Host range of antibiotic resistance genes in wastewater treatment plant influent and effluent

10.1093/femsec/fiy038Wastewater treatment plants (WWTPs) collect wastewater from various sources for a multi-step treatment process. By mixing a large variety of bacteria and promoting their proximity, WWTPs constitute potential hotspots for the emergence of antibiotic resistant bacteria. Concerns have been expressed regarding the potential of WWTPs to spread antibiotic resistance genes (ARGs) from environmental reservoirs to human pathogens. We utilized epicPCR (Emulsion, Paired Isolation and Concatenation PCR) to detect the bacterial hosts of ARGs in two WWTPs. We identified the host distribution of four resistance-associated genes (tetM, int1, qacE Delta 1 and bla(OXA-58)) in influent and effluent. The bacterial hosts of these resistance genes varied between the WWTP influent and effluent, with a generally decreasing host range in the effluent. Through 16S rRNA gene sequencing, it was determined that the resistance gene carrying bacteria include both abundant and rare taxa. Our results suggest that the studied WWTPs mostly succeed in decreasing the host range of the resistance genes during the treatment process. Still, there were instances where effluent contained resistance genes in bacterial groups not carrying these genes in the influent. By permitting exhaustive profiling of resistance-associated gene hosts in WWTP bacterial communities, the application of epicPCR provides a new level of precision to our resistance gene risk estimates.Peer reviewe

Evaluating the mobility potential of antibiotic resistance genes in environmental resistomes without metagenomics

Peer reviewe

Maternal gut and breast milk microbiota affect infant gut antibiotic resistome and mobile genetic elements

Publisher Copyright: © 2018, The Author(s).The infant gut microbiota has a high abundance of antibiotic resistance genes (ARGs) compared to adults, even in the absence of antibiotic exposure. Here we study potential sources of infant gut ARGs by performing metagenomic sequencing of breast milk, as well as infant and maternal gut microbiomes. We find that fecal ARG and mobile genetic element (MGE) profiles of infants are more similar to those of their own mothers than to those of unrelated mothers. MGEs in mothers' breast milk are also shared with their own infants. Termination of breastfeeding and intrapartum antibiotic prophylaxis of mothers, which have the potential to affect microbial community composition, are associated with higher abundances of specific ARGs, the composition of which is largely shaped by bacterial phylogeny in the infant gut. Our results suggest that infants inherit the legacy of past antibiotic consumption of their mothers via transmission of genes, but microbiota composition still strongly impacts the overall resistance load.Peer reviewe

Sulphonamide and Trimethoprim Resistance Genes Persist in Sediments at Baltic Sea Aquaculture Farms but Are Not Detected in the Surrounding Environment

Peer reviewe

Metagenomic Analysis of the Abundance and Composition of Antibiotic Resistance Genes in Hospital Wastewater in Benin, Burkina Faso, and Finland

The global emergence and increased spread of antibiotic resistance threaten the effectiveness of antibiotics and, thus, the health of the entire population. Therefore, understanding the resistomes in different geographical locations is crucial in the global fight against the antibiotic resistance crisis.Antibiotic resistance is a global threat to human health, with the most severe effect in low- and middle-income countries. We explored the presence of antibiotic resistance genes (ARGs) in the hospital wastewater (HWW) of nine hospitals in Benin and Burkina Faso, two low-income countries in West Africa, with shotgun metagenomic sequencing. For comparison, we also studied six hospitals in Finland. The highest sum of the relative abundance of ARGs in the 68 HWW samples was detected in Benin and the lowest in Finland. HWW resistomes and mobilomes in Benin and Burkina Faso resembled each other more than those in Finland. Many carbapenemase genes were detected at various abundances, especially in HWW from Burkina Faso and Finland. The bla(GES) genes, the most widespread carbapenemase gene in the Beninese HWW, were also found in water intended for hand washing and in a puddle at a hospital yard in Benin. mcr genes were detected in the HWW of all three countries, with mcr-5 being the most common mcr gene. These and other mcr genes were observed in very high relative abundances, even in treated wastewater in Burkina Faso and a street gutter in Benin. The results highlight the importance of wastewater treatment, with particular attention to HWW.IMPORTANCE The global emergence and increased spread of antibiotic resistance threaten the effectiveness of antibiotics and, thus, the health of the entire population. Therefore, understanding the resistomes in different geographical locations is crucial in the global fight against the antibiotic resistance crisis. However, this information is scarce in many low- and middle-income countries (LMICs), such as those in West Africa. In this study, we describe the resistomes of hospital wastewater in Benin and Burkina Faso and, as a comparison, Finland. Our results help to understand the hitherto unrevealed resistance in Beninese and Burkinabe hospitals. Furthermore, the results emphasize the importance of wastewater management infrastructure design to minimize exposure events between humans, HWW, and the environment, preventing the circulation of resistant bacteria and ARGs between humans (hospitals and community) and the environment.Peer reviewe

