличие признаков вируса SARS-CoV-2, ответственного за COVID-19.

Эти статистические данные сделали ее давним центром усилий Райс, что привело к созданию нового центра Хьюстонской эпидемиологии сточных вод в партнерстве с Департаментом здравоохранения Хьюстона и Хьюстонскими общественными работами. Этот центр является одним из двух назначенных CDC в этом году для разработки инструментов и обучения других государственных и местных департаментов здравоохранения наукам о мониторинге заболеваний, переносимых сточными водами.

По словам Стадлера, вывод для тестировщиков заключается в том, что моментальные снимки могут привести к непреднамеренным искажениям в их результатах.

«Я думаю, интуитивно понятно, что взятие одного образца сточных вод не является репрезентативным для того, что течет в течение всего дня», — сказал Стадлер, который также является преподавателем Райсской, поддерживаемой Национальным научным фондом Очистки воды с использованием нанотехнологий (NEWT). ) Центр. «Потоки и нагрузки сточных вод меняются в течение дня из-за моделей водопользования. Хотя мы знаем, что это правда, никто не показал степень, в которой гены устойчивости к антибиотикам меняются в течение дня».ределы «моментальных» образцов, хлорирования.

Для исследования команда Райс взяла как самодельные, так и составные образцы в ходе двух 24-часовых кампаний, одну летом, а другую зимой, на заводе в районе Хьюстона, который регулярно дезинфицирует сточные воды.

Каждые два часа они брали пробы с различных стадий процесса очистки сточных вод и проводили ПЦР-тесты в лаборатории для количественного определения нескольких клинически значимых генов, придающих устойчивость к фторхинолонам, карбапенемам, БЛРС и колистину, а также известного гена интегрон-интегразы класса 1. как мобильный генетический элемент (МГЭ) за его способность перемещаться внутри генома или переходить от одного вида к другому.

Собранные ими образцы позволили им определить концентрацию ARG и нагрузки в течение типичного рабочего дня, изменчивость скорости удаления на заводах на основе отобранных проб и влияние вторичной обработки и дезинфекции хлором на удаление ARG, а также возможность сравнения грейферов и композитов.

Команда обнаружила, что подавляющее большинство удаления ARG произошло из-за биологических процессов, а не химической дезинфекции. На самом деле они заметили, что хлорирование, используемое в качестве конечного дезинфицирующего средства перед сбросом очищенных сточных вод в окружающую среду, могло способствовать селекции устойчивых к антибиотикам организмов.

Поскольку результаты моментальных снимков могут значительно различаться в течение любого дня, их нужно было собирать в постоянном темпе в течение 24 часов. Это потребовало от Лу и Али провести несколько долгих смен на станции очистки сточных вод в Вест-Юниверсити-плейс. «Они разбили лагерь», — сказал Стадлер. «Они поставили свои койки и заказали еду на вынос».

В таком обязательстве не будет необходимости, если мониторинг сточных вод в режиме реального времени станет реальностью. Stadler является частью совместной разработки Rice, разрабатывающей живые бактериальные сенсоры, которые будут обнаруживать присутствие ARG и патогенов, включая SARS-CoV-2, без перерыва в разных местах в системе сточных вод. Осуществляемый в Райсе проект по созданию бактериальных сенсоров, которые излучают немедленный электрический сигнал при обнаружении цели, стал предметом исследования в журнале Nature в ноябре.

«Живые датчики могут обеспечить непрерывный мониторинг, а не полагаться на дорогостоящее оборудование для сбора составных образцов, которые необходимо возвращать в лабораторию для анализа», — сказала она. «Я думаю, что будущее за этими живыми датчиками, которые можно разместить в любом месте системы сточных вод и сообщать о том, что они видят в режиме реального времени. Мы работаем над этим».

Студентка Райс Карен Лу и Прашант Калвапалле, аспирант системной, синтетической и физической биологии, доктор философии. программы, являются соавторами исследования.