Wastewater treatment plants as critical reservoirs for resistance genes

Antibiotikaresistente bakterier er en aktuell trussel mot den generelle folkehelse, og tunge tverrfaglige forskningsmiljøer jobber internasjonalt og i Norge med utvikling av forståelse for og motvirkning av spredning av gener som koder for resistens. Avløpsrenseanlegg er viktige knutepunkt for spredningen av sykdomsfremkallende bakterier, og potensielt også for spredning av resistens. Som følge av slike anleggs evne til separasjon og oppkonsentrering av bakterielt slam tror man at kontakt mellom bærere av resistens og generelle bakteriepopulasjoner øker faren for spredning. Observasjoner i laboratoriestudier tyder også på det. Videre er det usikkert hvor mye bærerne påvirkes av tradisjonelle prosesser for behandling av vann og slam, og hvilken risiko for spredning bruk av slammet i landbruk medfører. I dette prosjektet har vi studert hvordan gener som koder for antimikrobiell resistens spres i naturlige bakteriepopulasjoner i biologiske avløpsrenseanlegg, ved hjelp av tilførsel og sporing av bakterier som inneholder et gen som koder for en fargerespons blir fulgt over tid i et laboratorieskala biologisk renseanlegg. Videre har vi utviklet matematiske modeller for spredning av mobile genetiske elementer som kan benyttes til vurdering av risiko for spredning under avløpsvannsrensing og ved storskala bruk av slam. To modelltyper er utviklet, en for prosess skala og en for mikroskala representativt for bakteriemiljøet som finnes i biologiske renseanlegg. Vi har benyttet modellene til å simulere typiske scenarier representative for dagens renseanlegg og sett på rater for overføring av gener som koder for antimikrobiell resistens til naturlige bakteriepopulasjoner i renseanleggene. Basert på litteraturdata (og ekstraherte parametre fra cellestudier) viser resultatene fra disse simuleringene at overføring ved direkte kontakt (konjugering) og ved hjelp av bakterievirus (bakterifager) er de viktigste mekanismene for overføring, og at modellene er identifiserbare (dvs. man kan estimere rateparametre fra komplekse studier). I tillegg har vi utviklet eksperimentelle strategier for sporstudier i laboratorieskala bioreaktorer, men resultatene fra disse er fremdeles under utvikling.

Vi har utført grunnforskning med anvendelser innen avløpsrensing som vil ha betydning både for forståelsen av spredning av gener som koder for antimikrobiell resistens i avløpsrenseanlegg og ved bruk av slam fra slike i landbruket. Gjennom samarbeid med våre regionale selskap for avløpsrensing (og slamdisponering) har prosjektet bidratt til bevisstgjøring av brukerne av slam og rensning av avløpsvann. To masteroppgaver og to PhD prosjekter i tilknytning til prosjektet. Post doc i prosjektet har utviklet kunnskaper, nettverk og resultater om modellering av slike system. Etablering av kompetanser innen modellering og eksperimentelle teknikker inngår her. Problemstillingen i prosjektet er kompleks og sammen med andre prosjekter i JPIAMR har vi identifisert viktige kunnskapshull og identifisert områder der denne forskningen bør videreutvikles. Metodologiske tilnærminger er utviklet og evaluert, og anbefalinger til videre eksperimentelle studier er av stor verdi.

Multi-resistant bacteria are a severe problem to modern healthcare. Wastewater treatment plants (WWTP) are nodal points where significant amount of microbial material is collected. WWTP, regardless of technology involved, separate wastewater constituents into an effluent water fraction, and a biosolids residual. It is the overall objective that the biosolids are treated and converted into a nutritional sludge to be reused in agricultural production. Sanitation of biofertilizer is usually performed via treatment at 70°C for 1 hour. However, other strategies need to be developed to assure that the frequency of resistance genes in the sludge is drastically reduced. So far, very few reports are present on the abundance of resistance genes in WWTP and sludge treatment processes, and even less information is available concerning possible treatments to actively reduce the content. In this project we will evaluate the transfer and transformation of genetic elements in WWTP and develop a model for this to be used for prediction of genetic element fate and effect. We will combine genetic element tracer studies in laboratory scale bioreactors, and develop a conceptual model for spreading and transformation within such systems. Furthermore, we plan to develop a predictive model that may be used to evaluate various treatment strategies for reduction of spreading of genetic elements coding for antimicrobial resistance. University of Stavanger is responsible for execution of laboratory scale spreading studies in WWTP model systems, and combine data from our and consortia member groups for development of the predictive model. This require the combination of bioprocess experimental studies and theoretical model development, studies that themselves individually challenging, and even more so when combined. We hope our contribution will help society in reducing the threat from multi-resistant bacteria on human health care through spreading via WWTP and biosolids reuse.