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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và các nghiên cứu dịch tễ toàn cầu, hiện tượng kháng kháng sinh (AMR) đang trở thành một trong những thách thức y tế công cộng nghiêm trọng nhất thế kỷ 21, với ước tính có thể gây ra 10 triệu ca tử vong mỗi năm vào năm 2050 nếu không có biện pháp kiểm soát hiệu quả. Tại Việt Nam, tình trạng lạm dụng kháng sinh diễn ra phổ biến khi có tới 88% hiệu thuốc đô thị và 91% hiệu thuốc nông thôn bán kháng sinh mà không cần đơn của bác sĩ; đồng thời tỷ lệ vi khuẩn Escherichia coli phân lập kháng cephalosporin thế hệ 3 đã lên đến 64% và kháng fluoroquinolone đạt 50%. Mạng lưới thoát nước và nguồn nước mặt đô thị đóng vai trò là nơi tiếp nhận trực tiếp các dòng thải sinh hoạt, bệnh viện và chăn nuôi, biến môi trường nước thành ổ chứa và con đường phát tán các gen kháng kháng sinh (ARGs).

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường của học viên Nguyễn Thị Nga (Trường Đại học Việt Nhật - Đại học Quốc gia Hà Nội) được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống dữ liệu về ô nhiễm gen kháng sinh tại khu vực miền Bắc. Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

• Xác định sự hiện diện và mức độ phong phú của các gen kháng sinh chỉ thị trong môi trường nước đô thị Hà Nội.
• Đánh giá vai trò của hệ thống kênh mương và hiệu quả loại bỏ ARGs của nhà máy xử lý nước thải (NMXLNT) Yên Sở có công suất thiết kế 200.000 m³/ngày đêm.
• So sánh hiện trạng ô nhiễm ARGs giữa môi trường nước tại Hà Nội và các lưu vực sông, hồ tại Nhật Bản (sông Tama, sông Kanda và hồ Kasumigaura).

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các đợt quan trắc định kỳ theo mùa từ tháng 9/2018 đến tháng 4/2019 và đợt khảo sát mở rộng tại 18 vị trí thủy vực ở Hà Nội vào tháng 2/2019, đối chiếu với chuỗi mẫu thu thập tại Nhật Bản vào tháng 10 - 11/2018. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp bộ dữ liệu định lượng phục vụ việc kiểm soát rủi ro sinh học và hỗ trợ giảm thiểu từ 70% đến 90% nguy cơ lan truyền gen kháng trong chuỗi cung ứng nước và tái sử dụng nước thải đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 2 khung lý thuyết sinh thái vi sinh vật cốt lõi:

• Lý thuyết Đột biến gen và Truyền gen ngang (Horizontal Gene Transfer - HGT): Giải thích con đường vi khuẩn thu nhận đặc tính kháng thuốc thông qua 3 cơ chế: tiếp hợp (conjugation) qua plasmid, biến nạp (transformation) thu nhận DNA tự do, và tải nạp (transduction) qua thể thực khuẩn (bacteriophage).
• Mô hình Tác nhân tích hợp di động (Mobile Genetic Elements - MGEs): Tập trung vào vai trò của Integron lớp 1 (intI1) như một nền tảng thu gom, tích hợp và biểu hiện nhiều cassette gen kháng thuốc khác nhau trên cùng một phân tử DNA, dẫn đến hiện tượng đa kháng thuốc (multidrug resistance).

