Antibióticos e bactérias multirresistentes em esgoto e águas superficiais receptoras: riscos da propagação de genes codificadores de ESBL, de carbapenemases e de tolerância aos metais no contexto da saúde única
Antibiotics and multidrug-resistant bacteria in sewage and receiving surface waters: risks of spreading genes encoding ESBL, carbapenemases and metal tolerance in the context of one health

Publication year: 2022
Theses and dissertations in Portugués presented to the Universidade de São Paulo, Escola de Enfermagem de Ribeirão Preto to obtain the academic title of Doutor. Leader: Muñoz, Susana Segura

Os antibióticos estão compreendidos entre as classes de medicamentos de maior sucesso na medicina, pelo tratamento de infecções bacterianas e consequentemente aumento na expectativa de vida da população. No entanto, seu uso exacerbado desde a sua descoberta promoveram a inserção de antibióticos no ambiente, bem como dispersão global de bactérias resistentes. Como medida à escassez de novos antibióticos, os metais têm sido considerados como potenciais agentes antimicrobianos, no entanto mecanismos de tolerância vêm sendo relatados, mas com distribuição epidemiológica desconhecida. Nesse sentido, os objetivos do presente trabalho foi de avaliar a ocorrência de antibióticos, de bactérias resistentes e de determinantes de resistência aos antibióticos e de tolerância à metais em amostras de esgoto hospitalar, sanitário e água superficial, no contexto da Saúde Única. No total, 10 antibióticos de diferentes classes foram avaliados em sistema de cromatografia líquida de ultra performance acoplado à espectrometria de massas (UPLC-MS) e bactérias resistentes foram isoladas e quantificadas a partir de meios cromogênicos seletivos para bactérias produtoras de ESBL e de carbapenemases. Os isolados obtidos foram submetidos ao teste de susceptibilidade aos antibióticos, bem como à detecção de genes de resistência aos antibióticos e de tolerância à metais, por Reação em Cadeia da Polimerase (PCR). Os antibióticos amoxicilina e ampicilina foram encontrados em altas concentrações, variando entre 131,5 e 1896,29 ng L-1 e entre 366,35 e 1113,07 ng L-1 , respectivamente. Os antibióticos ciprofloxacina, sulfametoxazol e tetraciclina também foram detectados. O porcentual de remoção dos antibióticos no efluente tratado consiste de 53,43% para amoxicilina, 16,88% para ampicilina, 95,6% para sulfametoxazol e de 65,5% para tetraciclina. O perfil das concentrações de bactérias fenotipicamente produtoras de ESBL e de carbapenemases foram semelhantes, sendo de maior ocorrência no esgoto hospitalar. Deve-se destacar que o sistema municipal de tratamento de esgoto não apresentou eficiência na remoção dessas bactérias e altas concentrações foram detectadas no efluente tratado (ESBL: 3.80E+08, KPC: 6.17E+08 UFC/100mL). Foi possível verificar que as concentrações de bactérias resistentes à jusante da ETE foram maiores em relação às concentrações de bactérias à montante, evidenciando um possível impacto do lançamento do efluente tratado no corpo hídrico. Com relação ao fenótipo de resistência, os isolados apresentaram resistência majoritariamente aos antibióticos β-lactâmicos, seguido por antibióticos da classe das quinolonas. Foi calculado o índice de resistência à múltiplos antibióticos (MAR Index), onde verificou-se que todos os pontos de amostragem configuraram como fontes de alto risco para resistência bacteriana. Quanto à detecção molecular de genes de resistência aos antibióticos, verificou-se que 51% dos isolados (n = 55/108) carreavam o gene codificador de carbapenemase blaKPC e 33% dos isolados (n =36/108) abrigavam o gene codificador de ESBL blaCTX-M dos grupos 1 ou 8. Em menores porcentagens foram detectados os genes blaGES (2,8%), blaNDM (1,9%) e blaVIM (0,9%), sendo esses dois últimos genes codificadores de carbapenemases do tipo metallo-β-lactamase que são considerados pouco frequentes. Com relação aos genes de tolerância à metais, genes que conferem tolerância à prata, ao cobre e ao mercúrio foram detectados respectivamente em 52%, 50% e 28% dos isolados. Uma correlação forte foi verificada na coexistência entre os genes de tolerância à prata (silA) e de tolerância ao cobre (pcoD) (r = 0,85). Os resultados apontam para a disseminação de bactérias resistentes aos antibióticos nas matrizes avaliadas, com predominância de genes codificadores de carbapenemases. Em termos de saúde pública, os dados levantados apontam para uma emergência sanitária, em que medidas de mitigação precisam ser urgentemente aderidas. Nesse sentido, e em consonância com a abordagem de Saúde Única, propõe-se a necessidade de tratamento do efluente hospitalar, bem como adição de tratamento terciário na ETE. A colaboração integrada entre os setores da saúde pública, veterinária e ambiental são fundamentais para frear essa "pandemia silenciosa"
