都市下水の生物学的栄養除去および嫌気性消化プロセスを経た汚泥における抗生物質耐性遺伝子と微生物群集の変動

都市下水の生物学的栄養除去および嫌気性消化プロセスを経た汚泥における抗生物質耐性遺伝子と微生物群集の変動
著者リンク オーバーレイパネルを開くShahbazRazaaYoung MoKima
https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.137362
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要旨
抗菌剤耐性（AMR）は、容赦のない静かなパンデミック（大流行）である。その一因となっているのが、抗生物質耐性遺伝子（ARG）の環境中への伝播源となりうる廃水処理施設（WWTPs）であり、公衆衛生を脅かしている。病原性細菌にARGが存在し、WWTPによって環境中に放出されることは、公衆衛生を脅かすことになる。本研究では、2つのWWTPの生物学的栄養除去（BNR）プロセスおよび嫌気性消化（AD）リアクターにおけるARGの存在量の変化を調査した。また、ARGの分布と存在量を形成することが知られている微生物群集構造も分析した。8種類のARG（tetX、tetA、tetM、TEM、sul1、sul2、ermB、qnrD）の相対量は、定量ポリメラーゼ連鎖反応（qPCR）を用いてARGのコピー/16 S rRNA遺伝子コピーとして定量化されました。微生物群集の構成は、16 S rRNAマイクロバイオームシークエンス解析により評価した。8種類のARGのうち、TetXが最も多く、次いでTEM、sul1であったが、ADスラッジではBNRスラッジに比べ存在量が減少していた。すべての汚泥試料で見つかった主要な細菌門はプロテオバクテリアであり、Arcobacter、12up、Acidovoraxが優勢な属であった。BNR汚泥ではAcinetobacterとFlavobacteriumが有意に多く、AD汚泥では12upとAeromonasが優占していた。主成分分析（PCA）により、2つのWWTPのBNRとADのプロセスにおける汚泥間の優勢なARGと細菌の明確な違いが明らかになった。BNRとADの両方のスラッジで見つかった臨床的に関連性のある細菌属、KlebsiellaとEnterococcusは、tetX遺伝子と有意な相関があった。本研究を通じて、微生物群集と特定のARGの関係が明らかになり、微生物群集の構成がARGの存在量に重要な役割を果たす可能性があることが示されました。これらの結果は、WWTPからのARGおよびその潜在的宿主の拡散を制御することを目的とした今後の研究により良い情報を提供するものである。

グラフの概要
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はじめに
抗菌薬耐性（AMR）は、医学界のみならず公衆衛生や環境保護当局の間でも大きな関心事となっている。AMRが世界に与える経済的影響は、2030年までに年間1兆ドルを超え、おそらく2兆ドルにもなると予想されています（Morel et al.） AMRは環境汚染の重要な構成要素の一つを表しています。これまでの研究で、廃水処理施設（WWTP）がAMRの環境拡散の拠点であることが明らかにされています（Guo et al.、2017；Rizzo et al.、2013）。β-ラクタム、テトラサイクリン、スルホンアミド、キノロン、アミノグリコシドなどの臨床的に重要な抗生物質に対する耐性をコードする多種多様な抗生物質耐性遺伝子（ARG）がWWTPsの様々な区画で発見されています（Guo et al.、2017；Pazda et al.、2019）。WWTPはARGのリザーバーとして機能するため、WWTP内の非ARG宿主間の水平遺伝子移転（HGT）を介したARGの交換も促進します（Hultmanら、2018;Jacquiodら、2017)。

自治体のWWTPは、多様な抗生物質耐性菌（ARB）とARGを含む、既知および未知のさまざまなソースから膨大な量の廃水を受け取ります。理想的には、WWTPは、処理水を人為的活動に安全に使用できるように、有機および無機の汚染物質を除去することができるが、WWTPはARBまたはARGを完全に除去することはできない（Karkman et al.、2018年）。WWTPはARGの潜在的な繁殖地と考えられ、ARGを環境に拡散させる重要な役割を担っている（Mao et al.） WWTPにおけるプロセスの間、多くのARBおよびARGは水相から除去され、汚泥に濃縮される（Munirら、2011年）。一部のARGは処理プロセス中に残留し、排水中に検出され（Razaら、2022）、自然環境に戻される（Berglundら、2015；Quintela-Balujaら、2019）。下水汚泥は、排水よりも有意に高い割合のARGを含んでおり（Lee et al., 2017b）、しばしば肥料として利用されている。汚泥は通常、肥料として使用する前に安定化されるが、汚泥の長期的な適用により、土壌中のARGの存在量が増加する（Chen et al.、2016）。WWTPからの臨床的に重要なARGの存在は、ヒトとの相互作用の可能性があるため、公衆衛生にとって特に興味深いものである（Hocquet et al, 2016; Raza et al, 2021）。