Bên cạnh đó, nghiên cứu làm rõ các khái niệm chính: Vi khuẩn kháng kháng sinh (ARB), Gen kháng kháng sinh (ARGs), Áp lực chọn lọc môi trường từ kim loại nặng và dư lượng dược phẩm, cùng Hệ số làm giàu gen (Enrichment Ratio) trong bùn hoạt tính. 6 nhóm gen mục tiêu đại diện cho các nhóm kháng sinh quan trọng được khảo sát bao gồm: blaTEM (kháng beta-lactamase phổ rộng), sul1 (kháng sulfonamide), tetA và tetW (kháng tetracycline), ereA (kháng macrolide), qnrD (kháng quinolone), và gen mcr-1 mã hóa khả năng kháng colistin - loại kháng sinh dự phòng cấp cứu cuối cùng của y học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ hơn 35 mẫu nước thực địa kết hợp với thí nghiệm mô phỏng quy mô phòng thí nghiệm (lab-scale). Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu phân tầng theo đặc trưng ô nhiễm:

• Tại Hà Nội: 8 điểm quan trắc theo mùa dọc sông Kim Ngưu và hồ Yên Sở; 18 điểm mở rộng gồm 4 đoạn kênh tiếp nhận 100% nước thải thô (kênh Sét, Lừ, Tô Lịch, Kim Ngưu), 4 phụ lưu sông (sông Đuống, Đáy, Nhuệ), 7 hồ cảnh quan (hồ Tây, Hoàn Kiếm, Trúc Bạch, Linh Đàm, Văn Quán, Bảy Mẫu) và 3 mẫu nước ngầm ở độ sâu từ 20m đến 60m.
• Tại Nhật Bản: 14 vị trí phân bố tại lưu vực sông Tama (tiếp nhận dòng thải từ 9 NMXLNT), sông Kanda và hồ Kasumigaura.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Nghiên cứu kết hợp song song phương pháp phụ thuộc nuôi cấy (culture-dependent) để định lượng E. coli và Coliform tổng số trên đĩa thạch Chromocult Coliform Agar (ủ 37°C trong 18-24 giờ) và phương pháp không phụ thuộc nuôi cấy (culture-independent) bằng công nghệ sinh học phân tử. Phương pháp phân tử giúp khắc phục hoàn toàn hạn chế của kỹ thuật nuôi cấy truyền thống, phát hiện được cả các vi khuẩn không thể nuôi cấy và DNA tự do trong môi trường nước.

Quy trình kỹ thuật gồm chiết tách DNA môi trường bằng bộ kit FastDNA Spin Kit for Soil, kiểm tra định tính gen mcr-1 bằng phản ứng PCR thường và điện di gel agarose 1,5% (độ dài đoạn khuếch đại khoảng 330 bp), kết hợp định lượng tuyệt đối mật độ bản sao gen (16S rRNA, intI1 và 6 gen ARGs) bằng kỹ thuật Real-Time PCR (qPCR) trên hệ thống 7500 Fast Real-Time PCR System và LightCycler 480 với đường chuẩn pha loãng chuẩn độ từ 10^1 đến 10^7 bản sao/µL. Timeline thực nghiệm và phân tích số liệu diễn ra xuyên suốt từ tháng 9/2018 đến tháng 5/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã đưa ra 4 phát hiện quan trọng về hiện trạng ô nhiễm kháng sinh trong môi trường nước:

