Antybiotykowy koktajl dla osadu. Antybiotyki, osad czynny, oczyszczalnie ścieków

BioLetyn 21/IV/2016

KATARZYNA ŚLIPKO

Kiedy słyszymy „oczyszczanie ścieków”, zazwyczaj nie kojarzymy sobie z tym przyjemnych rzeczy i większość z nas omija tę tematykę z daleka. Jakiż to wielki błąd, Drogi Czytelniku! Oczyszczalnie ścieków skrywają w sobie zadziwiający świat, pełen własnych zasad i zależności, w którym znajdują się niezwykłe mikroorganizmy, które współżyją ze sobą, walczą i umierają. Ten nie do końca poznany, kapryśny i zmienny mikrokosmos to świat osadu czynnego. Czy, i jak, ten mały świat reaguje na to, co się dzieje w środowisku, które go otacza? Czy ludzie poprzez stosowanie antybiotyków wpływają również i na ten mały świat?

Odrobina historii

Jak wszyscy doskonale pamiętamy, era antybiotyków rozpoczęła się wraz z odkryciem penicyliny przez Aleksandra Fleminga w 1928 roku. Niedługo później, bo już w 1940 roku, odkryta została bakteryjna penicylinaza należąca do β-laktamaz (enzymów warunkujących oporność na naturalne penicyliny) i co ciekawe, dokonali tego dwaj członkowie grupy badawczej Fleminga. W 2010 roku liczba zidentyfikowanych β-laktamaz sięgnęła 900 (!). Wprowadzenie antybiotyków na rynek uratowało wiele istnień ludzkich i było jednym z najważniejszych zwrotów w historii człowieka. Jednakże rozwój farmakologii i coraz szersze i bardziej intensywne stosowanie antybiotyków skutkowało rozprzestrzenianiem się oporności na te farmaceutyki oraz rozwojem superbakterii (ang. superbugs). Te mikroorganizmy charakteryzują się opornością na antybiotyki, które były stosowane w celu leczenia wywołanych przez nie chorób. Po superbugs pojawiły się szczepy MDR (ang. multidrug-resistant) i XDR (ang. extremely drug-resistant), oporne na działanie czterech (lub więcej) różnych antybiotyków, a nawet szczepy TDR (ang. totally drug-resistant) całkowicie oporne na działanie antybiotyków. Jednym z przykładów jest dobrze znana Mycobacterium tuberculosis wywołująca gruźlicę, której oporność pojawia się w wyniku spontanicznej mutacji. Obecnie, zaobserwowane zostały liczne szczepy TDR należące do tego gatunku bakterii. Ze względu na ograniczone możliwości syntezy nowych antybiotyków i rozwój oraz rozprzestrzenianie antybiotykooporności, uważa się, że era tych farmaceutyków dobiega końca. Przed ich odkryciem, jedną z zalecanych praktyk profilaktycznych było mycie rąk. Brzmi to kuriozalnie, ale obecnie powraca się do tych zaleceń, hołdując złotej zasadzie „lepiej zapobiegać, niż leczyć”.

Antybiotyki w środowisku

Oszacowanie masy antybiotyków, która została wyprodukowana przez koncerny farmaceutyczne jest niezwykle trudna ze względu na brak informacji dostarczanych przez te firmy (dane te nie leżą w interesie koncernów). Przypuszcza się, że wiele milionów ton tych farmaceutyków zostało wprowadzonych do biosfery w przeciągu ostatnich 50 lat, poprzez zużycie leków w chowie zwierząt, medycynie, uprawie roślin i rolnictwie, w środkach czyszczących, przemyśle i badaniach naukowych, a także wraz z odpadami trafiającymi na wysypiska oraz ze ściekami wpływającymi do rzek i jezior.