Antibiotic Resistomes and Microbiomes in the Surface Water along the Code River in Indonesia Reflect Drainage Basin Anthropogenic Activities

Water and sanitation are important factors in the emergence of antimicrobial resistance in low-and middle-income countries. Drug residues, metals, and various wastes foster the spread of antibiotic resistance genes (ARGs) with the help of mobile genetic elements (MGEs), and therefore, rivers receiving contaminants and enfluents from multiple sources are of special interest. We followed both the microbiome and resistome of the Code River in Indonesia from its pristine origin at the Merapi volcano through rural and then city areas to the coast of the Indian Ocean. We used a SmartChip quantitative PCR with 382 primer pairs for profiling the resistome and MGEs and 16S rRNA gene amplicon sequencing to analyze the bacterial communities. The community structure explained the resistome composition in rural areas, while the city sampling sites had lower bacterial diversity and more ARGs, which correlated with MGEs, suggesting increased mobility potential in response to pressures from human activities. Importantly, the vast majority of ARGs and MGEs were no longer detectable in marine waters at the ocean entrance. Our work provides information on the impact of different influents on river health as well as sheds light on how land use contributes to the river resistome and microbiome.Peer reviewe

Antibiotic residues in final effluents of European wastewater treatment plants and their impact on the aquatic environment

A comprehensive monitoring of a broad set of antibiotics in the final effluent of wastewater treatment plants (WWTPs) of 7 European countries (Portugal, Spain, Ireland, Cyprus, Germany, Finland, and Norway) was carried out in two consecutive years (2015 and 2016). This is the first study of this kind performed at an international level. Within the 53 antibiotics monitored 17 were detected at least once in the final effluent of the WWTPs, i.e.: ciprofloxacin, ofloxacin, enrofloxacin, orbifloxacin, azithromycin, clarithromycin, sulfapyridine, sulfamethoxazole, trimethoprim, nalidixic acid, pipemidic acid, oxolinic acid, cefalexin, clindamycin, metronidazole, ampicillin, and tetracycline. The countries exhibiting the highest effluent average concentrations of antibiotics were Ireland and the southern countries Portugal and Spain, whereas the northern countries (Norway, Finland and Germany) and Cyprus exhibited lower total concentration. The antibiotic occurrence data in the final effluents were used for the assessment of their impact on the aquatic environment. Both, environmental predicted no effect concentration (PNEC-ENVs) and the PNECs based on minimal inhibitory concentrations (PNEC-MICs) were considered for the evaluation of the impact on microbial communities in aquatic systems and on the evolution of antibiotic resistance, respectively. Based on this analysis, three compounds, ciprofloxacin, azithromycin and cefalexin are proposed as markers of antibiotic pollution, as they could occasionally pose a risk to the environment. Integrated studies like this are crucial to map the impact of antibiotic pollution and to provide the basis for designing water quality and environmental risk in regular water monitoring programs.Peer reviewe

Inverse PCR:ään perustuvan menetelmän kehittäminen antibioottiresistenssigeenien leviämisriskin tutkimiseen ympäristössä