• Mật độ ARGs trong nước mặt Hà Nội ở mức báo động: Các dòng kênh thoát nước nội đô như sông Tô Lịch, Kim Ngưu, Sét và Lừ ghi nhận tổng mật độ bản sao ARGs đạt từ 10^7 đến 10^9 copies/L. Mức tích lũy này cao hơn từ 100 đến 10.000 lần so với các mẫu nước mặt tại Nhật Bản (sông Tama duy trì ở mức 10^2 đến 10^4 copies/L).
• Tần suất bắt gặp tuyệt đối của gen kháng sulfonamide và integron: Gen sul1 và gen tích hợp intI1 xuất hiện trong 100% mẫu nước mặt đô thị Hà Nội. Phân tích tương quan chỉ ra mối liên hệ chặt chẽ giữa mật độ intI1 với các gen sul1 và blaTEM với hệ số tương quan tuyến tính cao (r > 0,85), minh chứng rõ nét cho vai trò của Integron lớp 1 trong việc thu nhận và phát tán gen kháng.
• Sự hiện diện của gen kháng kháng sinh dự phòng cấp cứu mcr-1: Gen mcr-1 (330 base pairs) được phát hiện dương tính tại các kênh hở chứa nước thải sinh hoạt và dòng thải đầu vào của NMXLNT Yên Sở. Trong khi đó, tại Nhật Bản, 0% mẫu nước tại sông Tama và hồ Kasumigaura phát hiện thấy sự tồn tại của gen này.
• Hiệu quả xử lý của trạm xử lý nước thải đô thị: Tại NMXLNT Yên Sở, công nghệ bể phản ứng theo mẻ (SBR) kết hợp chiếu xạ tia cực tím (UV) giúp giảm mật độ vi khuẩn E. coli từ 2 đến 3 log (tương đương 99% - 99,9%). Tuy nhiên, hiệu quả loại bỏ bản sao các gen ARGs chỉ đạt từ 0,5 đến 1,8 log (tương đương 68% - 98%). Do đó, hàng tỷ bản sao gen kháng vẫn được xả ra hồ Yên Sở và sông Kim Ngưu hạ lưu mỗi ngày. Toàn bộ chuỗi dữ liệu này có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ cột so sánh mật độ gen trước - sau xử lý và bảng ma trận tương quan giữa nồng độ Amoni (NH4+) với mật độ vi khuẩn chỉ thị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự chênh lệch mật độ ARGs giữa hai quốc gia bắt nguồn từ hạ tầng xử lý nước thải. Tại Nhật Bản, tỷ lệ bao phủ của mạng lưới thu gom cống ngầm đạt tới 99%, nước thải được thu gom triệt để về các trạm xử lý tập trung trước khi xả ra sông Tama. Ngược lại, tại Hà Nội, hệ thống sông mương nội đô tiếp nhận trực tiếp 100% nước thải sinh hoạt và y tế chưa qua xử lý, tạo áp lực chọn lọc liên tục lên quần xã vi sinh vật.

Sự xuất hiện rộng khắp của sul1 và blaTEM hoàn toàn nhất quán với các nghiên cứu trước đây tại Đồng bằng sông Cửu Long và hồ Thái Hồ (Trung Quốc), phản ánh thói quen sử dụng phổ biến các nhóm kháng sinh gốc sulfonamide và beta-lactam trong đời sống y tế và chăn nuôi gia cầm. Đối với gen mcr-1, việc phát hiện trong hệ thống nước đô thị phản ánh tình trạng lạm dụng colistin trong phòng ngừa dịch bệnh gia súc, từ đó đào thải qua phân và xâm nhập vào chu trình nước đô thị.

Thí nghiệm lab-scale kéo dài 7 ngày ở điều kiện 20°C trong bóng tối cho thấy: Quá trình sục khí (aeration) thúc đẩy hoạt động phân hủy sinh học làm giảm nhanh nồng độ Amoni và mật độ E. coli sống sót, nhưng số lượng bản sao các gen ARGs tự do vẫn tồn lưu dai dẳng trong pha nước và bùn cặn. Điều này khẳng định các quy trình xử lý sinh học truyền thống không thể phá vỡ hoàn toàn cấu trúc chuỗi DNA của gen kháng sinh nếu thiếu các công đoạn oxy hóa nâng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm kiểm soát và ngăn chặn sự phát tán của vi khuẩn và gen kháng kháng sinh trong chu trình nước đô thị, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

