Occurrence and Fate of Antimicrobials and Antibiotic Resistance Genes in Urban Hydrological Cycles

Abstract

Lääkeaineiden esiintyminen ympäristössä voi aiheuttaa ympäristölle ja terveydelle riskejä. Varsinkin antimikrobiset lääkeaineet voivat aiheuttaa resistenssin syntymistä ympäristössä jo terapeuttista annosta pienempinä pitoisuuksina. Tässä tutkimuksessa mitattiin valittujen antibioottien sekä antiretroviraalisten lääkeaineiden pitoisuuksia (MEC) urbaanissa hydrologisessa kierrossa Keniassa ja Sambiassa. Tutkittujen lääkeaineiden pitoisuus jätevedessä vaihteli välillä ˂0,1–956 μg l-1; jäteveden kiintoaineessa 0,1–82267 μg kg-1 ja sedimenttinäytteissä 4125 μg kg-1. Jäteveden sisältämä kiintoaine on siis merkittävä reitti ympäristöön. Sambian Lusakasta kerätyistä ympäristönäytteistä analysoitiin 33 kliinisesti tärkeän antibioottiresistentin geenin ja kahden resistenssigeenien liikkumiseen liittyvän integronin (intl1_1 ja intl1_2) profiilieja. Resistenssigeenejä, jotka antavat vastustuskyvyn sulfonamideja, trimetopriimiä, tetrasykliiniä, kinoloneja, makrolideja, rifamysiiniä ja β-laktaameja (mukaan lukien karbapeneemit) vastaan esiintyi näytteissä runsaasti. Niiden suhteellinen esiintyvyys vaihteli 10–3–10–1 kopiota 16S rRNA -geeniä kohti. β-laktamaasigeeni, blaTEM, oli suhteellisesti useimmin esiintyvä resistenssigeeni (10–2, tarkoittaen 1 geenikopiota 100 bakteeria kohti) sakokaivolietteen käsittelyaltaan sedimentissä ja Manchinchin jäteveden puhdistamolle tulevassa jätevedessä, kun taas vesinäytteissä suhteellinen antibioottiresistenttien geenien runsaus oli kymmenesosa tuosta määrästä (10–3). Antibioottien ja niille resistenttien geenien runsas esiintyminen ja päätyminen pintavesiin lisää riskiä alajuoksun ympäristöille sekä saastuneelle pintavedelle altistuville eläimille ja ihmisille. Normaaliin virtsaan lisätyt tutkittavat lääkeaineet poistuivat puusta ja turpeesta valmistetun jauhemaisen aktiivihiilikäsittelyn avulla tehokkaasti, kokonaispoistuma oli yli 93 %. Lääkeaineiden adsorptiokapasiteetti todellisessa virtsamatriisissa oli 0,75–16,6 mg g-1 verrattuna puhtaaseen veteen 10–200 mg g-1. Tämä johtuu siitä, että virtsassa kilpailevan matriisin pitoisuus on useita kertaluokkia suurempi kuin lääkeaineilla. Silti lääkeaineiden poisto aktiivihiilen absorboitumalla tarjoaa mahdollisuuden kehittää yksinkertaisia ja edullisia käsittelymenetelmiä lääkeaineiden poistamiseen erilliskerätystä virtsasta.

Presence of active pharmaceutical ingredients (APIs) in the environment below therapeutic doses is accessory to driving resistance selection in micro-organisms. This study evaluated the measured environmental concentrations (MEC) of selected antimicrobials and antibiotic resistance genes in selected urban hydrological cycles in Kenya and Zambia. The MEC for selected APIs in aqueous, suspended particulate matter (SPM), and sediment samples ranged between ˂ 0.1 to 956 μg l-1; ˂ 0.1 to 82267 μg kg-1; < 0.1 to 4125 μg kg-1, respectively. Emission of some APIs was through the SPM phase which shows that SPM is an important phase for investigation. Profiles of 33 clinically important antibiotic resistant genes (ARGs) and 2 integrons (intl1_1 and intl1_2) were analyzed from samples collected in Lusaka Zambia. ARGs against sulfonamides, trimethoprim, tetracycline, quinolones, macrolides, rifamycin and β- lactams (including carbapenems), showed the highest average relative gene abundance of 10-3 to 10-1 genes per 16S rRNA gene. The β-lactamase gene blaTEM had the highest relative abundance (10-2, indicating 1 gene copy per 100 bacteria) in sediment samples fecal sludge and in Manchinchi WWTP influent water, whereas in water samples the relative abundance was one log lower (10-3). Widespread detection of antibiotics and ARGs in surface water poses increased risk for downstream environments, as well as animals and humans who are exposed to contaminated surface water. Removal of model API from real urine by adsorption using wood and peat based powdered activated carbon (AC) showed overall removal > 93 %. The adsorption capacity of the AC in urine and pure water ranged between 0.75–16.6 mg g-1 and 10–200 mg g-1 respectively. This could be attributed to the urine matrix effects. Removal of APIs by AC offers possibility to further develop simple, robust, and sustainable treatment technologies for point-of-source mass reduction method.