Nghiên cứu về sự xuất hiện của các gen kháng kháng sinh trong môi trường nước ở Hà Nội

Nghiên cứu sự xuất hiện của gen kháng kháng sinh trong môi trường nước đô thị tại Hà Nội, phân tích tác động và giải pháp cải thiện.

• Tác giả: Nguyen Thi Nga
• Người hướng dẫn: Assoc. Ikuro Kasuga
• Trường học: Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Occurrence Of Antibiotic Resistance Genes In Water Environment In Hanoi
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• 1. INTRODUCTION
• 2. ANTIBIOTIC RESISTANCE MECHANISM AND SPREADING PATHWAY
• 2.1. Gene mutations
• 2.2. Horizontal gene transfer
• 2.3. Transfer of ARGs in microorganism community
• 2.4. Wastewater treatment plant as the hot-spot of ARB and ARGs
• 2.5. Wastewater treatment plant - meeting place for selection of antibiotic resistance
• 2.6. Removal efficiency of antibiotic, ARB and ARGs in WWTP
• 2.6.1. Removal efficiency of antibiotic
• 2.6.2. Removal of ARGs in WWTP
• 2.6.3. Effective removal of ARGs in WWTP
• APPENDIX
• REFERENCES

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu kháng kháng sinh trong môi trường nước đô thị Hà Nội

Nghiên cứu kháng kháng sinh trong môi trường nước đô thị Hà Nội đang trở thành một vấn đề cấp bách. Sự gia tăng sử dụng kháng sinh trong y tế và nông nghiệp đã dẫn đến sự phát triển của các chủng vi khuẩn kháng thuốc. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng mà còn gây ra những thách thức lớn trong quản lý môi trường nước. Nghiên cứu này nhằm mục đích xác định sự hiện diện của các gen kháng kháng sinh trong nước đô thị và đánh giá tác động của chúng đến sức khỏe con người và môi trường.

1.1. Khái niệm về kháng kháng sinh và môi trường nước

Kháng kháng sinh là hiện tượng mà vi khuẩn phát triển khả năng chống lại tác dụng của thuốc kháng sinh. Môi trường nước đô thị, nơi có sự xả thải từ bệnh viện và sinh hoạt, là một trong những nguồn chính dẫn đến sự lây lan của các gen kháng kháng sinh. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự hiện diện của các gen này trong nước có thể gây ra những rủi ro nghiêm trọng cho sức khỏe cộng đồng.

1.2. Tình hình kháng kháng sinh tại Hà Nội

Tại Hà Nội, tỷ lệ kháng kháng sinh đang gia tăng đáng kể. Theo các nghiên cứu, nhiều chủng vi khuẩn như E. coli đã cho thấy tỷ lệ kháng thuốc cao, đặc biệt là đối với các loại kháng sinh phổ rộng. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc theo dõi và quản lý tình hình kháng kháng sinh trong môi trường nước.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu kháng kháng sinh

Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu kháng kháng sinh là việc thiếu dữ liệu chính xác về sự hiện diện của các gen kháng kháng sinh trong môi trường nước. Nhiều nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào các nguồn nước cụ thể mà không xem xét toàn diện các yếu tố khác như ô nhiễm từ các nguồn khác nhau. Điều này dẫn đến việc đánh giá không đầy đủ về mức độ ô nhiễm và sự lây lan của kháng kháng sinh.

2.1. Thiếu dữ liệu và thông tin

Việc thiếu dữ liệu về sự hiện diện của các gen kháng kháng sinh trong nước đô thị Hà Nội gây khó khăn cho việc xây dựng các chính sách quản lý hiệu quả. Nhiều nghiên cứu chỉ tập trung vào một số khu vực nhất định mà không xem xét toàn bộ bối cảnh đô thị.

2.2. Ô nhiễm từ nhiều nguồn khác nhau

Ô nhiễm nước không chỉ đến từ các bệnh viện mà còn từ các hoạt động sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp. Điều này làm cho việc xác định nguồn gốc của kháng kháng sinh trở nên phức tạp hơn, đòi hỏi các phương pháp nghiên cứu đa dạng và toàn diện.

