Загрязнение окружающей среды остаточными количествами антибиотиков и генами резистентности к антибиотикам растет в связи с использованием антибиотиков человеком и в животноводстве.
Различные антропогенные источники, такие как очистные сооружения, стоки и биозолиды, рекультивированные воды, навоз животных и стоки с ферм, в значительной степени ответственны за распространение остаточных количеств антибиотиков и резистентных бактерий и генов в почве и воде, включая питьевую воду. Микроорганизмы вступают во внутривидовые и межвидовые отношения, модулируемые специфическими условиями окружающей среды (например, температурой, влажностью, многократным загрязнением), которые делают каждую экосистему уникальной. Следовательно, воздействие антибиотиков (в том числе в минимальных селективных концентрациях и в минимальных ингибирующих концентрациях) на природные микробные сообщества может быть различным и тесно связано с бактериальной устойчивостью и сопротивляемостью. Некоторые экологические аспекты воздействия (распространение резистентности к антибиотикам, биодеградация, изменение функционирования микроорганизмов) антибиотиков и других сопутствующих факторов (например, тяжелых металлов) на природные микробные сообщества представлены в этом обзоре пяти оригинальных научных работ.
В статье Li et al. сообщается об интересной работе по изучению влияния антибиотика широкого спектра действия фосфомицина на сообщества микроорганизмов сточных вод (WWC). Этот антибиотик является новым альтернативным средством лечения патогенов с множественной лекарственной резистентностью. Поскольку он используется только в тех случаях, когда другие антибиотики неэффективны, очень важно следить за развитием резистентности к нему. В данном исследовании описана быстрая оценка (с помощью относительно простых инструментов в сочетании с метагеномикой) резистентности к фосфомицину, которая может возникать в управляемых бактериальных сообществах сточных вод или в естественных микробных сообществах.
Фосфомицин тестировали в двух концентрациях - 10 и 268 мг/л. Последняя считалась 50%-ной максимальной эффективной концентрацией (EC50) фосфомицина для микробных сообществ сточных вод. В качестве модели и маркерного организма авторы использовали биодобавку Pseudomonas putida KT2440 (типичный представитель очистных сооружений с изначальной резистентностью к фосфомицину), но во всех экспериментах она была подавлена. Авторы продемонстрировали, что сложные WWC могут переносить низкую концентрацию фосфомицина, но более высокая концентрация антибиотика вызывает изменение структуры сообщества и способствует развитию резистентности.
Pesce et al. оценивали хроническое воздействие сульфаметоксазола (SMX) и сульфаметазина (SMZ) в микрокосмах речных отложений в течение 28 дней. Влияние SMX и SMZ на пять потенциальных активностей, участвующих в C (β-глюкозидаза, аэробное дыхание), N (лейцин-аминопептидаза, денитрификация) и P (фосфатаза) циклах, было различным в зависимости от антибиотика, дозы обработки (500 или 5 000 нг/л) и измеряемой активности.
В то время как обработка SMZ привела лишь к преходящим эффектам на пять исследованных видов микробной активности; наблюдалась значительная стимуляция активности β-глюкозидазы в течение 28 дней в сообществах, подвергшихся воздействию высокой концентрации SMX. Более того, стимуляция аэробного дыхания при низких концентрациях SMX и снижение концентрации в конце эксперимента позволили предположить потенциальную биодеградацию сульфаниламидов микробными сообществами донных отложений. Полученные данные свидетельствуют о том, что загрязнение донных отложений сульфаниламидами может повлиять на биогеохимические циклы с возможным воздействием на функционирование экосистем.
Matviichuk et al. измерили концентрацию 20 антибиотиков и проанализировали резистомы и таксономический состав микроорганизмов в речных биопленках, собранных выше (UPS) и ниже (DWS) по течению (в точке сброса) от станции очистки сточных вод (WWTP). Результаты показали значительные различия между составом микробиома в биопленках, собранных в UPS и DWS. Согласно анализу, состав микробного сообщества и содержание антибиотиков (субминимальная ингибирующая концентрация) могут быть детерминантами состава генов резистентности к антибиотикам (ARG) в образцах, собранных DWS. Однако анализ показал, что встречаемость и концентрация антибиотиков, измеренная в биопленках, не коррелирует с встречаемостью и обилием генов резистентности к антибиотикам и мобильных генетических элементов. Сложная матрица экологических биопленок, вероятно, влияет на биодоступность антибиотиков, что может ограничить их воздействие на микробные сообщества. Необходимы специальные исследования, чтобы лучше охарактеризовать взаимодействие биопленки и антибиотиков, особенно на уровне микросреды внутри биопленки.
Tiwari et al. охарактеризовали ARGs и гены резистентности к металлам (MRGs) в различных системах распределения питьевой воды (DWDS). Две из них использовали искусственно пополняемые подземные воды и не применяли дезинфекцию в процессе очистки. Три других водопровода (два поверхностных и один подземный источник) использовали ультрафиолетовое излучение и хлор в процессе обработки. Из окружающей среды была выделена ДНК, а затем секвенирована с использованием платформы Illumina HiSeq для высокопроизводительного дробного метагеномного секвенирования.
В целом, среди всех образцов было охарактеризовано 430 ARGs, причем наибольшее разнообразие ARGs было выявлено в образцах, собранных из недезинфицированных DWDS. Кроме того, в недезинфицированных DWDS содержалось наибольшее разнообразие бактериальных сообществ. Однако в образцах из DWDS, в которых использовались дезинфицирующие средства, отношение числа считываний ARG к числу считываний гена 16S рРНК было более чем в два раза выше, и большинство из них были MRG (а именно гены резистентности к ртути и мышьяку). Общее количество считываний и типы генов ARG, относящихся к группам антибиотиков, а именно генов множественной лекарственной резистентности, а также генов резистентности к бацитрацину, бета-лактамам, аминогликозидам и ртути увеличилось в водопроводных станциях, обрабатывающих поверхностные воды с помощью дезинфекции.
Werner et al. оценили влияние 140 и 154 дней термофильного компостирования на микробный состав человеческих экскрементов и опилок из сухих туалетов. Относительная численность многочисленных ARG, факторов вирулентности и генов, связанных с системами секреции, кодирующими гены (тип III и тип IV, способные переносить бактериальные белки в эукариотические клетки; тип VI для введения белков в другие бактерии), уменьшилась во время компостирования.
Реакция микробного сообщества на антибиотики - сложная проблема, и она зависит от сочетания абиотических и биотических факторов, которые делают каждую экосистему уникальной. Для получения более исчерпывающего обзора по этой теме желательно проведение дальнейших исследований.