Antibiooteille vastustuskykyisistä eli resistenteistä bakteereista on tullut maailmanlaajuinen ongelma, joka on vakavuudeltaan verrattavissa pandemioihin. Tautia aiheuttavien bakteerikantojen vastustuskyky vaikeuttaa infektioiden hoitoa ja voi aiheuttaa pahimmillaan jopa kuolemantapauksia. Bakteerien antibioottivastustuskyky on antibioottiresistenssigeeneihin perustuva ominaisuus, joka on yleistynyt antibioottien käytön seurauksena sekä tautia aiheuttavilla bakteereilla että vaarattomilla ympäristöbakteereilla. Erityisen ongelmallisia ovat liikkuvissa geneettisessä elementeissä sijaitsevat antibioottiresistenssigeenit, joissa on DNA:n aktiiviseen siirtymiseen vaadittavia geenejä. Liikkuvissa geneettisissä elementeissä sijaitsevat resistenssigeenit siirtyvät erittäin tehokkaasti bakteerien välillä, jolloin resistenssigeenien leviäminen ympäristöbakteereilta tautia aiheuttaville bakteereille aiheuttaa maailmanlaajuisesti oleellisen riskin ihmisten terveyden kannalta. Maisterintutkielmassani kehitettiin IPCR:ään (engl. inverse PCR) pohjautuva menetelmä antibioottiresistenssi-geenejä ympäröivien geenien tutkimiseen. Antibioottiresistenssigeenejä ympäröivien alueiden avulla voitiin päätellä, sijaisivatko resistenssigeenit liikkuvassa geneettisessä elementissä, ja sitä kautta arvioida antibioottiresistenssigeenien leviämisriski. Liikkuvissa geneettisissä elementeissä on antibioottiresistenssiresistenssigeenien lisäksi muita kullekin liikkuvalle geneettiselle elementille tyypillisiä geenejä, jotka voitiin monistaa käyttämällä kehitettyä IPCR-menetelmää. Menetelmää käytettiin kalanviljelylaitoksen bakteerien sul1- ja tetM-resistenssigeenejä ympäröivien geenien tutkimiseen. IPCR:ää ei ole aikaisemmin sovellettu liikkuvien geneettisten elementtien ja antibioottiresistenssigeenien tutkimiseen ympäristönäytteillä. IPCR:ää ja uuden sukupolven PacBio-sekvensointimenetelmää käyttämällä onnistuttiin monistamaan ja sekvensoimaan useita sul1- ja tetM-geenejä sisältäviä liikkuvia geneettisiä elementtejä, mikä osoitti, että menetelmä sopii antibioottiresistenssigeenien liikkuvien geneettisten elementtien tutkimiseen ympäristössä. Kaikki sul1- ja tetM-geenit sijaitsivat liikkuvissa geneettisissä elementeissä, minkä vuoksi geeneillä on suuri siirtymisriski kalankasvattamolla esiintyviltä ympäristöbakteereilta ihmisille tai kaloille tautia aiheuttaville bakteerikannoille. tetM-geenit sijaitsivat Tn916-tyyppisissä transposoneissa tai sul1-geenin kanssa samassa integronissa. sul1-geenit sijaitsivat puolestaan integroneissa, joissa oli lisäksi muita resistenssigeenejä, ja myös geenejä jotka aiheuttavat vastustuskykyä terveydenhuollossa tärkeille antibiooteille, joita ei käytetä kalanviljelyssä. Yksi sul1:n kanssa samasta liikkuvasta elementistä löytyneistä geeneistä oli mahdollisesti uudentyyppinen blaoxa-β-laktaamiantibioottiresistenssigeeni. Uuden mahdollisen resistenssigeenin löytyminen osoittaa, että IPCR soveltuu hyvin myös uusien liikkuviin elementteihin liittyneiden resistenssigeenien etsimiseen. Maisterin tutkielmassani kehitetty IPCR-pohjainen menetelmä, joka perustui perinteisiin molekyylibiologisiin tekniikoihin eikä vaatinut kalliita reagensseja tai laitteita, osoittautui käyttökelpoiseksi ympäristössä esiintyvien antibioottiresistenssigeenien siirtymisriskin arvioimiseen. Menetelmää voitaisiin jatkossa käyttää edullisesti ja helposti antibioottiresistenssigeenien ja -geenejä sisältävien liikkuvien geneettisten elementtien monitorointiin ympäristössä, myös silloin kun antibioottiresistenssigeenit eivät vielä ole levinneet sairaalaympäristöön. Tällöin ihmisen toiminta voi vielä vaikuttaa haitallisten antibioottiresistenssigeenien leviämiseen tautia aiheuttaville bakteereille