• Nâng cấp công nghệ khử trùng và phá hủy DNA tại các nhà máy xử lý nước thải: Ứng dụng các quy trình oxy hóa nâng cao (AOPs như Ozone/H2O2, Fenton quang hóa) kết hợp màng siêu lọc (UF/NF) và tăng cường liều chiếu xạ UV chuyên sâu tại NMXLNT Yên Sở và các trạm xử lý tương lai. Mục tiêu đạt hiệu suất phá hủy chuỗi DNA kháng thuốc trên 99,5% trước năm 2028, do Sở Xây dựng Hà Nội và các đơn vị quản lý vận hành thoát nước chủ trì thực hiện.
• Thiết lập quy chuẩn và mạng lưới quan trắc sinh học phân tử định kỳ: Bổ sung các chỉ tiêu ARGs trọng điểm (sul1, blaTEM, intI1, mcr-1) vào hệ thống Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải y tế và nước thải đô thị. Triển khai kế hoạch lấy mẫu định kỳ 3 tháng/lần tại 20 điểm xả thải trọng điểm lưu vực sông Nhuệ - Đáy và sông Tô Lịch trong giai đoạn 2026 - 2030, dưới sự điều phối của Bộ Tài nguyên và Môi trường.
• Kiểm soát nghiêm ngặt nguồn xả thải y tế và nông nghiệp: Bắt buộc 100% các bệnh viện, cơ sở khám chữa bệnh và trang trại chăn nuôi quy mô lớn phải vận hành hệ thống xử lý nước thải cục bộ đạt chuẩn khử trùng trước khi đấu nối vào cống chung. Phấn đấu cắt giảm 80% dư lượng kháng sinh thô xả ra môi trường vào năm 2027, do Sở Y tế và Cục Thú y giám sát liên ngành.
• Đẩy nhanh tiến độ hoàn thiện hệ thống cống bao thu gom nước thải riêng biệt: Tập trung nguồn lực hoàn thành hệ thống cống gom nước thải sinh hoạt hai bên bờ sông Kim Ngưu, sông Lừ, sông Sét và sông Tô Lịch dẫn về các nhà máy xử lý nước thải tập trung, chấm dứt hoàn toàn tình trạng xả trực tiếp 100% nước thải thô vào các kênh hở đô thị trước năm 2030, theo chỉ đạo của Ủy ban Nhân dân Thành phố Hà Nội.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật Môi trường / Công nghệ Sinh học: Tài liệu cung cấp quy trình phân tích chuẩn từ khâu tách chiết DNA bằng FastDNA Spin Kit for Soil đến thiết kế mồi và tối ưu hóa chu trình nhiệt qPCR cho 8 gen chỉ thị, phục vụ đắc lực cho các đề tài nghiên cứu ô nhiễm sinh học môi trường.
• Kỹ sư vận hành và chuyên viên thiết kế công trình xử lý nước cấp, nước thải: Giúp hiểu rõ cơ chế vận chuyển, khả năng sống sót của vi khuẩn ARB và giới hạn của các công đoạn lắng cát, SBR và khử trùng UV, từ đó lựa chọn giải pháp công nghệ xử lý bậc 3 tối ưu.
• Cán bộ quản lý môi trường và nhà hoạch định chính sách y tế công cộng: Cung cấp số liệu định lượng thực chứng để xây dựng các khung kỹ thuật, ngưỡng giới hạn kiểm soát gen kháng thuốc trong các văn bản quy phạm pháp luật về bảo vệ môi trường nước.
• Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan hợp tác phát triển quốc tế (JICA, WHO, FAO): Sử dụng dữ liệu so sánh chuẩn mực giữa Việt Nam và Nhật Bản để xây dựng các dự án tài trợ nâng cao năng lực giám sát Một sức khỏe (One Health), giảm thiểu nguy cơ kháng thuốc xuyên biên giới.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao gen mcr-1 lại là mối quan ngại đặc biệt trong môi trường nước Hà Nội? Colistin là vũ khí kháng sinh cuối cùng để điều trị các ca nhiễm khuẩn gram âm kháng đa thuốc nguy kịch. Việc phát hiện gen mcr-1 (kích thước 330 bp) mang trên plasmid tại các kênh tiếp nhận nước thải ở Hà Nội cảnh báo rủi ro truyền gen kháng ngang cho các vi khuẩn gây bệnh cơ hội trong nguồn nước, đe dọa trực tiếp đến an toàn sức khỏe cộng đồng.

