Nghiên cứu đặc điểm của vi khuẩn E. coli sản xuất β-lactamase phổ mở rộng trong môi trường nước đô thị tại miền Bắc Việt Nam

• Tác giả: Nguyen Bach Duong
• Người hướng dẫn: Associate Prof. Ikuro Kasuga
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Characterization of Extended-Spectrum β-Lactamase Producing Escherichia Coli in Urban Water Environment in Northern Vietnam
• Loại tài liệu: Master’s thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hanoi

• ACKNOWLEDGEMENT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Antimicrobials and antimicrobial resistance
• 1.2. Molecular genetics of antimicrobial resistance
• 1.3. Mechanisms of antimicrobial resistance
• 1.4. Strategies to control antimicrobial resistance
• 1.5. Antimicrobial resistance in the water environment
• 1.6. Wastewater treatment plants – hot spots of AMR
• 1.7. Occurrence of extended-spectrum β-lactamase-producing Escherichia coli (ESBL E. coli) in One Health
• 1.8. Antimicrobial susceptibility testing
• 1.9. Persistence of ESBL E. coli in oligotrophic water environment
• 1.10. Genotyping of ESBL-encoding genes
• 2. RESULT AND DISCUSSION
• 2.1. Occurrence of ESBL E. coli
• 2.2. Validation of culture method
• 2.3. Occurrence of ESBL E. coli in urban drainage
• 2.4. Occurrence of ESBL E. coli in river water
• 2.5. Resistance ratios of ESBL E. coli in water environments
• 2.6. Antimicrobial susceptibility of ESBL E. coli
• 2.7. Genotyping of ESBL-encoding genes in ESBL E. coli
• 2.8. Persistence of ESBL E. coli in oligotrophic water environment
• 2.9. Removal of ESBL E. coli by wastewater treatment plant
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS

I. Giới thiệu về E

E. coli là một vi khuẩn phổ biến trong môi trường nước, đặc biệt là ở các khu vực đô thị. β-lactamase phổ mở rộng (ESBL) là một cơ chế kháng thuốc quan trọng, cho phép vi khuẩn kháng lại các kháng sinh β-lactam. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích đặc điểm của E. coli sản xuất ESBL trong môi trường nước đô thị miền Bắc Việt Nam. Mục tiêu chính là xác định sự hiện diện và đặc điểm của các chủng E. coli này, đồng thời đánh giá vai trò của các nhà máy xử lý nước thải trong việc giảm thiểu sự lây lan của chúng.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về sự lây lan của kháng sinh kháng thuốc trong môi trường nước. Việc xác định các chủng E. coli sản xuất ESBL giúp cung cấp thông tin cần thiết để phát triển các chiến lược kiểm soát và giảm thiểu tác động của AMR (kháng kháng sinh) trong cộng đồng.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân tích vi sinh và phân tử để xác định sự hiện diện của E. coli sản xuất ESBL trong các mẫu nước đô thị. Các mẫu nước được thu thập từ các khu vực khác nhau ở miền Bắc Việt Nam, bao gồm cả nước thải đô thị và nước sông. Các kỹ thuật như PCR và MALDI-TOF MS được sử dụng để xác định và phân loại các chủng vi khuẩn.

2.1. Thu thập và xử lý mẫu

Các mẫu nước được thu thập từ các điểm khác nhau ở Hà Nội và Bắc Ninh. Quy trình xử lý mẫu bao gồm lọc và nuôi cấy trên môi trường chọn lọc để phân lập E. coli. Các kỹ thuật phân tử được áp dụng để xác định các gen ESBL.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự hiện diện phổ biến của E. coli sản xuất ESBL trong môi trường nước đô thị. Tỷ lệ kháng thuốc cao được ghi nhận ở các chủng này, đặc biệt là đối với các kháng sinh β-lactam. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các nhà máy xử lý nước thải có hiệu quả trong việc giảm thiểu sự hiện diện của E. coli sản xuất ESBL, nhưng vẫn cần cải thiện để đạt hiệu quả cao hơn.

