OxiTop microcosm model as a possible tool to study the effects of antibiotic exposure on the microbial community

Dongze Jiang; Yi Yang; Mátyás Cserháti; Balázs Kriszt; Edit Kaszab

doi:10.59258/hk.24058

Dongze Jiang
Yi Yang Környezetbiztonsági Tanszék, Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézet, Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetem, Páter Károly utca 1., 2100 Gödöllő
Cserháti Mátyás Környezetbiztonsági Tanszék, Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézet, Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetem, Páter Károly utca 1., 2100 Gödöllő https://orcid.org/0000-0001-7429-0635
Kriszt Balázs Környezetbiztonsági Tanszék, Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézet, Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetem, Páter Károly utca 1., 2100 Gödöllő https://orcid.org/0000-0002-9236-2820
Kaszab Edit Környezetbiztonsági Tanszék, Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézet, Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetem, Páter Károly utca 1., 2100 Gödöllő https://orcid.org/0000-0002-5917-0464

Kulcsszavak: Antibiotikumok, antibiotikum rezisztencia, mikrobiális közösség, OxiTop mikrokozmosz modell, szennyvíz, újgenerációs szekvenálás, 16S rRNS gén

Absztrakt

A felszíni vizek bakteriális közössége kulcsfontosságú eleme a szennyvízbevezetések helyén zajló öntisztulásnak, azonban az antibiotikum rezisztencia kialakulása körükben is mind nagyobb figyelmet érdemel. Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) szerint az antibiotikum-rezisztencia az emberi egészséget fenyegető három legsúlyosabb veszély egyike. Antibiotikum-rezisztencia kialakulhat a szennyvíztisztító telepek kibocsátásával a természetes mikrobiális ökoszisztémára gyakorolt szelektív nyomás következtében. A tanulmány célja, hogy kapcsolatot találjon a szennyvízterhelés és a bakteriális közösség biológiai aktivitása között antibiotikum terhelés mellett és anélkül, melynek érdekében OxiTop^TM mikrokozmosz kísérletet állítottunk be egy magyarországi, szennyvízterhelés alatt álló víztestből származó minták felhasználásával. A mintákhoz humán és állatgyógyászati szempontból jelentős antibiotikumok különböző kombinációit adtuk (Kolisztin, Florfenikol, Imipenem, Ceftazidim). Az inkubációs időszak során folyamatosan mértük a minták mikrobaközösségének biológiai aktivitását, melyet hagyományos tenyésztési módszerekkel és újgenerációs szekvenálással egészítettünk ki. Eredményeink alapján az antibiotikum terhelés hatására csökkent a bakteriális diverzitás, de a bakteriális sejtszám nem. A szennyvízterheléssel érintett felszíni víz mikrobiális közössége nagyobb alkalmazkodóképességet mutatott az antibiotikumokkal szemben, mint a háttér minta. Eredményeink alapján az antibiotikumok hatására dominánssá váló taxonok – amelyek potenciális hordozói lehetnek többféle antibiotikum-rezisztencia génnek – a Cellvibrio, az Aquabacterium és a Flavobacterium voltak.

Szerző életrajzok

Dongze Jiang

DONGZE JIANG 2018-ban környezetmérnöki alapdiplomát szerzett az Óbudai Egyetemen, majd 2020-ban mesterdiplomát a Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetemen. Folyamatos és specializált tanulmányai szilárd szakértelmet és széleskörű környezetmérnöki ismereteket, valamint erős laboratóriumi és kísérleti készségeket biztosítottak számára. 2020-ban megkezdte PhD-tanulmányait, melynek középpontjában a mikrobiális szennyezés és az antibiotikum-rezisztencia kutatása áll.

Yi Yang, Környezetbiztonsági Tanszék, Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézet, Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetem, Páter Károly utca 1., 2100 Gödöllő

YI YANG környezetmérnöki diplomát szerzett a gödöllői Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetemen, majd tanulmányait a Wageningeni Egyetem környezettudományi mesterképzésén folytatta. 2023-ban különdíjat nyert a 36. Magyar Tudományos Diákköri Konferencián a Mezőgazdaságtudományi szekcióban, a Környezetgazdálkodási részlegben.