2. Nhà máy xử lý nước thải đô thị có loại bỏ hoàn toàn gen kháng sinh không? Không loại bỏ hoàn toàn. Nghiên cứu thực tế tại NMXLNT Yên Sở (công suất 200.000 m³/ngày) cho thấy công nghệ SBR kết hợp UV tiêu diệt tới 99% vi khuẩn E. coli, nhưng chỉ giảm được từ 68% đến 98% mật độ bản sao ARGs. Hàng tỷ bản sao gen kháng vẫn tồn lưu tự do và theo dòng nước thải xả thẳng ra môi trường.

3. Yếu tố Integron lớp 1 (intI1) đóng vai trò gì trong sự lan truyền kháng thuốc? intI1 là yếu tố di truyền di động có cấu trúc đặc biệt, cho phép thu nạp và tích hợp nhiều cassette gen kháng kháng sinh khác nhau (như sul1, blaTEM) vào hệ gen vi khuẩn. Hệ số tương quan r > 0,85 giữa intI1 và các ARGs trong luận văn chứng minh đây chính là công cụ chủ chốt đẩy nhanh quá trình đa kháng thuốc trong môi trường nước mặt.

4. Khác biệt lớn nhất về ô nhiễm ARGs giữa Hà Nội và các đô thị Nhật Bản là gì? Tại Nhật Bản, hệ thống cống gom đạt tỷ lệ đấu nối trên 99%, mật độ ARGs tại lưu vực sông Tama duy trì ở mức rất thấp (10^2 - 10^4 copies/L). Ngược lại, tại Hà Nội, nước thải chưa qua xử lý chiếm 100% lưu lượng các kênh mương nội đô, đẩy mật độ ARGs lên tới 10^7 - 10^9 copies/L, cao hơn hàng nghìn lần.

5. Sục khí (aeration) ảnh hưởng như thế nào đến sự tồn tại của ARGs trong thực nghiệm lab-scale? Trong thí nghiệm 7 ngày ở 20°C, quá trình sục khí cung cấp oxy hòa tan giúp vi sinh vật hiếu khí phân hủy Amoni và giảm thiểu mật độ vi khuẩn sống. Tuy nhiên, các phân tử DNA ngoại bào mang gen kháng phóng thích từ vi khuẩn chết vẫn tồn lưu bền vững trong pha lỏng và bùn lắng, không bị suy giảm theo thời gian.

Kết luận

• Luận văn xây dựng bộ cơ sở dữ liệu định lượng chuẩn mực đầu tiên về 6 nhóm gen kháng kháng sinh và gen kháng colistin mcr-1 trong hệ thống nước đô thị Hà Nội.
• Xác định các kênh hở nội đô là điểm nóng ô nhiễm vi sinh với mật độ ARGs lên đến 10^9 bản sao/L do tiếp nhận trực tiếp nước thải chưa xử lý.
• Minh chứng hạn chế của công nghệ xử lý bùn hoạt tính SBR và khử trùng UV thông thường trong việc phá hủy hoàn toàn chuỗi DNA kháng thuốc ngoại bào.
• Đưa ra bức tranh đối chiếu thực nghiệm toàn diện giữa thực trạng xử lý nước thải tại Việt Nam và mạng lưới thoát nước đạt 99% của Nhật Bản.
• Đề xuất lộ trình tích hợp công nghệ oxy hóa bậc cao và hoàn thiện mạng lưới cống bao thu gom nước thải riêng biệt đến năm 2030.

Công trình là đóng góp học thuật xuất sắc cho chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường và dịch tễ học môi trường tại Việt Nam. Trong giai đoạn 2026 - 2028, các hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung ứng dụng công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (NGS) và đánh giá rủi ro định lượng vi sinh (QMRA). Hãy liên hệ ngay với các đơn vị nghiên cứu hoặc tham khảo toàn văn luận văn để tích hợp các giải pháp sinh học phân tử vào công tác thiết kế hệ thống xử lý môi trường tiên tiến!

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.