III. Phương pháp nghiên cứu kháng kháng sinh trong môi trường nước

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp hiện đại để xác định sự hiện diện của các gen kháng kháng sinh trong nước. Các mẫu nước được thu thập từ nhiều địa điểm khác nhau trong thành phố Hà Nội và được phân tích bằng các kỹ thuật sinh học phân tử như PCR và qPCR. Phương pháp này cho phép phát hiện nhanh chóng và chính xác các gen kháng kháng sinh.

3.1. Phương pháp thu thập mẫu nước

Mẫu nước được thu thập từ các điểm khác nhau trong thành phố, bao gồm các khu vực gần bệnh viện, khu dân cư và các nguồn nước tự nhiên. Việc lựa chọn các điểm thu mẫu này nhằm đảm bảo tính đại diện cho tình hình ô nhiễm kháng kháng sinh trong môi trường nước đô thị.

3.2. Phân tích gen kháng kháng sinh

Các mẫu nước sau khi thu thập sẽ được phân tích bằng phương pháp PCR và qPCR để xác định sự hiện diện của các gen kháng kháng sinh. Phương pháp này cho phép phát hiện nhanh chóng và chính xác các gen kháng kháng sinh, từ đó đánh giá mức độ ô nhiễm trong môi trường nước.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự hiện diện của nhiều gen kháng kháng sinh trong nước đô thị Hà Nội. Các gen như blaTEM, sul1 và qnrS được phát hiện với tần suất cao, cho thấy mức độ ô nhiễm nghiêm trọng. Những phát hiện này không chỉ có ý nghĩa trong việc đánh giá tình hình kháng kháng sinh mà còn cung cấp cơ sở cho việc xây dựng các chính sách quản lý nước hiệu quả.

4.1. Tần suất phát hiện các gen kháng kháng sinh

Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng tần suất của các gen kháng kháng sinh trong nước đô thị Hà Nội là rất cao. Điều này cho thấy sự lây lan của kháng kháng sinh trong môi trường nước đang ở mức báo động và cần có các biện pháp can thiệp kịp thời.

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quản lý nước

Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để xây dựng các chính sách quản lý nước hiệu quả hơn, nhằm giảm thiểu ô nhiễm kháng kháng sinh trong môi trường nước đô thị. Các biện pháp như tăng cường xử lý nước thải và kiểm soát việc sử dụng kháng sinh trong y tế và nông nghiệp là rất cần thiết.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu kháng kháng sinh

Nghiên cứu kháng kháng sinh trong môi trường nước đô thị Hà Nội đã chỉ ra rằng đây là một vấn đề nghiêm trọng cần được quan tâm. Việc phát hiện và đánh giá sự hiện diện của các gen kháng kháng sinh là bước đầu tiên trong việc xây dựng các chính sách quản lý hiệu quả. Tương lai của nghiên cứu này cần tiếp tục được mở rộng để bao quát nhiều khía cạnh khác nhau của ô nhiễm kháng kháng sinh.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc theo dõi sự biến đổi của các gen kháng kháng sinh theo thời gian và trong các điều kiện khác nhau. Điều này sẽ giúp hiểu rõ hơn về sự phát triển và lây lan của kháng kháng sinh trong môi trường nước.

5.2. Hướng đi mới trong quản lý kháng kháng sinh

Cần có các chiến lược quản lý kháng kháng sinh toàn diện, bao gồm việc giáo dục cộng đồng về việc sử dụng kháng sinh hợp lý và tăng cường các biện pháp xử lý nước thải. Điều này sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm kháng kháng sinh và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY VIETNAM JAPAN UNIVERSITY s NGUYEN THI NGA OCCURRENCE OF ANTIBIOTIC RESISTANCE GENES IN WATER ENVIRONMENT IN HANOI MASTER THESIS Environmental Engineering Hanoi, 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY VIETNAM JAPAN UNIVERSITY NGUYEN THI NGA OCCURRENCE OF ANTIBIOTIC RESISTANCE GENES IN WATER ENVIRONMENT IN HANOI MASTER’S PROGRAM: ENVIRONMENTAL ENGINEERING STUDENT ID: 17110042 SUPERVISORS: ASSOC. IKURO KASUGA PROF. HIROYUKI KATAYAMA Hanoi, 2019 SUPERVISORS: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. IKURO KASUGA ACKNOWLEDGEMENT Master thesis was completed perfectly in the Vietnam Japan University (VJU) which is a great educational environment for research activities.