Antibiotics are among the most successful classes of drugs in medicine, by treating bacterial infections and consequently increasing the life expectancy of the population. However, their exacerbated use since their discovery has promoted the insertion of antibiotics into the environment, as well as global dispersion of resistant bacteria. As a measure to the scarcity of new antibiotics, metals have been considered as potential antimicrobial agents, however, tolerance mechanisms have been reported, but with unknown epidemiological distribution. In this sense, the objectives of the present work were to evaluate the occurrence of antibiotics, resistant bacteria, and determinants of antibiotic resistance and metal tolerance in samples of hospital wastewater, urban wastewater, and surface water, in the context of One Health. In total, 10 antibiotics of different classes were evaluated in ultra-performance liquid chromatography coupled to mass spectrometry (UPLC-MS) and resistant bacteria were quantified and isolated from chromogenic media selective for bacteria producing ESBL and carbapenemases. The isolates obtained were subjected to antibiotic susceptibility testing, as well as detection of antibiotic resistance and metal tolerance genes by Polymerase Chain Reaction (PCR). The antibiotics amoxicillin and ampicillin were found in high concentrations, ranging between 131.5 and 1896.29 ng L-1 and between 366.35 and 1113.07 ng L-1 , respectively. The antibiotics ciprofloxacin, sulfamethoxazole, and tetracycline were also detected. The removal percentage of the antibiotics in the treated effluent consists of 53.43% for amoxicillin, 16.88% for ampicillin, 95.6% for sulfamethoxazole, and 65.5% for tetracycline. The concentration profiles of phenotypically ESBL- and carbapenemase-producing bacteria were similar, with higher occurrence in hospital wastewater. It should be noted that the municipal sewage treatment system did not show efficiency in removing these bacteria and high concentrations were detected in the treated effluent (ESBL: 3.80E+08, KPC: 6.17E+08 CFU/100mL). It was possible to verify that the concentrations of resistant bacteria downstream of the WWTP were higher in relation to the concentrations of bacteria upstream, showing a possible impact of the discharge of the treated effluent into the water body. Regarding the resistance phenotype, the isolates showed resistance mostly to β-lactam antibiotics, followed by quinolone class antibiotics. The multiple antibiotic resistance index (MAR Index) was calculated, where it was verified that all sampling points configured as high-risk sources for bacterial resistance. Regarding the molecular detection of antibiotic resistance genes, it was found that 51% of isolates (n = 55/108) carried the carbapenemase encoding gene blaKPC and 33% of isolates (n =36/108) harbored the ESBL encoding gene blaCTX-M from groups 1 or 8. In smaller percentages, blaGES (2.8%), blaNDM (1.9%) and blaVIM (0.9%) genes were detected, these last two genes encoding carbapenemases of the metallo-β-lactamase type that are considered infrequent. Regarding metal tolerance genes, genes conferring tolerance to silver, copper and mercury were detected in 52%, 50% and 28% of isolates, respectively. A strong correlation was verified in the coexistence between silver tolerance (silA) and copper tolerance (pcoD) genes (r = 0.85). The results point to the spread of antibiotic-resistant bacteria in the evaluated matrices, with a predominance of genes encoding carbapenemases. In terms of public health, the data raised point to a health emergency, in which mitigation measures need to be urgently adhered to. In this sense, and in line with the One Health approach, the need for treatment of the hospital effluent is proposed, as well as the addition of tertiary treatment in the WWTP. The integrated collaboration between the public health, veterinary, and environmental sectors are fundamental to curb this "silent pandemic"

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