Interconnected resistomes and the accumulative antibiotic resistance crisis

Antibiotics were once miracle cures, but because of the spread of antibiotic resistance in bacteria, their effectiveness is threatened. Although antibiotics have only been produced industrially for 70 years, antibiotic-resistant bacteria are a threat to human health. The effects of antibiotic use pass on over generations, and resistance kills an estimated 214,000 infants a year. Antibiotic-resistant bacteria have also become widespread in the environment. In my dissertation, I used a microbial ecology perspective to study how the antibiotic resistance crisis manifests itself in humans (with a focus on mothers and infants) and in the environment. My main lines of research focused on selection pressures that shape bacterial communities and the effects of the spread of resistant bacteria. I studied the amounts of antibiotic resistance genes in different environments, utilizing methods based mainly on metagenomics. Mothers pass on antibiotic-resistant bacteria to their children. However, in my study, the resistance load of infants’ intestines was most affected by infant formula use. Infants who received formula had a significantly higher proportion of bacteria carrying resistance genes than exclusively breastfed infants. Surprisingly, formula use increased the intestinal resistance load more than the antibiotic regimens given to babies, which could not be shown to have an effect in my dissertation. Antibiotic selection pressure did not explain the number of resistance genes in the environmental samples I studied either. The results suggested that fecal contamination is almost always behind the resistance load observed in the environment. It was therefore interesting that the treated wastewater discharged from European wastewater treatment plants into the environment corresponded to the types of resistance of bacterial strains isolated from infected patients. The result suggests that inadequate wastewater treatment is part of the resistance problem in Europe as well, and not just in developing countries, and potentially increases the spread of antibiotic-resistant bacteria to humans. My work shows that the most effective ways to reduce resistance may not be intuitive. Bacterial spread may play a larger role than previously thought. Efficient waste treatment and exclusive breastfeeding may reduce the number of resistant bacteria in society, the environment, and young children more effectively than reducing the use of antibiotics.Ennen antibiootit olivat ihmelääkkeitä, mutta bakteerien yleistyneen vastustuskyvyn, eli resistenssin, vuoksi niiden tehokkuus on uhattuna. Vaikka antibiootteja on tuotettu teollisesti vasta 70 vuoden ajan, ovat antibiooteille resistentit bakteerit uhka ihmisten terveydelle. Antibioottien käytön vaikutukset siirtyvät yli sukupolvien ja resistenssi tappaakin arviolta 214 000 imeväisikäistä lasta vuodessa. Antibiooteille vastustuskykyiset bakteerit ovat levinneet laajasti myös ympäristöön. Väitöskirjassani olen tutkinut mikrobiekologian näkökulmasta, kuinka antibioottiresistenssikriisi näkyy ihmisissä (keskittyen äiteihin ja vauvoihin) ja ympäristössä. Päätutkimuslinjani keskittyivät bakteeriyhteisöjä muokkaaviin valintapainesiin ja vastustuskykyisten bakteerien leviämisen vaikutuksiin. Tutkin eri ympäristöjen antibioottiresistenssigeenimääriä hyödyntäen pääosin metagenomiikkaan perustuvia menetelmiä. Äidit siirtävät lapsilleen myös antibiooteille vastustuskykyisiä bakteereita. Tutkimuksessani vauvojen suoliston resistenssikuormaan vaikutti kuitenkin eniten äidinmaidonkorvikkeen käyttö. Vauvoilla, jotka saivat korviketta, oli huomattavasti suurempi osuus resistenssigeenejä kantavia bakteereja kuin täysimetetyillä. Yllättäen korvike lisäsi suoliston resistenssikuormaa enemmän kuin vauvojen saamat antibioottikuurit, joilla ei väitöskirjassani pystytty osoittamaan olevan vaikutusta. Antibioottivalintapaine ei selittänyt resistenssigeenien määrään myöskään tutkimissani ympäristönäytteissä. Tulokset viittasivat siihen, että ulostesaaste on lähes aina ympäristössä havaitun resistenssikuorman takana. Olikin kiinnostavaa, että eurooppalaisilta jätevedenpuhdistamoilta ympäristöön päätyvä puhdistettu jätevesi vastasi infektiopotilaista eristettyjen bakteerikantojen resistenssityyppejä. Tulos viittaa siihen, että jätevesien puutteellinen käsittely on osa resistenssiongelmaa myös Euroopassa, eikä vain kehittyvissä maissa, ja mahdollisesti lisää antibiooteille vastustuskykyisten bakteerien leviämistä ihmisiin. Tehokkaimmat tavat vähentää resistenssiä eivät välttämättä ole intuitiivisia. Bakteerien leviäminen on mahdollisesti suuremmassa roolissa kuin on ajateltu. Toimiva jätevirtojen käsittely ja täysimetys saattavat vähentää vastustuskykyisten bakteerien määrää yhteiskunnassa, ympäristössä ja pikkulapsissa tehokkaammin kuin antibioottien käytön vähentäminen

Sampling sites and their descriptions.

a<p>Mean values of depth, temperature (T) and pH were measured from bottom seawater at sampling sites located in the archipelago area in the northern Baltic Sea.</p