3.1. Tỷ lệ kháng thuốc

Các chủng E. coli sản xuất ESBL được phân lập cho thấy tỷ lệ kháng thuốc cao đối với nhiều loại kháng sinh, bao gồm cả các kháng sinh phổ rộng. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc giám sát và kiểm soát chặt chẽ hơn đối với việc sử dụng kháng sinh trong cộng đồng.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc phát triển các chiến lược kiểm soát AMR trong môi trường nước. Các kết quả có thể được sử dụng để cải thiện quy trình xử lý nước thải và giảm thiểu sự lây lan của các vi khuẩn kháng thuốc. Đồng thời, nghiên cứu cũng góp phần nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của việc sử dụng kháng sinh hợp lý.

4.1. Cải thiện quy trình xử lý nước thải

Các nhà máy xử lý nước thải cần được cải thiện để tăng hiệu quả loại bỏ E. coli sản xuất ESBL. Các biện pháp như sử dụng công nghệ tiên tiến và tối ưu hóa quy trình xử lý có thể giúp giảm thiểu sự lây lan của các vi khuẩn kháng thuốc ra môi trường.

Tổng quan nghiên cứu

Kháng kháng sinh (AMR) được xem là một trong mười vấn đề y tế toàn cầu cấp bách nhất năm 2021 (WHO, 2020). Dự báo đến năm 2050, AMR có thể gây ra khoảng 10 triệu ca tử vong trên toàn thế giới (O’Neill, 2014). Tại Việt Nam, chỉ khoảng 13% nước thải được xử lý trước khi thải ra môi trường, còn lại 87% được xả trực tiếp, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển và lan truyền của vi khuẩn kháng thuốc trong môi trường nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2018). Luận văn này tập trung nghiên cứu đặc điểm của vi khuẩn Escherichia coli sản xuất extended-spectrum β-lactamase (ESBL E. coli) trong môi trường nước đô thị tại miền Bắc Việt Nam, nhằm lấp đầy khoảng trống nghiên cứu về sự xuất hiện và đặc tính của ESBL E. coli trong nước thải và nguồn nước tự nhiên.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu gồm: (i) xác định đặc điểm của ESBL E. coli trong các loại nước đô thị tại Hà Nội và Bắc Ninh, (ii) đánh giá vai trò của các nhà máy xử lý nước thải (WWTP) trong việc giảm tải ESBL E. coli trước khi thải ra môi trường. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2020 đến tháng 5/2021, với các điểm lấy mẫu tại các sông, kênh rạch và nước thải sinh hoạt trong khu vực đô thị. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng hệ thống giám sát đa ngành theo mô hình One Health, góp phần kiểm soát sự lan truyền của vi khuẩn kháng thuốc trong môi trường nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Kháng kháng sinh (AMR): Khả năng của vi khuẩn sống sót và phát triển dưới tác động của thuốc kháng sinh, chủ yếu do các cơ chế như sản xuất enzyme β-lactamase, thay đổi vị trí gắn thuốc, bơm thuốc ra ngoài tế bào, giảm tính thấm màng tế bào.
• Extended-spectrum β-lactamase (ESBL): Enzyme có khả năng thủy phân và làm mất tác dụng của các kháng sinh β-lactam thế hệ 3 trở lên, đặc biệt là cephalosporin và monobactam. Các nhóm ESBL chính gồm TEM, SHV, CTX-M (nhóm 1, 2, 8/25, 9), và OXA.
• Mô hình One Health: Tiếp cận toàn diện liên ngành giữa sức khỏe con người, động vật và môi trường nhằm kiểm soát AMR.
• Chuyển gen ngang (HGT): Quá trình vi khuẩn trao đổi gen kháng thuốc qua các cơ chế biến đổi di truyền như chuyển gen qua plasmid, transposon, integron, góp phần lan truyền ARG (gen kháng thuốc).
• Vai trò của nhà máy xử lý nước thải (WWTP): WWTP là điểm nóng phát sinh và lan truyền AMR do tiếp nhận nước thải sinh hoạt, bệnh viện, nông nghiệp, với hiệu quả xử lý vi khuẩn kháng thuốc và gen kháng thuốc còn hạn chế.

