Toen orkaan Maria aan land kwam, verwoestende Dominica, St. Kruis, en Puerto Rico in september 2017, overstromingen en stroomuitval veroorzaakten schade aan het verzwakte land, resulterend in de verontreiniging van waterwegen met onbehandeld menselijk afval en pathogene micro-organismen.

Zes maanden na de dodelijke orkaan van categorie 5, Virginia Tech-hoogleraar civiele en milieutechniek Amy Pruden leidde een team van Virginia Tech-onderzoekers, waaronder Maria Virginia Riquelme en William Rhoads, vervolgens postdoctorale onderzoekers, die hun koffers en laboratoriumbenodigdheden pakten en naar Puerto Rico gingen.

Het eilandgebied van de Verenigde Staten in het noordoosten van de Caribische Zee was verwoest, haar 3,4 miljoen inwoners in een crisis stortte. De massavernietiging bood de onderzoekers een cruciale kans om te bestuderen hoe schade aan de infrastructuur van afvalwater kan bijdragen aan de verspreiding van antibioticaresistentie - een groeiende wereldwijde bedreiging voor de volksgezondheid.

In een studie gepubliceerd in American Chemical Society's Tijdschrift voor milieuwetenschap en -technologie, Virginia Tech-onderzoekers en internationale medewerkers hebben een innovatieve aanpak voor het toezicht op antibioticaresistentie verder ontwikkeld door DNA-sequencingtechnieken toe te passen om de verspreiding van ziekten te detecteren in stroomgebieden die worden getroffen door grootschalige stormen.

"Deze studie is een cruciale stap in de richting van het opzetten van een uniforme en alomvattende surveillance-aanpak voor antibioticaresistentie in stroomgebieden, " zei Pruden, de W. Thomas Rice hoogleraar civiele en milieutechniek. "Ideaal, het kan worden toegepast als een basislijn om verstoringen en volksgezondheidsproblemen in verband met toekomstige stormen op te sporen."

In het afgelopen decennium is voorzichtig, een microbioloog en milieu-ingenieur, heeft met haar studenten gewerkt met behulp van de volgende generatie DNA-sequencing, een specialiteit van Pruden, om Legionella-stammen te onderzoeken zoals ze voorheen werken, gedurende, na, en buiten de uitbraken van veteranenziekte in verschillende steden in het hele land, inclusief vuursteen, Michigan.

Met RAPID-financiering van de National Science Foundation en in samenwerking met hoofdonderzoeker Christina Bandoragoda, onderzoekswetenschapper aan de Universiteit van Washington met expertise in het modelleren van stroomgebieden en geospatiale analyse, Virginia Tech-onderzoekers werkten samen met Graciela Ramirez Toro, professor en directeur van het Centro de Educación, Conservatie en Interpretatie Ambiental, en haar onderzoeksgroep aan de lokale Inter-Amerikaanse Universiteit in San German, Puerto Rico. Samen, ze identificeerden drie bemonsteringslocaties in stroomgebieden met verschillende landgebruikspatronen en niveaus van afvalwaterinvoer die ideaal waren voor het opsporen van geospatiale patronen bij het optreden van bacteriële genen die antibioticaresistentie veroorzaken.

Prudens doctoraalstudent en eerste auteur van het artikel Benjamin Davis gebruikte een methode genaamd shotgun metagenomic DNA-sequencing om antibioticaresistentiegenen te detecteren in rivierwatermonsters van drie stroomgebieden, inclusief monsters die zijn verzameld door te wandelen naar ver stroomopwaartse ongerepte delen van de stroomgebieden en stroomafwaarts van drie afvalwaterzuiveringsinstallaties. Metagenomics is de studie van genetisch materiaal dat rechtstreeks is teruggewonnen uit omgevingsmonsters.

Analyse van de gegevens onthulde dat twee antropogene markers voor antibioticaresistentie - DNA-sequenties die verband houden met menselijke effecten op het stroomgebied - correleerden met een afzonderlijke reeks antibioticaresistentiegenen, ten opzichte van die die specifiek correleerden met menselijke fecale markers.

Er was een duidelijke afbakening van de invloed van de afvalwaterzuiveringsinstallatie op de genprofielen voor antibioticaresistentie en stroomafwaarts van de afvalwaterzuiveringsinstallaties waren de niveaus verhoogd, resulterend in een grote diversiteit aan genen die van invloed zijn op de resistentie tegen klinisch belangrijke antibiotica, zoals bètalactams en aminoglycosiden, in de stroomgebiedmonsters. Sommige van de gedetecteerde bètalactam-resistentiegenen waren geassocieerd met dodelijke antibioticaresistente infecties in de regio en vertoonden bewijs dat ze over bacteriestammen konden springen. Bèta-lactam-resistentiegenen bleken ook nauwkeuriger te worden voorspeld door antropogene antibioticaresistentiemarkers dan menselijke fecale markers.

Hoewel de baselineniveaus van antibioticaresistentiegenen in Puerto Ricaanse stroomgebieden voorafgaand aan orkaan Maria onbekend zijn, surveillancemethodologieën zoals deze kunnen worden gebruikt om toekomstige effecten van grote stormen op de verspreiding van antibioticaresistentie te beoordelen, aldus de onderzoekers.

Veel internationale gemeenschappen zullen in de nabije toekomst waarschijnlijk geen toegang hebben tot geavanceerde op metagenomic gebaseerde monitoringtools, maar de identificatie van enkelvoudige gendoelen, zoals de antropogene antibioticaresistentiemarkers, toezicht op antibioticaresistentie veel toegankelijker maken. En dergelijke genen kunnen direct worden gekwantificeerd door kwantitatieve polymerasekettingreactie, rendabel opleveren, snelle resultaten in minder dan een dag.