Kontekst badania
Praca stanowi szczegółowy przegląd literatury naukowej dotyczącej obecności oraz metod detekcji i usuwania genooporności na antybiotyki (ARGs) oraz bakterii opornych na antybiotyki (ARB) w ściekach pochodzących ze szpitali (HWW – hospital wastewater). Autorzy podejmują temat w kontekście rosnącego globalnego zagrożenia, jakim jest antybiotykooporność (AMR), podkreślając znaczenie środowiskowych rezerwuarów ARGs oraz wpływ działalności szpitalnej na rozprzestrzenianie się tej oporności w ekosystemach wodnych. Wskazano, że szpitale stanowią tzw. „hotspoty” dla ARGs i ARB ze względu na intensywne stosowanie szerokowidmowych antybiotyków oraz specyfikę leczenia (np. leczenie zakażeń szpitalnych, immunosupresja, inwazyjne procedury medyczne).
Cele i hipotezy
Celem głównym pracy było zebranie, uporządkowanie i syntetyczna analiza dotychczasowej wiedzy na temat występowania genów oporności na antybiotyki (ARGs) oraz bakterii opornych na antybiotyki (ARB) w ściekach szpitalnych (HWW), a także ocena skuteczności istniejących metod ich usuwania. Autorzy chcieli zidentyfikować, które grupy ARGs występują najczęściej w ściekach pochodzących ze środowiska szpitalnego, porównać ich poziomy z innymi środowiskami (np. ścieki komunalne, wody powierzchniowe, domy opieki) oraz ocenić, w jakim stopniu obecne technologie oczyszczania ścieków są zdolne do ograniczenia ich emisji do środowiska.
Jednym z ważniejszych celów pośrednich było również zbadanie wpływu pandemii COVID-19 na wzrost częstości występowania ARGs w ściekach szpitalnych, biorąc pod uwagę zwiększone zużycie antybiotyków w czasie leczenia zakażeń wirusowych z podejrzeniem nadkażeń bakteryjnych. Celem było też podkreślenie znaczenia problemu w kontekście zdrowia publicznego i środowiskowego, zgodnie z koncepcją One Health.
Choć autorzy nie formułują klasycznej hipotezy badawczej w sensie ilościowym, to ich analiza opiera się na jasno zarysowanym założeniu, które można określić jako hipotezę przeglądową: „Szpitale stanowią istotne źródło środowiskowej oporności na antybiotyki, a tradycyjne metody oczyszczania ścieków są niewystarczające do skutecznej eliminacji ARGs z hospitalnych ścieków; sytuacja ta mogła się dodatkowo pogłębić w wyniku pandemii COVID-19.” Na podstawie tej hipotezy, autorzy analizują literaturę z ostatnich lat, poszukując dowodów wspierających lub obalających to założenie. W ramach przeglądu starają się też zidentyfikować luki w wiedzy oraz potrzeby w zakresie dalszych badań, zarówno dotyczących technologii oczyszczania, jak i systemów monitorowania ARGs.
Cele artykułu są interdyscyplinarne – łączą aspekty mikrobiologii środowiskowej, zdrowia publicznego, inżynierii sanitarnej i polityki zdrowotnej – a hipoteza zakłada kluczową rolę szpitalnych ścieków w globalnym problemie antybiotykooporności i potrzebę pilnych działań technologicznych oraz legislacyjnych w tym obszarze.
Metody badawcze
Metodyka przeglądu opiera się na analizie kilkudziesięciu badań porównujących zawartość ARGs i ARB w ściekach szpitalnych w porównaniu z innymi środowiskami, takimi jak ścieki miejskie, ścieki z domów opieki, gospodarstw domowych czy wody powierzchniowe. Badania wykorzystywały różnorodne techniki analityczne – od klasycznych metod mikrobiologicznych opartych na hodowli bakterii na selektywnych pożywkach, po zaawansowane metody molekularne, takie jak konwencjonalna PCR, ilościowa PCR (qPCR), cyfrowa PCR (dPCR) oraz metagenomika. Podejścia molekularne pozwalały na identyfikację konkretnych genów oporności (np. blaNDM-1, mecA, vanA, blaCTX-M, mcr-1), ich ilościową ocenę oraz ocenę obecności elementów mobilnych (MGEs), takich jak plazmidy, integrony czy bakteriofagi, które odpowiadają za horyzontalny transfer genów. Metody metagenomiczne, choć najbardziej kompleksowe, wymagają wysokich nakładów finansowych i dostępu do wyspecjalizowanego sprzętu i wiedzy bioinformatycznej, co ogranicza ich zastosowanie w wielu placówkach, szczególnie w krajach o niższych dochodach.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Wyniki zestawione w przeglądzie jednoznacznie wskazują, że HWW zawierają znacznie wyższe stężenia wielu kluczowych ARGs niż inne typy ścieków. Na przykład, częstość występowania genu blaNDM-1 w ściekach szpitalnych sięgała 71% w porównaniu do 12% w próbkach środowiskowych. Gen mecA, odpowiedzialny za oporność gronkowców na metycylinę (MRSA), był obecny w ściekach szpitalnych i domach opieki, ale niewykrywany w ściekach komunalnych. Podobne trendy zaobserwowano dla vanA (oporność enterokoków na wankomycynę) oraz blaCTX-M (ESBL – enzymy β-laktamazy o rozszerzonym spektrum). Co więcej, szpitalne ścieki zawierały wyższe stężenia elementów mobilnych (MGEs), które odgrywają kluczową rolę w horyzontalnym transferze ARGs między gatunkami bakterii. Zidentyfikowano również występowanie wieloopornych bakterii w ściekach z oddziałów COVID-owych, co sugeruje istotny wpływ pandemii na dynamikę AMR w środowisku.