Các khái niệm chính bao gồm: ESBL E. coli, ARG, HGT, WWTP, kháng thuốc đa dòng (MDR), và các nhóm kháng sinh β-lactam.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nước thải sinh hoạt, nước sông, kênh rạch tại Hà Nội, Bắc Ninh và một số tỉnh miền Bắc Việt Nam, thu thập từ tháng 9/2020 đến tháng 5/2021.
• Cỡ mẫu: Hàng trăm mẫu nước được lấy tại các điểm khác nhau gồm nước thải đô thị, nước sông thượng nguồn và hạ nguồn, nước thải đầu ra của WWTP.
• Phương pháp chọn mẫu: Lấy mẫu theo hướng dẫn của WHO Tricycle protocol, đảm bảo đại diện cho các nguồn nước chịu ảnh hưởng đô thị và xử lý nước thải.
• Phân tích vi sinh: Định lượng ESBL E. coli bằng phương pháp lọc màng trên môi trường TBX có bổ sung cefotaxime 4 µg/mL; xác định loài bằng MALDI-TOF MS; kiểm tra kháng sinh đồ bằng phương pháp khuếch tán đĩa với 14 loại kháng sinh.
• Phân tích gen: Phát hiện các nhóm gen ESBL blaCTX-M (nhóm 1, 2, 8/25, 9) bằng PCR đa mồi và đơn mồi.
• Thí nghiệm tồn tại: Đánh giá khả năng tồn tại của ESBL E. coli trong môi trường nước nghèo dinh dưỡng (oligotrophic) qua thời gian.
• Timeline nghiên cứu: Thu thập mẫu hàng tháng (Hà Nội) và hai tháng/lần (Bắc Ninh), phân tích mẫu trong vòng 24 giờ sau lấy mẫu, thí nghiệm PCR và kháng sinh đồ thực hiện song song trong quá trình nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tỷ lệ xuất hiện ESBL E. coli trong nước đô thị: Tỷ lệ ESBL E. coli chiếm khoảng 10-30% tổng số E. coli trong các mẫu nước thải và nước sông tại Hà Nội và Bắc Ninh. Tỷ lệ này cao hơn đáng kể ở nước thải sinh hoạt so với nước sông thượng nguồn (ví dụ, tỷ lệ ESBL E. coli trong nước thải đô thị đạt tới 28%, trong khi ở thượng nguồn sông chỉ khoảng 5%).

2. Kháng sinh đồ của ESBL E. coli: Các chủng ESBL E. coli cho thấy tỷ lệ kháng cao với ampicillin (>90%), sulfamethoxazole/trimethoprim (>70%), tetracycline (>60%), và chloramphenicol (>50%). Tỷ lệ kháng với carbapenem (imipenem, meropenem) thấp (<5%), tuy nhiên vẫn có sự xuất hiện của một số chủng kháng carbapenem.

3. Phân bố gen ESBL blaCTX-M: Gen blaCTX-M nhóm 1 chiếm ưu thế (khoảng 70-80% các chủng ESBL E. coli), tiếp theo là nhóm 9 (khoảng 20-30%). Nhóm 2 và 8/25 rất hiếm gặp hoặc không phát hiện trong mẫu nghiên cứu.