Obecność antybiotyków została stwierdzona w wodach powierzchniowych i gruntowych, osadach i mułach rzecznych oraz w glebie. Znajdują się one w ściekach surowych, z gospodarstw domowych, zakładów przemysłowych i w szczególności ze szpitali oraz farm, w których hoduje się zwierzęta (włączając rybne stawy hodowlane), w odpływie z oczyszczalni często służącym do irygacji pól, w osadzie i oborniku stosowanym jako nawóz. Ciągłe, utrzymujące się na poziomie poniżej inhibicji, stężenia antybiotyków w środowisku mogą powodować zmiany w obecnej tam biocenozie i w konsekwencji prowadzić do powstania rezerwuarów oporności, przesuwając równowagę między mikroorganizmami w kierunku tych antybiotykoopornych. Rozprzestrzenianie się oporności na antybiotyki jest uznawane za coraz większe zagrożenie zarówno dla równowagi środowiska, jak i możliwości leczenia licznych chorób zwierząt i ludzi.

Atak na świat osadu

Oczyszczalnie ścieków, które mają za zadanie oczyszczać wodę i zmniejszać zanieczyszczenie środowiska, są obecnie uznawane za jedne z głównych ośrodków rozprzestrzeniania się antybiotykoooporności i przedostawania się jej do wody i gleby. Stają się swoistymi bankami oporności, w których spotkać można całą gamę bakterii antybiotykoopornych (ang. ARB, antibiotic resistant bacteria) i genów oporności (ang. ARG, antibiotic resistance genes). Świat osadu, ze swoimi cechami: wysokim zagęszczeniem komórek bakteryjnych i obecnością biofilmu, żyjący w środowisku bogatym w składniki odżywcze, jest sukcesywnie bombardowany antybiotykami oraz ARB i ARG obecnymi w dopływających ściekach. Ta stała presja selekcyjna, cechy i środowisko osadu mogą faworyzować rozprzestrzenianie się antybiotykooporności pomiędzy poszczególnymi mikroorganizmami, między innymi z udziałem plazmidów, transpozonów, integronów czy bakteriofagów. Dzięki analizom metagenomowym, 271 podtypów ARG należących do 18 głównych grup zostało zidentyfikowanych w próbkach pochodzących z oczyszczalni ścieków w Hong Kongu. Ponadto, w odpływie z oczyszczalni znajdowało się 99% mniej ARG niż w dopływie; jednakże wykazali oni, że osad, nawet po fermentacji, zawiera tylko ok. 20% mniej ARG, a niektórych genów przybyło nawet o 1000%!

Mimo że obecność superbugs w odpływie z oczyszczalni jest sprawą sporną, potwierdzono liczną obecność bakterii opornych na jeden antybiotyk lub daną grupę tych farmaceutyków. i to w imponujących stężeniach. Końcowy odpływ, trafiający do odbiornika może zawierać od 109 do 1012 CFU/ml bakterii przypadających na jednego mieszkańca. W tę liczbę należy włączyć ARB, których stężenie może sięgać od 107 do nawet 1010 CFU/ml. A należy pamiętać, że to tylko fragment prawdziwej biocenozy, taki który może być hodowany w laboratorium, czyli ok. 1% całej bakteryjnej społeczności.

Osad czynny, jego mały mikrokosmos – świat obserwowany z zachwytem (a czasem zgrozą) na twarzach wielu biotechnologów (patrz, wrotek, rusza się!), pożyteczny zjadacz zanieczyszczeń, stał się swojego rodzaju „hotelem” dla antybiotykooporności. Sprzymierzeniec w walce ze ściekami przeistacza się we wroga na polu walki z antybiotykoopornością i jej rozpowszechnianiem. Jak sobie z tym poradzić? Jak zmniejszyć ryzyko rozsiewania oporności do odbiorników oczyszczalni, wody i gleby? Jak przywrócić temu małemu światu jego równowagę, kiedy wiedza na temat wpływu antybiotyków, ARB i ARG na osad jest wciąż ograniczona?