I would like to send my special thanks and gratefulness to my supervisors, Assoc. Ikuro Kasuga and Prof. Katayama Hiroyuki who despite of being extraordinarily busy, took time out to hear, guide me many valuable lessons even the basic knowledge. Their advice and encouragement had significantly enriched my quality of master thesis.

Without their guidance, it is impossible for me to finish effectively the thesis. Many thanks go to the other professors in Master's program of Environmental Engineering at Vietnam Japan University, who kindly give necessary advices during my research progress. I am using this opportunity to express my deepest gratitude to NIHE-NAGASAKI Friendship Laboratory that supported us having opportunity to do the most important experiment via their facilities (Real-time PCR system) Last but not least, I would like to thank The Japan International Cooperation Agency (JICA) for supporting VJU students having a great opportunity for the study at VJU and internship in Japan. I perceive as this opportunity as a big milestone in my career development and I hope to continue cooperation with all of you in the future.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Antibiotic resistance mechanism and spreading pathway. Horizontal gene transfer. Wastewater treatment plant as the hot-spot of ARB and ARGs.

Wastewater treatment plant - meeting place for selection of antibiotic resistance. Removal efficiency of antibiotic, ARB and ARGs in WWTP. Antibiotic resistance in water environment. Two approaches antibiotic resistance in waster environments including ARB and ARGs.

General review for ARB and ARGs in water environments. Antibiotic, ARB, ARGs in different water environments in Vietnam 17 2. Emergence of colistin resistance genes in water environments. Sampling sites in Japan.

Sampling sites in Hanoi. Persistence of ARGs in lab-scale experiment. Water quality measurement. Temperature and Electrical conductivity.

coli and total coliform. Molecular biological analysis. PCR and gel agarose electrophoresis for presence of colistin resistance gene (mcr-1).33 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Real time PCR (qPCR).

PREVALENCE OF ANTIBIOTIC RESISTANCE GENES (ARGS) IN DIFFERENT WATER ENVIRONMENTS IN JAPAN. Water quality in Tama river. Water quality in Lake Kasumigaura. Correlation among water quality parameters.

ARGs in Tama River. ARGs in Lake Kasumigaura. PREVALENCE OF ANTIBIOTIC RESISTANCE GENES (ARGs) IN DIFFERENT WATER ENVIRONMENTS IN HANOI. Water quality in all water environments.

Correlation among water quality parameters. ARGs abundance in different water environments. ARGs abundance in various water environments. Presence of colistin resistance gene (mcr-1) in different water environments.

Seasonal variations of removal efficiency of ARGs in wastewater treatment plant. Seasonal variations of ARGs abundances. Seasonal variation of removal rates of ARGs in wastewater treatment plant. Persistency of ARGs in lab-scale experiment.

Persistence of ARGs in lab-scale experiment. Presence of colistin resistance gene (mcr-1) in lab-scale experiment. COMPARISON OF ANTIBIOTIC RESISTANGE GENES (ARGs) BETWEEN JAPAN AND HANOI SAMPLES .66 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Wastewater treatment plant removal efficiency.71 REFERENCES APPENDIX LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF TABLES Table 2.

Removal rates of ARGs in WWTPs in China. Culture-dependent method and culture-independent method. Description of sampling points in Japan. Seasonal sampling points in Hanoi.

Extended sampling points in Hanoi. FastDNA Spin Kit for Soil Components. The reaction mixture for PCR. Table of sequence primer.

