Emergence and dissemination of antibiotic resistance in the environment: origin of resistance genes and role of human activities

Abstract

Resistance to antibiotics is a rising concern in respect to community and personal health, health-access social discrepancy and the future of the natural world. This work aimed to understand the role of environmental bacteria as the origin of the genetic determinants of antibiotic resistance (AR), as well as to explore the impact of anthropogenic pressures on the evolution and spread of AR. Shewanella’s genus role as progenitors and reservoir of AR genes was assessed through the analysis of a collection of environmental isolates and genomes of this genus deposited in public databases. The presence and the genetic context of the gene encoding for carbapenemase OXA-48 and the presence of qnrA-like genes was assessed. These genes were detected in several Shewanella species, in certain cases for the first time, being speciesspecific at times. Furthermore, several new variants were identified in this work. Insertion sequences associated with gene transfer were identified, suggesting its contribution to the spread of these genes to other phylogenetic groups. The impact of human action on the spread of AR in aquatic compartments was addressed through the analysis of groundwater used for irrigation and vegetables consumed raw. Multiresistant strains with virulent characteristics were found, common to both environments, suggesting irrigation water as the source of the contamination detected in the vegetables. Genome analysis of some of these strains revealed virulence determinants, mobile genetic elements and resistance genes, suggesting a potential risk to human health. In addition, the diversity and abundance of bacteria resistant to carbapenems were evaluated in a wastewater treatment plant, throughout the process, which includes an ultraviolet radiation disinfection step. This treatment showed significant results in reducing the number of bacteria, either total and resistant to carbapenems. In untreated samples, Enterobacteriaceae strains were detected carrying blaGES-5 -associated with integrons-, which is rarely found in clinical settings in Portugal. In the final effluent were found bacteria intrinsicallyresistant to carbapenems, namely Stenotrophomonas. The results obtained in this work reveal additional evidence regarding the role of environmental bacteria as progenitors of AR genes, as well as the role of humans in the spread of AR in aquatic compartments. This knowledge is crucial to define mitigation strategies for this problem, both in the environment and in the clinic.

A resistência a antibióticos é uma preocupação crescente no que diz respeito à saúde pessoal e comunitária, à discrepância social no acesso à saúde e ao futuro do mundo natural. Este trabalho teve como objetivos compreender a origem dos determinantes genéticos da resistência a antibióticos (RA) em bactérias ambientais, bem como explorar o impacto da pressão antropogénica na evolução e dispersão da RA. O papel do género Shewanella como origem e reservatório de genes de RA foi avaliado através da análise de uma coleção de isolados ambientais e de genomas deste género, depositados em bases de dados públicas. A presença e o contexto genético do gene que codifica para a carbapenemase OXA-48 e a presença de genes qnrA foram avaliados. Estes genes foram detetados em várias espécies de Shewanella, nalguns casos pela primeira vez, sendo específicos para algumas destas espécies. Além disso, várias variantes novas foram identificadas neste trabalho. Sequências de inserção associadas à transferência de genes foram identificadas, fundamentando a sua contribuição na dispersão destes genes para outros grupos filogenéticos. O impacto da ação humana na disseminação da RA em compartimentos aquáticos foi abordado através da análise de vegetais consumidos crus e da água subterrânea utilizada para irrigação. Foram encontradas estirpes multirresistentes e com características de virulência, comuns aos dois ambientes, sugerindo a água de irrigação como origem da contaminação detetada em vegetais. A análise do genoma de algumas destas estirpes revelou determinantes de virulência, elementos genéticos móveis e genes de resistência, sugerindo um risco potencial para a saúde humana. Além disso, a diversidade e abundância de bactérias resistentes a carbapenemos foram avaliadas numa estação de tratamento de águas residuais, ao longo do processo que inclui um passo de desinfeção com radiação ultravioleta. O tratamento reduziu significativamente o número de bactérias, totais e resistentes a carbapenemos. Em águas não tratadas, foram detetadas estirpes de Enterobacteriaceae com o gene blaGES-5 -associado a integrões-, raramente encontrado no contexto clínico em Portugal. No efluente final foram encontradas bactérias intrinsecamente resistentes aos carbapenemos, nomeadamente Stenotrophomonas. Os resultados obtidos revelam evidência adicional no que diz respeito ao papel das bactérias ambientais como progenitores dos genes de RA, tal como o papel do homem na disseminação da RA nos compartimentos aquáticos. Este conhecimento é crucial para definir estratégias de mitigação deste problema, tanto no meio ambiente como na clínica.