Prevalence of beta-lactam resistance genes among bacteria isolated from Czajka wastewater treatment plant

University of Warsaw Repository

pl | en
 
 

Show simple item record

dc.contributor.advisor Popowska, Magdalena
dc.contributor.author Piotrowska, Marta
dc.date.accessioned 2021-06-18T12:07:41Z
dc.date.available 2021-06-18T12:07:41Z
dc.date.issued 2021-06-18
dc.identifier.uri https://depotuw.ceon.pl/handle/item/3974
dc.description.abstract The World Health Organization has listed antibiotic resistance as one of the greatest threats to the humanity and recommends monitoring and identification of the sites with an increased risks of accumulation and spread of antibiotic resistance genes (ARGs). The results of many studies indicate that wastewater treatment plants (WWTPs) are one of the key reservoirs of antibiotic resistance bacteria (ARBs) as well as ARGs themselves. The beta-lactams are antibiotics of key importance in human and veterinary medicine. However, a serious problem is the large number and degree of variability of bacterial beta-lactamases, the enzymes hydrolysing beta-lactam antibiotics, which are the dominant mechanism of resistance to this group of antibiotics. Therefore, the main goal of this study was to identify beta-lactam resistance genes among bacteria isolated from the Czajka urban WWTP in Warsaw and to investigate their diversity and distribution in sewage at various stages of treatment (raw sewage, biological reactor and treated sewage) as well as determining the location of the identified genes in the genome of the tested bacteria. As a result, 162 strains were identified with a total of 280 beta-lactamase genes. These were 104 strains of Aeromonas spp. and 58 strains belonging mainly to the Enterobacteriaceae family, as well as to the genera Pseudomonas spp., Shewanella spp. Ochrobactrum sp. and Acinetobacterspp. Therefore, it was decided to publish the obtained results, with separate work on bacteria from the genus Aeromonas (Publication No. 1) and other species of bacteria (Publication No. 2). The found antibiotic resistance genes belonged to 18 types and 36 variants belonging to clinically important beta-lactamases: AmpC, ESBL and carbapenemases. This doctoral dissertation also includes Publication No. 3 which is a meta-analysis of five sequenced plasmids from the IncQ-3 group, with plasmids from the same subgroup previously deposited in the GenBank database. The studied urban WWTP was characterized by a large variety of genes encoding beta-lactamases, including completely new variants of the bla genes. Moreover, WWTP Czajka, which uses mechanical-biological treatment technology, does not fully eliminate bacteria carrying ARGs, including MDR bacteria, from treated wastewater. The last stage of the research, plasmid sequencing, also confirmed the widespread dissemination of beta-lactam resistance genes on extrachromosomal replicons in the studied isolates. This indicates the undisputed involvement of plasmids in the horizontal gene transfer of ARGs in this environment. This observations support the hypothesis that WWTPs are a hotspot for the accumulation of ARGs and ARBs. Additionally, the presence of ARGs within mobile genetic elements increases the risk of spreading the ARGs also to clinical strains. Taking into account also the fact of detection of MDR strains in treated wastewater, it can be concluded that there is a potential danger to public health. It is therefore necessary to introduce legal regulations requiring the monitoring of the ARGs and ARBs in treated wastewater discharged into the natural environment. Finally, the obtained results may become the basis for considering the necessity of introducing a technology allowing for the removal of both bacteria and genetic material from biologically treated wastewater.