The reaction mixture for qPCR. Water quality of samples in Tama River. Water quality of samples in Lake Kasumigaura. Presence of Colistin resistance gene (mcr-1 ˷ 330 base pairs) .53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF FIGURES Figure 2.

Antibiotic resistance mechanism - Gene mutations. Transfer of ARGs in microorganism community. Integron is involved in HGT (Gillings et al. Antibiotic consumption in Vietnam reference (Gelband et al.

Sampling sites in Tama River, Tokyo. Sampling sites in Lake Kasumigaura, Ibaraki prefecture. Kim Nguu river and Yen So WWTP. Extended sampling sites in Hanoi.

Schematic of lab-scale pilot. Correlation between ammonium concentration and log E. Absolute and relative abundances of ARGs in Tama River and Kanda River. coli concentration in Tama River and Kanda River.

Absolute abundance of 16S rRNA genes and Total cell counts in Tama River and Kanda River. Absolute abundance of ARGs and IntI1 in Lake Kasumigaura. Relative abundance of ARGs and IntI1 in Lake Kasumigaura. Relative ratio of ARGs to those at KS1.

Correlation between log E. coli and ammonium concentration. Abundance of ARGs in different water environments. Relative abundance of ARGs in different water environments.

Correlation between each ARGs and IntI1 (MGEs). Image of electrophoresis of mcr-1 genes. Presence of mcr-1 in various categorizes. Absolute abundance of ereA, tetA, tetW, sul in seasonal samples .56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Absolute abundance of qnrD, blaTEM, 16S rRNA genes and IntI1 in seasonal samples. Log removal rate of E. coli in WWTP. Log removal rate of ammonium in WWTP.

Log removal values of each ARGs and 16S rRNA genes, IntI1. Ammonium concentration in lab-scale pilot. Relative change in E. coli in lab-scale pilot.

Relative change in Total coliform in lab-scale pilot. Log change of ARGs, 16S rRNA genes, IntI1 in INF-aeration (a); INF- No aeration (b); EFF-aeration (c); EFF-No aeration (d). Comparison the water quality of Hanoi and Japan samples. Relative abundance of ARGs to the level at TM1 (Upstream of Tama River) for all samples, circle symbols for Japan samples, and triangle symbols for Hanoi samples.

Log removal values of each ARGs and 16S rRNA genes, IntI1 in Japan .69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LIST OF ABBREVIATIONS Acronyms Original words 16S rRNA 16S ribosomal RNA A/O Anaerobic oxic ARB Antibiotic resistant bacteria ARGs Antibiotic resistance genes CAS Conventional activated sludge CASS Cyclic activated sludge system CDDEP Center for Disease Dynamics, Economics & Policy CFU Colony forming unit CLSI Clinical & Laboratory Standards Institute E. coli Escherichia coli EC Electric conductivity EFF Effluent ESBL Extended spectrum beta-lactamase HGT Horizontal gene transfer INF Influent MGEs Mobile gene elements MICs Minimum inhibitory concentrations MLSB Macrolide-lincosamide-streptogramin B NGS Next generation sequencing PCR Polymerase Chain Reaction qPCR Quantitative polymerase chain reaction WWTP Wastewater treatment plant LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. INTRODUCTION Huge amounts of antibiotic elements have been used for several decades not only for human health but also veterinary and agricultural purposes (Rodriguez-Mozaz et al. Even though antibiotic resistances are derived naturally, the abuse of antibiotics in humans and animals mainly contributes to accelerate ability of microorganisms that can stop antibiotics from working against (WHO).

A system of Resistance Map created by Center for Disease Dynamics, Economics & Policy (CDDEP) warned the spread of antibiotic resistance all over the world. It has been alerted that antibiotic resistance will kill 10 million people per year which is more than deaths caused by cancer in 2050 (O’Neill 2014). Thus, antibiotic resistance is critical health issue in this century. In Vietnam, a high rate of antibiotic resistance is of great concern.