Cserháti Mátyás, Környezetbiztonsági Tanszék, Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézet, Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetem, Páter Károly utca 1., 2100 Gödöllő

CSERHÁTI MÁTYÁS 2013-ban szerezte meg PhD fokozatát, és jelenleg a MATE Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézetének docense. Kutatási területei közé tartozik a mikotoxinok baktériumok általi biodegradációja, valamint a talaj termékenységét befolyásoló mikrobiális populációk vizsgálata metagenomikai és bioinformatikai megközelítések alkalmazásával. Emellett hozzájárul a BSc és MSc képzéshez, és 2014 óta a Környezettudományi Doktori Iskola külföldi hallgatói titkáraként is tevékenykedik.

Kriszt Balázs, Környezetbiztonsági Tanszék, Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézet, Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetem, Páter Károly utca 1., 2100 Gödöllő

KRISZT BALÁZS docens a MATE Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézetének igazgatója. Szakterületei a környezeti mikrobiológia, a biodegradáció, a mikrobiális ökotoxikológia és a molekuláris ökológia. Kutatási kezdeményezéseket vezet, amelyek a környezetbiztonságra és a vízi rendszerekben zajló mikrobiális kölcsönhatásokra összpontosítanak.

Kaszab Edit, Környezetbiztonsági Tanszék, Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézet, Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetem, Páter Károly utca 1., 2100 Gödöllő

KASZAB EDIT 2011-ben szerzett PhD fokozatot, és a Magyar Mezőgazdasági és Élettudományi Egyetem (MATE) Akvakultúra és Környezetbiztonsági Intézetének Környezetbiztonsági Tanszékének vezetője és docens. Kutatásai a környezeti mikrobiológiára összpontosítanak, beleértve az opportunista kórokozók kimutatását, az antibiotikum-rezisztenciát és a mikrobiális közösségek elemzését különböző ökoszisztémákban. Aktívan részt vesz környezetbiztonsági értékelésekben és kármentesítési folyamatokban.

Hivatkozások

Araújo, S., Sousa, M., Tacão, M., Baraúna, R.A., Silva, A., Ramos, R., Alves, A., Manaia, C.M., Henriques, I. (2021). Carbapenem-resistant bacteria over a wastewater treatment process: Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae in untreated wastewater and intrinsically-resistant bacteria in final effluent. Science of The Total Environment, pp. 782. 146892. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2021.146892

Armstrong, T., Fenn, S.J., Hardie, K.R. (2021). JMM Profile: Carbapenems: a broad-spectrum antibiotic. Journal of Medical Microbiology, 70(12), pp. 1462. https://doi.org/10.1099/JMM.0.001462

Benedek, T., Táncsics, A., Szilágyi, N., Tóth, I., Farkas, M., Szoboszlay, S., Krifaton, C., Hartman, M., Kriszt, B. (2014). Analysis of biofilm bacterial communities responsible for carbon removal through a reactor cascade treating wastewater. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 30(3), pp. 977-987. https://doi.org/10.1007/S11274-013-1516-9/FIGURES/6

Bombaywala, S., Mandpe, A., Paliya, S., Kumar, S. (2021). Antibiotic resistance in the environment: a critical insight on its occurrence, fate, and eco-toxicity. Environmental Science and Pollution Research 2021 28(20), pp. 24889-24916. https://doi.org/10.1007/S11356-021-13143-X

Chen, W.-M., Cho, N.-T., Yang, S.-H., Arun, A.B., Young, C.-C., & Sheu, S.-Y. (2012). Aquabacterium limnoticum sp. nov., isolated from a freshwater spring. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 62(Pt_3), pp. 698-704. https://doi.org/10.1099/ijs.0.030635-0

El-Sayed Ahmed, M.A.E.G., Zhong, L.L., Shen, C., Yang, Y., Doi, Y., Tian, G.B. (2020). Colistin and its role in the Era of antibiotic resistance: an extended review (2000–2019). Emerging Microbes & Infections, 9(1), pp. 868. https://doi.org/10.1080/22221751.2020.1754133

Garrity, G.M., Brenner, D.J., Krieg, N.R., Staley, J.T. (2005). Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, 2nd edition, Volume 2: The Proteobacteria. Springer-Verlag, US, 1106 p.