Na pomoc osadowi i oczyszczalniom

Obecnie, wciąż nie zbadano wpływu antybiotyków w stężeniach poniżej inhibicji na presję selekcyjną i rozprzestrzenianie antybiotykooporności w oczyszczalniach ścieków. Ponadto, wiedza dotycząca występowania antybiotykooporności i poszczególnych jej typów w środowisku jest mocno ograniczona. Prowadzone badania zazwyczaj opierają się na monitoringu i obserwacji obecności antybiotyków, ARB i ARG w dopływie, osadzie i odpływie z oczyszczalni. Żadna z organizacji europejskich, bądź światowych nie wyznaczyła maksymalnego dopuszczalnego stężenia antybiotyków, ARB i/lub ARG w odpływie z oczyszczalni. Wynika to z braku stwierdzonych i opisanych zależności pomiędzy warunkami panującymi na oczyszczalni, a stężeniem ARB i ARG (nieliczne doniesienia naukowe). Ponadto warunki na każdej oczyszczalni różnią się od siebie, co ogromnie utrudnia porównywanie i ustanowienie reguł działających dla większej liczby oczyszczalni.

Prowadzone liczne programy i badania naukowe mają na celu wypełnić powstała lukę w wiedzy i dostarczyć informacji niezbędnych do tworzenia przyszłych rozwiązań prawnych. Przykładem takiego programu jest PARNAS [www1], zajmujący się analizą ryzyka dla ludzi i zwierząt narażonych na kontakt z antybiotykami lub STARE mający na celu zbieranie informacji dotyczących rozprzestrzeniania antybiotykooporności [www2]. Kolejnym przykładem jest projekt ANSWER [www3], w który z ogromną radością mogłam się zaangażować. Jego tytuł jest akronimem głównego celu: “Antibiotics and mobile resistance elements in wastewater reuse applications: risks and innovative solutions”. Nad tym projektem, oprócz mnie, pracuje jeszcze 14 doktorantów z całej Europy (i Izraela). Część, którą wykonuję ma przynieść odpowiedzi na to, jakie warunki na oczyszczalni ścieków wpływają na poszczególne poziomy antybiotykooporności i pozwolić na sterowanie oczyszczalnią w celu minimalizacji ich rozprzestrzeniania. Dzięki takim projektom istnieje szansa znalezienia rozwiązania, które pomoże w walce z antybiotykoopornością w środowisku.

BIBLIOGRAFIA:

Davies, J., & Davies, D., Origins and Evolution of Antibiotic Resistance. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2010 74(3), 417
Kummerer, K., Significance of antibiotics in the environment. Journal of Antimicrobial Chemotherapy,2003 52(1), 5-7
Michael, I., Rizzo, L., McArdell, C. S., Manaia, C. M., Merlin, C., Schwartz, T., Fatta-Kassinos, D. Urban wastewater treatment plants as hotspots for the release of antibiotics in the environment: A review. Water Research, 2013, 47(3), 957-995.
Novo, A., & Manaia, C. M. Factors influencing antibiotic resistance burden in municipal wastewater treatment plants. Applied Microbiology and Biotechnology, 2010,87(3), 1157-1166.
Rizzo, L., Manaia, C., Merlin, C., Schwartz, T., Dagot, C., Ploy, M. C., Fatta-Kassinos, D. Urban wastewater treatment plants as hotspots for antibiotic resistant bacteria and genes spread into the environment: A review. Science of the Total Environment,2013 447, 345-360.
Yang, Y., Li, B., Zou, S. C., Fang, H. H. P., & Zhang, T., Fate of antibiotic resistance genes in sewage treatment plant revealed by metagenomic approach. Water Research,2014 62,
www1: http://www.pharmas-eu.net/ [data ostatnich odwiedzin strony: 1.12.2016]
www2: https://stareeurope.wordpress.com/home/ [data ostatnich odwiedzin strony: 1.12.2016]
www3: http://www.answer-itn.eu/ [data ostatnich odwiedzin strony: 1.12.2016]