Wpływ antybiotyków na biofilm w systemach wodociągowych – nowe badania

Jakie wyzwania stawia analiza wpływu antybiotyków na biofilm w systemach wodociągowych?

Badanie kohortowe przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych w Kingston w Ontario w Kanadzie miało na celu określenie długoterminowej persystencji dwóch powszechnie stosowanych antybiotyków – ciprofloksacyny i sulfametoksazolu – w systemach dystrybucji wody pitnej (DWDS). Naukowcy stworzyli w pełni kontrolowane środowisko symulujące rzeczywiste warunki wodociągowe, aby obserwować degradację antybiotyków przez 12 dni oraz ich wpływ na biofilm tworzący się na rurach PVC.

W badaniu wykorzystano specjalnie zaprojektowane reaktory wodne (BWDR) składające się z rur PVC o długości 1,2 m oraz zbiornika PVC o pojemności 7 litrów. Dla każdego antybiotyku uruchomiono pięć równoległych reaktorów – trzy eksperymentalne zawierające dojrzały biofilm wielogatunkowy i antybiotyk, jeden kontrolny zawierający biofilm bez antybiotyku oraz jeden kontrolny zawierający antybiotyk bez biofilmu (kontrola PVC-only). Przed rozpoczęciem eksperymentu biofilm był hodowany przez 12 tygodni, aby osiągnąć dojrzałość. Antybiotyki wprowadzono do systemów w stężeniu 10 μg/L, reprezentującym stężenie poniżej minimalnego stężenia hamującego (sub-MIC), ale jednocześnie wyższe niż zwykle spotykane w wodzie pitnej (ciprofloksacyna – do 0,492 μg/L, sulfametoksazol – do 0,113 μg/L).

Wyniki badania wykazały znaczące różnice w degradacji badanych antybiotyków. Ciprofloksacyna zmniejszyła swoje stężenie o około 31,1% (± 3,9%) w obecności biofilmu i 27,4% (± 7,7%) w kontroli PVC-only. Antybiotyk wykazywał szybki początkowy spadek stężenia, a następnie osiągał plateau po około 1 dniu. Co istotne, nie zaobserwowano znaczących różnic między degradacją w obecności biofilmu a kontrolą PVC-only, co sugeruje, że ciprofloksacyna była podobnie absorbowana przez materiał PVC jak i przez biofilm.

Badacze monitorowali również wpływ antybiotyków na całkowitą liczbę komórek (TCC) w biofilmie. W przypadku ciprofloksacyny zaobserwowano istotny statystycznie wzrost TCC w biofilmie, szczególnie między 1 a 12 dniem ekspozycji, gdzie średni współczynnik wzrostu wynosił 0,06 komórek/mL/dzień w porównaniu do -0,002 komórek/mL/dzień w kontroli bez antybiotyku (p < 0,005). Jest to zgodne z wcześniejszymi badaniami, które wykazały, że sub-MIC ciprofloksacyny może wzmacniać tworzenie biofilmu. W przypadku sulfametoksazolu nie zaobserwowano istotnych statystycznie zmian w TCC, choć odnotowano tendencję spadkową (-0,03 komórek/mL/dzień w porównaniu do 0,01 komórek/mL/dzień w kontroli), która nie przekroczyła progu istotności statystycznej (p > 0,05).

Czy wyniki korelacji i analizy mikrobiologicznej ujawniają nowe mechanizmy interakcji?

Pomimo obserwowanych różnic w degradacji antybiotyków i zmianach TCC, analiza korelacji nie wykazała istotnego statystycznie związku między szybkością degradacji antybiotyków a zmianami w TCC biofilmu. Współczynnik korelacji Spearmana wynosił -0,117 (p > 0,05) dla ciprofloksacyny i -0,169 (p > 0,05) dla sulfametoksazolu, co sugeruje, że inne czynniki mogą wpływać na wzrost biofilmu w obecności antybiotyków.

Analiza mikrobiologiczna biofilmów wykazała, że dominującymi rodzajami bakterii w eksperymentach były Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium (12,6% i 26,7%), Dechloromonas (14,6% i 4,6%), Delftia (2,8% i 22,4%), Pseudomonas (13,1% i 6,6%), Pseudoxanthomonas (7,0% i 0,1%), Caulobacter (1,8% i 6,4%) oraz Nordella (5,0% i 0,1%) dla ciprofloksacyny i sulfametoksazolu odpowiednio. Łącznie zidentyfikowano 106 rodzajów bakterii w obu eksperymentach. Analiza wskaźnika podobieństwa Jaccarda wykazała umiarkowany poziom podobieństwa (0,4-0,6) między eksperymentami z różnymi antybiotykami, co potwierdza zasadność porównywania wyników.