Gillings, M., Boucher, Y., Labbate, M., Holmes, A., Krishnan, S., Holley, M., Stokes, H.W. (2008). The Evolution of Class 1 Integrons and the Rise of Antibiotic Resistance. Journal of Bacteriology, 190(14), pp. 5095-5100. https://doi.org/10.1128/JB.00152-08

González Peña, O.I., López Zavala, M.Á., Cabral Ruelas, H. (2021). Pharmaceuticals Market, Consumption Trends and Disease Incidence Are Not Driving the Pharmaceutical Research on Water and Wastewater. International Journal of Environmental Research and Public Health, 18(5), pp. 1-37. https://doi.org/10.3390/IJERPH18052532

Gutierrez, T., Green, D.H., Whitman, W.B., Nichols, P.D., Semple, K.T., Aitken, M.D. (2012). Algiphilus aromaticivorans gen. nov., sp. nov., an aromatic hydrocarbon-degrading bacterium isolated from a culture of the marine dinoflagellate Lingulodinium polyedrum, and proposal of Algiphilaceae fam. nov. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 62(Pt_11), pp. 2743-2749. https://doi.org/10.1099/ijs.0.033324-0

Han, X.-M., Hu, H.-W., Chen, Q.-L., Yang, L.-Y., Li, H.-L., Zhu, Y.-G., Li, X.-Z., Ma, Y.-B. (2018). Antibiotic resistance genes and associated bacterial communities in agricultural soils amended with different sources of animal manures. Soil Biology and Biochemistry, 126, pp. 91-102. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.08.018

Ijoma, G.N. (2010). Antibiotic resistance of coliform bacteria in the Rietspruit river. Dissertation. Vaal University of Technology, Vanderbijlpark, South Africa. 139 p.

Klein, E.Y., Van Boeckel, T.P., Martinez, E.M., Pant, S., Gandra, S., Levin, S.A., Goossens, H., Laxminarayan, R. (2018). Global increase and geographic convergence in antibiotic consumption between 2000 and 2015. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 115(15), pp. E3463–E3470. https://doi.org/10.1073/pnas.1717295115

Kong, W., Jalalah, M., Alsareii, S.A., Harraz, F.A., Almadiy, A.A., Thakur, N., Salama, E.S. (2024). Occurrence, characteristics, and microbial community of microplastics in anaerobic sludge of wastewater treatment plants. Environmental Pollution, pp. 344, 123370. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2024.123370

Li, B.-B., Zhi, L.-L., Peng, Z.-Y., Ma, X.-X., Li, J. (2020). Contrasting distribution of antibiotic resistance genes and microbial communities in suspended activated sludge versus attached biofilms in an integrated fixed film activated sludge (IFAS) system. Science of The Total Environment, 742, pp. 140481. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140481

Li, S., Ondon, B.S., Ho, S.H., Jiang, J., Li, F. (2022). Antibiotic resistant bacteria and genes in wastewater treatment plants: From occurrence to treatment strategies. Science of The Total Environment, 838, 156544. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2022.156544

Lin, M.-C., Jiang, S.-R., Chou, J.-H., Arun, A.B., Young, C.-C., Chen, W.-M. (2009). Aquabacterium fontiphilum sp. nov., isolated from spring water. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 59(4), pp. 681-685. https://doi.org/10.1099/ijs.0.000745-0

Ma, J., Cui, Y., Li, A., Zou, X., Ma, C., Chen, Z. (2022). Antibiotics and antibiotic resistance genes from wastewater treated in constructed wetlands. Ecological Engineering, 177, pp. 106548. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2022.106548

Magic-Knevez, A., van der Kooij, D. (2006). Nutritional versatility of two Polaromonas related bacteria isolated from biological granular activated carbon filters, pp. 303–311. In: Gimbel R., Graham N.J.D., Collins M.R. (eds.), Recent progress in slow sand and alternative biofiltration processes. IWA Publishing, London, UK, 582 p.