Autorzy zauważają, że obecne systemy oczyszczania ścieków – zarówno na poziomie szpitali, jak i miejskich oczyszczalni ścieków (WWTP) – nie są wystarczająco skuteczne w eliminacji ARGs. Tradycyjne procesy oczyszczania, takie jak osad czynny, chlorowanie, ozonowanie czy dezynfekcja UV, wykazują zmienną efektywność. Choć w niektórych przypadkach stwierdzono znaczące obniżenie stężeń ARGs (np. chlorowanie zmniejszyło względną obfitość blaNDM i mcr), w innych przypadkach obserwowano tzw. ujemne wskaźniki usuwania, co może świadczyć o aktywacji mechanizmów kompensacyjnych w bakteriach bądź selekcji opornych szczepów. UV, choć pozbawiony skutków ubocznych w postaci produktów ubocznych reakcji, może prowadzić do fotoreaktywacji mikroorganizmów. Największą skuteczność wykazywały nowoczesne technologie, takie jak reaktory membranowe (MBR), zaawansowane procesy utleniania (np. E-peroxone-SBR), ozonowanie w połączeniu z filtracją na węglu aktywnym oraz technologie hybrydowe. Szczególnie MBR-y wykazywały ponad 3-logarytmiczne redukcje ARGs, a systemy ozonowania były skuteczne także w usuwaniu antybiotyków obecnych w ściekach. Mimo to ich wdrażanie ogranicza wysoki koszt, zapotrzebowanie na przestrzeń i konieczność przystosowania infrastruktury szpitalnej.
Pandemia COVID-19 dodatkowo zaostrzyła problem AMR. Z powodu trudności diagnostycznych i obaw o wtórne zakażenia bakteryjne, antybiotyki były rutynowo podawane pacjentom z COVID-19, nawet jeśli nie wykazali oznak infekcji bakteryjnej. W rezultacie, w szpitalnych ściekach odnotowano wzrost liczby i różnorodności ARGs, w tym genów oporności na antybiotyki ostatniej szansy. Autorzy wskazują na potrzebę bardziej rygorystycznego nadzoru nad zużyciem antybiotyków i ścisłego monitorowania emisji ARGs, zwłaszcza w czasie kryzysów zdrowia publicznego.
Ograniczenia zakresu badawczego
Ograniczenia przeglądu wynikają z heterogeniczności danych źródłowych. Różne badania posługują się odmiennymi metodami detekcji ARGs, a także analizują próbki z różnych lokalizacji geograficznych, co utrudnia bezpośrednie porównania ilościowe. W wielu przypadkach brakuje standaryzacji procedur analitycznych, a także długoterminowych danych monitorujących zmiany w czasie. Ponadto, większość analiz pochodzi z krajów uprzemysłowionych, co może nie odzwierciedlać skali problemu w krajach rozwijających się, gdzie infrastruktura sanitarna jest ograniczona.
Wnioski
- Szpitalne ścieki (HWW) są istotnym źródłem oporności na antybiotyki, zawierającym znacznie wyższe stężenia klinicznie istotnych genów oporności (ARGs) niż ścieki miejskie, komunalne czy środowiskowe.
- Najczęściej wykrywane ARGs w HWW to geny kodujące oporność na karbapenemy (blaNDM, blaKPC), metycylinę (mecA), wankomycynę (vanA), cefalosporyny (blaCTX-M) oraz kolistynę (mcr-1).
- Tradycyjne metody oczyszczania ścieków (WWTP), takie jak osad czynny, chlorowanie, UV czy ozonowanie, wykazują ograniczoną i często niespójną skuteczność w eliminacji ARGs – w niektórych przypadkach obserwowano wręcz wzrost ich stężenia po dezynfekcji.
- Nowoczesne technologie oczyszczania, takie jak reaktory membranowe (MBR), E-peroxone-SBR, zaawansowane procesy utleniania czy filtracja na węglu aktywnym, wykazują wyższą skuteczność, ale są kosztowne i trudne do wdrożenia w skali przemysłowej.
- Pandemia COVID-19 przyczyniła się do wzrostu częstości występowania ARGs w HWW, głównie z powodu nadmiernego stosowania antybiotyków u pacjentów z zakażeniem wirusowym, co potwierdzają dane z izolowanych szpitali COVID-owych.
- Systemy monitorowania i regulacje dotyczące przedoczyszczania HWW są niewystarczające, szczególnie w krajach rozwijających się, gdzie infrastruktura sanitarna bywa ograniczona.
- Potrzebne są zintegrowane działania oparte na podejściu One Health, obejmujące:
- ograniczenie nieuzasadnionego stosowania antybiotyków,
- rozwój skutecznych i skalowalnych technologii oczyszczania,
- prowadzenie regularnego monitoringu ARGs,
- zwiększanie świadomości społecznej i edukacji w zakresie AMR.
- Horyzontalny transfer genów (HGT) odgrywa kluczową rolę w środowiskowym rozprzestrzenianiu oporności, a HWW stanowi środowisko sprzyjające temu zjawisku, co potęguje zagrożenie epidemiologiczne.
- Konieczne są dalsze badania interdyscyplinarne, które pozwolą lepiej zrozumieć dynamikę ARGs w środowisku, zoptymalizować strategie ich eliminacji i opracować skuteczne rozwiązania prewencyjne.
Artykuł opublikowano w Toxics.