Kontekst badania
Globalne kryzysy związane z odpornością na antybiotyki (AMR) i zanieczyszczeniem tworzywami sztucznymi stwarzają poważne zagrożenia dla zdrowia publicznego, szczególnie w środowiskach medycznych. Jednorazowe produkty z tworzyw sztucznych w szpitalach przyczyniają się do zanieczyszczenia mikroplastikami i rozprzestrzeniania genów odporności na antybiotyki w odpadach medycznych. Wskazano na potencjał mikroorganizmów w rozkładzie plastiku i oporności na antybiotyki.
Cele i hipotezy
Badanie miało na celu:
- Określenie różnorodności mikroorganizmów w odpadach medycznych przy użyciu metod sekwencjonowania metagenomowego.
- Zidentyfikowanie genów związanych z odpornością na antybiotyki i degradacją tworzyw sztucznych.
- Ocenę potencjału mikroorganizmów jako środków biologicznych w zarządzaniu odpadami.
Metody badawcze
Przeanalizowano 12 próbek odpadów medycznych z różnych regionów Malezji. Sekwencjonowanie pełnej długości 16S rRNA oraz płytkie sekwencjonowanie metagenomowe przeprowadzono w celu identyfikacji mikroorganizmów i ich funkcji. Przetestowano odporność bakterii na antybiotyki metodą dyfuzji krążkowej, a także zidentyfikowano geny odpowiedzialne za degradację tworzyw sztucznych i antybiotykoodporność za pomocą baz danych CARD i PAZy.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Wyniki badań ujawniły różnorodne aspekty związane z mikroorganizmami w odpadach medycznych, ich odpornością na antybiotyki oraz zdolnościami degradacji tworzyw sztucznych.
Różnorodność mikroorganizmów: Analiza próbek odpadów medycznych wykazała, że dominującymi typami bakterii były „Firmicutes” i „Proteobacteria”. W próbkach z różnych regionów Malezji zaobserwowano różnice w składzie mikroorganizmów: „Stenotrophomonas maltophilia” dominowała w próbkach z południa (ponad 91% składu mikrobiologicznego próbek); „Proteus mirabilis” występował w większych ilościach w próbkach z centralnych; Próby z północy wykazały większą różnorodność gatunków, w tym znaczny udział „Bacillus” i „Paenibacillus”. Dalsze analizy wykazały, że bakterie takie jak „Stenotrophomonas” oraz „Pseudomonas sp.” mogły rozprzestrzeniać się w odpadach zawierających tworzywa sztuczne, co sugeruje ich zdolność do kolonizacji tego materiału.
Geny odporności na antybiotyki: W próbkach znaleziono szeroki wachlarz genów odporności na antybiotyki (ARG), które kodują oporność na 31 klas antybiotyków, w tym karbapenemy, cefalosporyny i aminoglikozydy. „Proteus mirabilis” wykazywał szczególnie wysoką odporność na karbapenemy i cefalosporyny, będąc jednocześnie podatnym na nieliczne antybiotyki, takie jak ertapenem czy amikacyna. „Stenotrophomonas maltophilia” była oporna na lewofloksacynę, trimetoprim-sulfametoksazol oraz meropenem, co potwierdza jej zdolność przetrwania w trudnych warunkach środowiskowych, takich jak odpady medyczne. „Pseudomonas sp.” okazała się wielolekowo oporna, szczególnie na antybiotyki beta-laktamowe, lecz zachowała podatność na cefepim i polimyksynę B, ostatniej linii obrony przeciwko opornym bakteriom Gram-ujemnym. Zidentyfikowanie takich patogenów w odpadach medycznych wskazuje na ryzyko rozprzestrzeniania się opornych szczepów w środowisku, co stawia wyzwania w zakresie gospodarki odpadami.
Geny degradacji tworzyw sztucznych: Badanie ujawniło obecność genów kodujących enzymy zdolne do degradacji tworzyw sztucznych: Hydrolazy (np. esterazy, lipazy) i oksydoreduktazy były najczęściej wykrywanymi klasami enzymów; Depolimerazy były zdolne do rozkładu złożonych polimerów, takich jak polietylen (PE) i poliester; Geny kodujące enzymy rozkładające specyficzne tworzywa sztuczne, takie jak poli(3-hydroksymaślan) (PHB) czy polietylenoglikol (PEG), zostały wykryte w próbkach z odpadów centralnych regionów Malezji. Próbki z północy wykazały większą różnorodność genów związanych z degradacją tworzyw sztucznych, co sugeruje, że mikroorganizmy w tych regionach mogą mieć lepsze zdolności adaptacyjne do degradacji odpadów tworzyw sztucznych.
Antybiotykoodporność i degradacja tworzyw sztucznych: Interesującym odkryciem było to, że mikroorganizmy o wysokiej odporności na antybiotyki, takie jak „Stenotrophomonas maltophilia” i „Pseudomonas sp.”, posiadały również geny kodujące enzymy rozkładające tworzywa sztuczne. „Stenotrophomonas maltophilia” była najczęściej związana z genami oksydoreduktaz i hydrolaz, które rozkładają polimery, takie jak PET i PE. „Pseudomonas sp.” wykazywała potencjał w rozkładzie tworzywa sztuczne, co wskazuje na możliwość jej wykorzystania w przyszłych technologiach bioremediacji.
Złożoność zależności w środowisku medycznym: Badanie ukazało, że odpady medyczne mogą być rezerwuarem dla bakterii jednocześnie opornych na antybiotyki i zdolnych do degradacji tworzyw sztucznych. Stanowi to zarówno wyzwanie w zakresie zdrowia publicznego, jak i potencjalne możliwości dla technologii przetwarzania odpadów.
Rezultaty te wskazują na konieczność dalszych badań w celu dokładniejszego poznania mechanizmów związanych z degradacją tworzyw sztucznych przez oporne bakterie oraz możliwości ich kontrolowanego zastosowania w zarządzaniu odpadami.
Wnioski
- Odpady medyczne stanowią rezerwuar bakterii opornych na antybiotyki oraz mikroorganizmów zdolnych do degradacji tworzyw sztucznych, co stwarza zarówno zagrożenia, jak i możliwości biotechnologiczne.
- Wykryte geny odporności na antybiotyki, w tym na karbapenemy i cefalosporyny, wskazują na ryzyko rozprzestrzeniania się patogenów wielolekowo opornych w środowisku.
- Bakterie takie jak Stenotrophomonas maltophilia i Pseudomonas sp. wykazują zarówno odporność na antybiotyki, jak i zdolności rozkładu tworzyw sztucznych.
- Enzymy degradujące tworzywa sztuczne, takie jak hydrolazy i oksydoreduktazy, mogą być potencjalnie wykorzystane w technologii bioremediacji odpadów.
- Niewystarczające metody przetwarzania odpadów medycznych mogą przyczyniać się do rozprzestrzeniania genów odporności i zanieczyszczeń mikroplastikami.
- Badania ujawniają potrzebę dalszego poznania mechanizmów degradacji tworzyw sztucznych przez bakterie oraz ich potencjalnego zastosowania w biotechnologii.
Ograniczenia zakresu badawczego
- Badania ograniczono do próbek z jednego kraju, co może wpływać na ich reprezentatywność.
- Płytkie sekwencjonowanie metagenomowe dostarcza ograniczonej głębokości danych w porównaniu do pełnego sekwencjonowania metagenomowego.
- Funkcjonalna aktywność genów degradacji plastiku nie została zweryfikowana w warunkach rzeczywistych.