Magic-Knevez, A., Wullings, B., Van der Kooij, D. (2009). Polaromonas and Hydrogenophaga species are the predominant bacteria cultured from granular activated carbon filters in water treatment. Journal of Applied Microbiology, 107(5), pp. 1457-1467. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2009.04337.x

Martínez-Campos, S., González-Pleiter, M., Fernández-Piñas, F., Rosal, R., Leganés, F. (2021). Early and differential bacterial colonization on microplastics deployed into the effluents of wastewater treatment plants. Science of The Total Environment, 757, pp. 143832. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143832

Mulder, E.G., Deinema, M.H. (2006). The Genus Haliscomenobacter . In: Dworkin, M., Falkow, S., Rosenberg, E., Schleifer, KH., Stackebrandt, E. (eds.) The Prokaryotes. Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/0-387-30747-8_22

Nnadozie, C.F., Odume, O.N. (2019). Freshwater environments as reservoirs of antibiotic-resistant bacteria and their role in the dissemination of antibiotic resistance genes. Environmental Pollution, pp. 254, 113067. https://doi.org/10.1016/J.ENVPOL.2019.113067

Panta, P.R., Doerrler, W.T. (2021). A link between pH homeostasis and colistin resistance in bacteria. Scientific Reports, 11(1), 13230. https://doi.org/10.1038/s41598-021-92718-7

Pham, V.H.T., Jeong, S.-W., Kim, J. (2015). Aquabacterium olei sp. nov., an oil-degrading bacterium isolated from oil-contaminated soil. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 65(Pt_10), pp. 3597-3602. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.000458

Quast, C., Pruesse, E., Yilmaz, P., Gerken, J., Schweer, T., Yarza, P., Peplies, J., Glöckner, F.O. (2013). The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools. Nucleic Acids Research, pp 41, D590–596. https://doi.org/10.1093/nar/gks1219

Rizzo, L., Manaia, C., Merlin, C., Schwartz, T., Dagot, C., Ploy, M.C., Michael, I., Fatta-Kassinos, D. (2013). Urban wastewater treatment plants as hotspots for antibiotic resistant bacteria and genes spread into the environment: a review. The Science of the Total Environment, 447, pp. 345-360. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2013.01.032

Rodríguez-Molina, D., Mang, P., Schmitt, H., Chifiriuc, M.C., Radon, K., Wengenroth, L. (2019). Do wastewater treatment plants increase antibiotic resistant bacteria or genes in the environment? Protocol for a systematic review. Systematic Reviews, 8(1), pp. 1-8. https://doi.org/10.1186/S13643-019-1236-9

Rodriguez-Mozaz, S., Vaz-Moreira, I., Varela Della Giustina, S., Llorca, M., Barceló, D., Schubert, S., Berendonk, T.U., Michael-Kordatou, I., Fatta-Kassinos, D., Martinez, J.L., Elpers, C., Henriques, I., Jaeger, T., Schwartz, T., Paulshus, E., O’Sullivan, K., Pärnänen, K.M.M., Virta, M., Do, T.T., Manaia, C.M. (2020). Antibiotic residues in final effluents of European wastewater treatment plants and their impact on the aquatic environment. Environment International, pp. 140. 105733. https://doi.org/10.1016/J.ENVINT.2020.105733

Schloss, P.D., Westcott, S.L., Ryabin, T., Hall, J.R., Hartmann, M., Hollister, E.B., Lesniewski, R.A., Oakley, B.B., Parks, D.H., Robinson, C.J., Sahl, J.W., Stres, B., Thallinger, G.G., Van Horn, D.J., Weber, C.F. (2009). Introducing mothur: Open-Source, Platform-Independent, Community-Supported Software for Describing and Comparing Microbial Communities. Applied and Environmental Microbiology, 75(23), pp. 7537-7541. https://doi.org/10.1128/AEM.01541-09