For example, among E. coli isolates, 64 percent of them were resistant to third- generation cephalosporins, and 50 percent were resistant to fluoroquinolones (Gelband et al. In 2000–2001, Vietnam had the highest occurrence of Streptococcus pneumoniae resistance to penicillin (71%) and erythromycin (92%) of all countries participating in the Asian Network for Surveillance of Resistant Pathogens (Gelband et al. According to State of the world’s antibiotics 2015 (Gelband et al.

2015), the antibiotic consumption of Vietnamese is much higher than some other countries (China, Indonesia, Philippines). Although most of the countries in East Asia and Pacific area decreased amount of antibiotic consumption during 2000 – 2010 period, Vietnam is one of three countries which still increased antibiotic utilization year by year. Antibiotic consumption was also indicated as a high rate in Vietnamese hospitals (5,104 of 7,571 patients were receiving antibiotic therapy (67.4%)), and also a high occurrence of inappropriate indications for antibiotic prescriptions (Thu et al. Furthermore, almost antibiotics were sold without prescription respectively 88% in urban and 91% in rural pharmacies (Thi et al.

Hence, people in urban area can purchase antibiotics at drug store, pharmacies without any caution. It can be suspected 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] that improper use of antibiotics for human can promote spread of antibiotic resistance in Vietnam condition. In 2011, antibiotic resistance is believed as one of the three biggest priorities of the Tripartite Alliance (FAO, OIE, WHO) in terms of preventing health risks in the circulation of human–animal–ecosystems. Human and animals play vital role as a source of antibiotic and antibiotic resistant genes (ARGs) due to the antibiotic consumption (Rodriguez-Mozaz et al.

As a consequence, almost all of the used antibiotic and ARGs are eventually discharged into sewage system, and then into wastewater treatment plant (WWTP). Therefore, WWTP can perform function of removal of antibiotic resistance or be a reservoir for antibiotic resistance where horizontal gene transfer (HGT) is expected (Karkman et al. HGT is an important microbial activity and the spreading of genes (ARGs) by HGT to other microorganisms is regarded as augmentation strategies (Smets and Barkay 2005). Due to the rising concern about antibiotic and ARGs pollution in aquatic environment, some studies have been implemented to assess the prevalence of this emerging pollution in WWTP effluent and receiving river (Rodriguez-Mozaz et al.

2015, Urase and Sato 2016), whereas other studies have concentrated on fate of ARGs in livestock breeding wastewater (Jia et al. In Vietnam, there are several studies about antibiotics, antibiotic resistant bacteria (ARB) and ARGs including occurrence of ARGs in foodborne (Van et al. 2007), ARGs from hospital wastewater (Lien et al. 2017), ARB and ARGs in aquatic environment (Phuong Hoa et al.

2008, Hoa et al. 2011, Takasu et al. 2011, Nakayama et al. However, only Nakayama et al.

(2017) mentioned quantities of ARGs in water environment in Mekong Delta, Vietnam. Therefore, little information on level of ARGs in water environment was available, and the fate of ARGs in northern area remains unknown. Our study will fill in the gap and contribute to clarify importance of antibiotic resistance in Vietnam with two main objectives below: 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1) Reveal the prevalence of ARGs in water environment in Hanoi • To investigate presence of ARGs in urban water environments • To evaluate the role of urban water environment in terms of spreading ARGs as well as the efficiency of removal ARGs of sewage treatment plant 2) Comparison ARGs situation between Vietnam and Japan aquatic environment • To compare ARGs pollution in aquatic environment situation between Vietnam (Hanoi) and Japan (Tokyo, Saitama, Ibaraki) and the significance of ARGs in Vietnam condition could be asserted. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Antibiotic resistance mechanism and spreading pathway Following WHO definition, antimicrobial resistance (AMR) or antibiotic resistance is the situation where microorganism such as bacteria, viruses or parasites can resistant to antimicrobial agents. Consequently, common antibiotic become ineffective and antibiotic resistance spread to others. Bacteria contains specific genes allowing them to adapt with environmental threat including the environment with presence of antibiotic.