dc.description.abstract Światowa Organizacja Zdrowia wpisała oporność na antybiotyki, jako jedno z największych zagrożeń ludzkości i zaleca monitorowanie oraz identyfikację miejsc o podwyższonym ryzyku akumulacji oraz rozpowszechniania się genów oporności na antybiotyki. Wyniki wielu prac wskazują, że oczyszczalnie ścieków są jednymi z kluczowych rezerwuarów bakterii opornych na antybiotyki jak również samych genów oporności na antybiotyki. Beta-laktamy to antybiotyki o kluczowym znaczeniu w medycynie i weterynarii. Poważny problem stanowi jednak duża liczba i stopień zmienności bakteryjnych beta-laktamaz, czyli enzymów hydrolizujących antybiotyki beta-laktamowe, będącymi dominującym mechanizmem oporności na tę grupę antybiotyków. W związku z powyższym, nadrzędnym celem niniejszej pracy było zidentyfikowanie genów oporności na antybiotyki beta-laktamowe wśród bakterii izolowanych z warszawskiej oczyszczalni ścieków Czajka oraz zbadanie ich różnorodności i rozpowszechnienia w ściekach na różnych etapach oczyszczania (ścieki surowe, z reaktora biologicznego oraz ścieki oczyszczone), a także określenie lokalizacji zidentyfikowanych genów w genomie badanych bakterii. Zidentyfikowano 162 szczepy posiadające łącznie 280 genów kodujących beta-laktamazy. Były to 104 szczepy Aeromonas spp. oraz 58 szczepów należących głównie do rodziny Enterobacteriaceae, a także do rodzajów Pseudomonas spp., Shewanella spp. Ochrobactrum sp. oraz Acinetobacter spp. W związku z tym zdecydowano się opublikować uzyskane wyniki, wydzielając oddzielną pracę na bakterie z rodzaju Aeromonas (Publikacja nr 1) oraz pozostałe gatunki bakterii (Publikacja nr 2). Odnalezione geny, należały do 18 typów i 36 wariantów należących do klinicznie istotnych beta-laktamaz: AmpC, ESBL i karbapenemaz. W skład rozprawy doktorskiej wchodzi również Publikacja nr 3 będąca metaanalizą zsekwencjonowanych pięciu plazmidów z grupy IncQ-3, z plazmidami z tej samej podgrupy zdeponowanymi wcześniej w bazie danych GenBank. Badana oczyszczalnia ścieków charakteryzowała się dużą różnorodnością genów kodujących beta-laktamazy, w tym zupełnie nowymi wariantami genów bla. Co więcej, oczyszczalnie ścieków Czajka, wykorzystująca mechaniczno-biologiczną technologię oczyszczania, nie eliminuje w pełni bakterii niosących geny oporności na antybiotyki w tym bakterii wielolekoopornych (MDR, ang. MultiDrug Resistance), ze ścieków oczyszczonych. Ostatni etap badań, sekwencjonowanie plazmidów, potwierdził także szerokie rozpowszechnienie genów oporności na antybiotyki beta-laktamowe na pozachromosomowych replikonach zidentyfikowanych w badanych izolatach. Wskazuje to na bezsprzeczny udział plazmidów w horyzontalnym przepływie genów oporności w tym środowisku. Powyższe obserwacje wspierają hipotezę mówiącą, że oczyszczalnie ścieków stanowią miejsce wysokiego ryzyka dla kumulacji zarówno genów oporności na antybiotyki jak i samych bakterii opornych. Dodatkowo obecność genów oporności na antybiotyki w ramach ruchomych elementów genetycznych podnosi ryzyko rozpowszechniania się tych genów również do szczepów klinicznych. Biorąc także pod uwagę fakt wykrycia szczepów MDR w ściekach oczyszczonych można stwierdzić, że istnieje potencjalne niebezpieczeństwo dla zdrowia publicznego. Koniczne jest, zatem wprowadzenie regulacji prawnych nakazujących monitoring genów oporności na antybiotyki oraz bakterii opornych w ściekach oczyszczonych, trafiających do środowiska naturalnego. Dodatkowo, uzyskane wyniki mogą stać się podstawą do rozpatrzenia konieczności wprowadzenia technologii pozwalającej na usuwanie zarówno bakterii jak i materiału genetycznego ze ścieków oczyszczonych biologicznie.
dc.language.iso en
dc.rights info:eu-repo/semantics/restrictedAccess
dc.subject beta-lactam
dc.subject beta-lactamase
dc.subject horizontal gene transfer
dc.subject R-plasmids
dc.subject antibiotic resistance bacteria
dc.subject antibiotic resistance gene
dc.subject antibiotic resistance
dc.subject wastewater treatment plant
dc.subject antybiotyk beta-laktamowy
dc.subject beta-laktamaza
dc.subject horyzontalny przepływ genów
dc.subject plazmid oporności
dc.subject bakteria oporna na antybiotyki
dc.subject gen oporności na antybiotyki
dc.subject antybiotykooporność
dc.subject oczyszczalnia ścieków
dc.title Prevalence of beta-lactam resistance genes among bacteria isolated from Czajka wastewater treatment plant
dc.title.alternative Rozpowszechnienie genów oporności na antybiotyki beta-laktamowe wśród bakterii izolowanych z oczyszczalni ścieków Czajka
dc.type info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
dc.description.eperson Anna Książczak
dc.contributor.department Wydział Biologii
dc.date.defence 2021-06-28

Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search Repository


Advanced Search

Browse

My Account

Statistics