Serra-Burriel, M., Keys, M., Campillo-Artero, C., Agodi, A., Barchitta, M., Gikas, A., Palos, C., López-Casasnovas, G. (2020). Impact of multi-drug-resistant bacteria on economic and clinical outcomes of healthcare-associated infections in adults: Systematic review and meta-analysis. PLOS ONE, 15(1), pp. e0227139. https://doi.org/10.1371/JOURNAL.PONE.0227139

Sharma, E., Kelso, C., Zhang, S., Guo, Y., Sivakumar, M., Jiang, G. (2023). Stability of Colistin and Carbapenems in Water and Wastewater. ACS ES&T Water, 3(11): 3496–3504. https://doi.org/10.1021/acsestwater.3c00219

Smyth, C., O’Flaherty, A., Walsh, F., Do, T.T. (2020). Antibiotic resistant and extended-spectrum β-lactamase producing faecal coliforms in wastewater treatment plant effluent. Environmental Pollution, 262, pp. 114244. https://doi.org/10.1016/J.ENVPOL.2020.114244

Song, J., Choo, Y.-J., Cho, J.-C. (2008). Perlucidibaca piscinae gen. nov., sp. nov., a freshwater bacterium belonging to the family Moraxellaceae. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 58(1), pp. 97–102. https://doi.org/10.1099/ijs.0.65039-0

Tindall, B.J., Rosselló-Móra, R., Busse, H.J., Ludwig, W., Kämpfer, P. (2010). Notes on the characterization of prokaryote strains for taxonomic purposes. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 60(1), pp. 249-266. https://doi.org/10.1099/ijs.0.016949-0

Wang, D., Li, M., Liao, C., Dong, K., Yao, Y. (2025). The occurrence characteristics and ecological risks of antibiotics in surface water and groundwater of the Huixian Wetland. Toxics, 13, pp. 460. https://doi.org/10.3390/toxics13060460

WHO (2019). The 2019 WHO AWaRe classification of antibiotics for evaluation and monitoring of use. Geneva: World Health Organization. (WHO/EMP/IAU/2019.11).

WHO (2023). Antimicrobial resistance. Retrieved January 18, 2023, from https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/antimicrobial-resistance

Yang, J.H., Park, J.W., Kim, H.S., Lee, S., Yerke, A.M., Jaiswal, Y.S., Williams, L.L., Hwang, S., Moon, K.H (2024). Effects of antibiotic residues on fish gut microbiome dysbiosis and mucosal barrier-related pathogen susceptibility in zebrafish experimental model. Antibiotics (Basel). 13(1), pp. 82. https://doi.org/10.3390/antibiotics13010082

Zhang, H., Chang, F., Shi, P., Ye, L., Zhou, Q., Pan, Y., Li, A. (2019). Antibiotic resistome alteration by different disinfection strategies in a full-scale drinking water treatment plant deciphered by metagenomic assembly. Environmental Science & Technology, 53(4), pp. 2141-2150. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b05907

Zhang, Z., Qu, Y., Li, S., Feng, K., Cai, W., Yin, H., Wang, S., Liu, W., Wang, A., Deng, Y. (2020). Florfenicol restructured the microbial interaction network for wastewater treatment by microbial electrolysis cells. Environmental Research, pp. 183. 109145. https://doi.org/10.1016/J.ENVRES.2020.109145

Zhang, K., Fan, Y., Chang, S., Fu, Q., Yang, G., Sun, X. (2022). Characterization of antibiotic resistance genes in drinking water sources of the Douhe Reservoir, Tangshan, northern China: the correlation with bacterial communities and environmental factors. Environmental Science Europe, 34, pp. 56. https://doi.org/10.1186/s12302-022-00635-x

Zhao, Y., Gao, J., Wang, Z., Dai, H., Wang, Y. (2021). Responses of bacterial communities and resistance genes on microplastics to antibiotics and heavy metals in sewage environment. Journal of Hazardous Materials, 402, pp. 123550. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123550

OxiTop mikrokozmosz modell, mint lehetséges eszköz az antibiotikumok mikrobiális közösségre gyakorolt hatásainak vizsgálatára

Absztrakt

Szerző életrajzok

Hivatkozások