WWTPでは、有機物やその他の生物学的汚染物質を減少または除去するために、一連の生物学的、物理的、化学的プロセスが使用されています。WWTPにおける生物学的プロセスは、最も高い細菌量を生み出し、WWTPのプロセス中にARGを増加または拡散させることができます（Wang et al.、2020）。同様に、生物学的栄養除去（BNR）における高い細菌多様性は、HGTによるARGsの伝播を促進することができる（Sabriら、2020；Tongら、2019）。WWTPにおける細菌群集の代謝的重要性を考えると、ARGの増殖に関与している可能性のある微生物群集を特定することが不可欠である（Zhangら、2020b）。インフルエントとは別に、活性汚泥はWWTPsにおけるARGのほとんどを担持しており、そこでの細菌群集の影響はまだ不明である（Tong et al.、2019）。しかし、土壌（Zhengら、2018）と廃水（Tongら、2019）の両方において、細菌群集のシフトがARGの存在量を形成する重要な駆動因子として報告されている。韓国のWWTPの大部分は、廃水の生物学的処理に嫌気性-無酸素-酸素（A2O）プロセスを使用しており（Leeら、2017a）、嫌気性消化（AD）は主に汚泥の処理に用いられている（Yooら、2020年）。しかし、これらのプロセスの微生物群集構造およびARGは、韓国ではあまり調査されていない。そこで、本研究では、BNRおよびADプロセスの汚泥における微生物群集構造とARGの存在量を評価することを目的とした。研究の目的は以下の通りである。1) BNRプロセスおよびADリアクターにおけるARGの存在量を調査する、2) BNRおよびADスラッジと同様にWWTPにおける微生物群集の変化を評価する、3) 相関ネットワークによりARGの潜在的宿主細菌を調査する、である。本研究は、BNRプロセスおよびADリアクターの汚泥の微生物群集と特定のARGの宿主細菌に関する基礎情報を提供する。

セクションの抜粋
廃水および汚泥のサンプリング
本研究では、韓国の全羅道の旧首都である光州広域市から2つのWWTPを選定した。両WWTPは、光州市の人口の95％以上（150万人）から主に生活排水を受け入れています。WWTP1では光州市の養鶏場からの排水を、WWTP2では大手鉄鋼メーカーや電子機器メーカーから出る前処理済みの産業廃水を受け入れています。一次沈殿や生物学的処理など、伝統的な廃水処理アプローチも採用されています。

汚泥中のARG存在比の変化
汚泥サンプルからは、tetXが最も多く検出され、次いでTEM、sul1が検出された(Fig. 2A)。また、tetXの存在量はBNRスラッジでADスラッジよりも有意に多く、tetMはADスラッジで有意に多かった(Fig. 2A)。ARGの存在量は、両WWTPで異なっていた。WWTP1では、BNR工程におけるARGの存在量はAD反応器よりも高かったが、WWTP2では逆であった（Fig. 2A）。ARGの相対的な存在量の合計値

結論
2つの都市型WWTPのBNRプロセスとADリアクターにおいて、汚泥サンプルのARGの存在量と微生物群集の変化が観察された。両WWTPでtetXが最も多く、TEMとsul1がそれに続いた。tetXはBNR汚泥に比べAD汚泥で減少し、TEMはAD汚泥で増加した。すべてのサンプルでプロテオバクテリアが主要な細菌門として検出され、Arcobacter、12up、Acidovoraxが主要な属として検出された。

著者紹介
シャバズ・ラザ 概念化、方法論、執筆 - レビューと編集。Kyeong Hwan Kang: コンセプト作成、メソドロジー。シン・ジュヒ。方法論。シン・スングク 形式的分析、概念化。チュン・ジヒョン: 概念化。Cho Hyun Uk：レビューと編集。シン・ジンギョン。ライティング - レビューと編集。Young Mo Kim: コンセプト作成、執筆 - 査読と編集、プロジェクト管理。

未出典の参考文献
ナドジーら，2017．

競合する利害関係の宣言
著者は、本論文で報告された研究に影響を及ぼすと思われる既知の競合する金銭的利益または個人的関係がないことを宣言する。

謝辞
この研究は、韓国政府（MSIT）が資金提供する韓国国立研究財団（NRF）助成金（No.2021R1A2C2012451）の支援を受けたものである。この研究は、韓国政府（MSIT）が出資する韓国国立研究財団（NRF）助成金（No.2022R1A5A1032539）の支援も受けた。本実験の構想にあたり、優れた研究支援を行った Jangwoo Lee 氏に感謝の意を表したい。

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