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 является глобальной угрозой здоровью, ответственной за миллионы смертей во всем мире.

В процессе исследователи обнаружили, что, хотя вторичная очистка сточных вод значительно снижает количество целевого ARG, хлорные дезинфицирующие средства, часто используемые на более поздних стадиях очистки, могут в некоторых ситуациях оказывать негативное воздействие на воду, выбрасываемую обратно в окружающую среду.

Лаборатория Лорен Стадлер из Инженерной школы Джорджа Р. Брауна Райса сообщила, что уровни концентрации РНК, устойчивой к антибиотикам, в составных образцах в 10 раз выше, чем в "захватах", моментальных снимках, собранных, когда поток через очистные сооружения минимален.

Стадлер и ведущие авторы Эстер Лу и Приянка Али, обе аспирантки ее лаборатории, сообщили о своих результатах в журнале Американского химического общества Наука и технология об окружающей среде: Вода.

Результаты могут привести к улучшению протоколов очистки сточных вод, чтобы снизить распространенность устойчивых к антибиотикам генов 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, вызывая, по оценкам, 2,8 миллиона инфекций в США каждый год, что приводит к более чем 35 000 смертей, сказал Стадлер, доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии и пионер в постоянном анализе сточных вод на наличие признаков вируса SARS-CoV-2. ответственный за COVID-19.

Эти статистические данные долгое время были в центре внимания Rice, что привело к созданию нового центра эпидемиологии сточных вод Хьюстона в партнерстве с Департаментом здравоохранения Хьюстона и общественными работами Хьюстона. Центр является одним из двух назначенных CDC, объявленных в этом году, для разработки инструментов и обучения других государственных и местных департаментов здравоохранения методам мониторинга заболеваний, передаваемых через сточные воды.

Вывод для тестировщиков заключается в том, что моментальные снимки могут привести к непреднамеренным искажениям в их результатах, сказал Стадлер.

"Я думаю, интуитивно понятно, что взятие одной пробы сточных вод не является репрезентативным для того, что протекает в течение всего дня", - сказал Стадлер, который также является преподавателем Центра очистки воды с использованием нанотехнологий (NEWT), расположенного в Райсе и поддерживаемого Национальным научным фондом. "Потоки и нагрузки сточных вод варьируются в течение дня в зависимости от характера водопользования. Хотя мы знаем, что это правда, никто не показал, в какой степени устойчивые к антибиотикам гены изменяются в течение дня ".

Для исследования команда Райса взяла как отдельные, так и составные образцы в ходе двух 24-часовых кампаний, одной летом, а другой зимой, на заводе в Хьюстоне, который регулярно дезинфицирует сточные воды.

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

Образцы, которые они собрали, позволили им определить концентрацию ARG и нагрузки в течение обычного рабочего дня, вариабельность скорости удаления на заводах на основе образцов захвата и влияние вторичной обработки и дезинфекции хлором на удаление ARG, а также возможность сравнивать захваты и композиты.

Команда обнаружила, что подавляющее большинство удалений ARG происходило благодаря биологическим процессам, в отличие от химической дезинфекции. Фактически, они заметили, что хлорирование, используемое в качестве конечного дезинфицирующего средства перед сбросом очищенных сточных вод в окружающую среду, возможно, привело к появлению устойчивых к антибиотикам организмов.

Поскольку результаты моментальных снимков могут значительно различаться в течение любого дня, их необходимо было собирать в постоянном темпе в течение 24 часов. Это потребовало, чтобы Лу и Али провели несколько долгих смен на станции очистки сточных вод города Уэст-Юниверсити-Плейс. "Они разбили лагерь", - сказал Стадлер. "Они поставили свои раскладушки и заказали еду на вынос".

Такое обязательство не будет необходимым, если мониторинг сточных вод в режиме реального времени станет реальностью. Компания Stadler является частью совместной работы Rice по разработке живых бактериальных датчиков, которые будут обнаруживать присутствие ARGS и патогенов, включая SARS-CoV-2, без остановки в различных местах системы очистки сточных вод. Реализуемый в Rice проект по созданию бактериальных датчиков, которые немедленно выдают электрический сигнал при обнаружении цели, был предметом исследования в Nature в ноябре.

"Живые датчики могут обеспечить непрерывный мониторинг, а не полагаться на дорогостоящее оборудование для сбора сложных образцов, которые необходимо вернуть в лабораторию для анализа", - сказала она. "Я думаю, что будущее за этими живыми датчиками, которые можно разместить в любом месте системы очистки сточных вод и сообщать о том, что они видят в режиме реального времени. Мы работаем в этом направлении".

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

Национальный научный фонд (2029025, 1805901, 1932000) и премия Johnson & Johnson WiSTEM2D поддержали исследование.