Wyniki badania sugerują, że mechanizmy degradacji antybiotyków w systemach wodnych są złożone i zależą od właściwości fizykochemicznych danego antybiotyku oraz jego interakcji z biofilmem i materiałem rur. W przypadku ciprofloksacyny, która jest kationowa w neutralnym pH, obserwowano wiązanie z ujemnie naładowanymi substancjami polimerycznymi zewnątrzkomórkowymi (EPS) biofilmu oraz materiałem PVC, co prowadziło do szybkiego osiągnięcia równowagi adsorpcyjnej. Natomiast sulfametoksazol, który jest neutralny lub ujemnie naładowany w neutralnym pH, wykazywał znacznie silniejszą interakcję z biofilmem niż z PVC, co skutkowało jego szybszą degradacją.

Badacze analizowali również potencjalny wpływ innych parametrów na degradację antybiotyków, takich jak przepływ wody (3 L/min, liczba Reynoldsa 3000), naprężenie ścinające ściany (0,125 Pa), pH (średnio 7,3), temperatura (21°C) oraz obecność dezynfektantów. Autorzy sugerują, że zwiększenie przepływu i naprężenia ścinającego mogłoby promować większą produkcję EPS w biofilmie, zapewniając dodatkowe miejsca sorpcji antybiotyków. Ponadto, środki dezynfekujące stosowane w systemach komunalnych, takie jak chlor, chloramina i ozon, mogą wpływać na kinetykę degradacji poprzez bezpośrednie utlenianie lub zmienianie struktury i składu bakterii/biofilmu.

W powiązanym badaniu, ci sami autorzy wykazali, że przy tym samym stężeniu sub-MIC (10 μg/L), sulfametoksazol, ale nie ciprofloksacyna, promował geny oporności na antybiotyki (ARG) w biofilmach wody pitnej. Natomiast ciprofloksacyna znacząco wpływała na TCC biofilmu, podczas gdy sulfametoksazol nie. Wyniki te podkreślają potrzebę dalszych badań nad związkiem między kinetyką degradacji antybiotyków a promowaniem oporności.

W jaki sposób wyniki wpływają na praktykę kliniczną i zarządzanie ryzykiem?

Badanie rzuca światło na to, dlaczego ciprofloksacyna jest wykrywana rzadziej, ale w wyższych stężeniach w wodzie pitnej, podczas gdy sulfametoksazol jest wykrywany częściej, ale w niższych stężeniach. Ciprofloksacyna osiąga równowagę po ekspozycji na macierz biofilmu/EPS, prawdopodobnie z powodu wyczerpania miejsc adsorpcji w warstwach EPS, co daje potencjał do utrzymywania się w wodzie w wysokich stężeniach rezydualnych. Z kolei sulfametoksazol jest łatwo adsorbowany przez macierz biofilmu/EPS, co skutkuje jego obecnością w wodzie w niskich stężeniach.

Wyniki podkreślają znaczenie opracowywania zaawansowanych technologii oczyszczania wody w celu skutecznego usuwania pozostałości antybiotyków, aby uniknąć ryzyka spożycia przez ludzi oraz zmniejszyć prawdopodobieństwo promowania oporności na antybiotyki w biofilmach rurociągów. Jest to szczególnie istotne w kontekście prognozowanego wzrostu globalnego zużycia antybiotyków o 200% do 2030 roku oraz faktu, że w 2019 roku oporność na antybiotyki była bezpośrednio odpowiedzialna za 1,27 miliona zgonów na całym świecie według Światowej Organizacji Zdrowia.

Dla lekarzy wyniki te mają istotne znaczenie, wskazując na potencjalne długoterminowe narażenie pacjentów na niskie stężenia antybiotyków poprzez wodę pitną. Chociaż stężenia te są znacznie poniżej dawek terapeutycznych, długotrwała ekspozycja może potencjalnie przyczyniać się do rozwoju oporności na antybiotyki. Badanie podkreśla potrzebę dalszych badań nad długoterminowymi skutkami ekspozycji na rezydualne stężenia antybiotyków oraz ich wpływem na mikrobiom człowieka i rozwój oporności na antybiotyki.

Podsumowanie

Badanie przeprowadzone w Kingston w Kanadzie analizowało degradację ciprofloksacyny i sulfametoksazolu w systemach dystrybucji wody pitnej oraz ich wpływ na biofilm. Eksperyment prowadzono przez 12 dni w specjalnie zaprojektowanych reaktorach wodnych z rurami PVC. Ciprofloksacyna wykazała 31,1% degradację w obecności biofilmu i 27,4% w kontroli PVC, osiągając plateau po pierwszym dniu. Zaobserwowano również istotny wzrost całkowitej liczby komórek w biofilmie przy ekspozycji na ciprofloksacynę. Sulfametoksazol wykazywał silniejszą interakcję z biofilmem niż z PVC. Analiza mikrobiologiczna zidentyfikowała 106 rodzajów bakterii, z dominującymi taksonami jak Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium i Dechloromonas. Wyniki badania mają istotne znaczenie dla praktyki klinicznej i zarządzania ryzykiem, wskazując na potrzebę skuteczniejszego usuwania pozostałości antybiotyków z wody pitnej, szczególnie w kontekście rosnącego globalnego zużycia antybiotyków i rozwoju oporności bakterii.