4. Hiệu quả xử lý của WWTP: Các nhà máy xử lý nước thải tại Hà Nội và Bắc Ninh giảm tải ESBL E. coli trung bình khoảng 1-2 log CFU/100 mL, tuy nhiên vẫn còn lượng vi khuẩn kháng thuốc đáng kể trong nước thải đầu ra. Việc sử dụng phương pháp khử trùng UV hoặc clo có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả loại bỏ ESBL E. coli.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tỷ lệ ESBL E. coli cao trong nước thải đô thị là do sự tích tụ vi khuẩn kháng thuốc từ nguồn nước thải sinh hoạt, bệnh viện và hoạt động nông nghiệp. So với các nghiên cứu quốc tế, tỷ lệ này tương đương hoặc cao hơn một số khu vực đô thị tại châu Á (ví dụ, Nhật Bản, Thái Lan). Việc phát hiện gen blaCTX-M nhóm 1 chiếm ưu thế phù hợp với xu hướng toàn cầu, phản ánh sự lan truyền rộng rãi của nhóm gen này qua chuyển gen ngang.

Kháng sinh đồ cho thấy ESBL E. coli đa kháng với nhiều nhóm kháng sinh, làm tăng nguy cơ thất bại điều trị lâm sàng. Mặc dù carbapenem vẫn còn hiệu quả, sự xuất hiện các chủng kháng carbapenem cảnh báo nguy cơ phát sinh siêu vi khuẩn đa kháng.

Hiệu quả xử lý của WWTP còn hạn chế do công nghệ xử lý chưa tối ưu cho việc loại bỏ vi khuẩn kháng thuốc và gen kháng thuốc. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ log giảm tải ESBL E. coli trước và sau xử lý, so sánh hiệu quả giữa các phương pháp khử trùng.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ vai trò của môi trường nước đô thị trong chu trình lan truyền AMR, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc cải thiện công nghệ xử lý nước thải và xây dựng chính sách kiểm soát AMR tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường xử lý nước thải tại WWTP: Áp dụng công nghệ xử lý tiên tiến như khử trùng UV kết hợp màng lọc để nâng cao hiệu quả loại bỏ ESBL E. coli và gen kháng thuốc. Mục tiêu giảm tải ESBL E. coli ít nhất 3 log CFU/100 mL trong vòng 2 năm. Chủ thể thực hiện: các nhà quản lý môi trường và đơn vị vận hành WWTP.

2. Xây dựng hệ thống giám sát AMR đa ngành theo mô hình One Health: Thiết lập mạng lưới giám sát liên kết giữa y tế, nông nghiệp và môi trường để theo dõi sự xuất hiện và lan truyền ESBL E. coli trong nước, động vật và người. Thời gian triển khai trong 1 năm, mở rộng quy mô sau đó. Chủ thể thực hiện: Bộ Y tế, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trường.

3. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng về sử dụng kháng sinh hợp lý: Giảm thiểu việc sử dụng kháng sinh không kê đơn và lạm dụng kháng sinh trong y tế và chăn nuôi. Mục tiêu giảm 20% lượng kháng sinh sử dụng không hợp lý trong 3 năm. Chủ thể thực hiện: các cơ quan y tế, truyền thông và tổ chức xã hội.

4. Nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý nước thải chuyên biệt cho AMR: Hỗ trợ nghiên cứu ứng dụng các phương pháp mới như xử lý sinh học nâng cao, hấp phụ, hoặc oxy hóa tiên tiến để loại bỏ ARG và ARB. Thời gian nghiên cứu 3-5 năm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà quản lý môi trường và y tế công cộng: Sử dụng kết quả để xây dựng chính sách kiểm soát AMR, quản lý chất lượng nước thải và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật môi trường, vi sinh y sinh: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật phân tích vi sinh và gen kháng thuốc trong môi trường nước.

3. Đơn vị vận hành và thiết kế nhà máy xử lý nước thải: Áp dụng kiến thức về hiệu quả xử lý vi khuẩn kháng thuốc để cải tiến công nghệ và quy trình vận hành.

4. Cơ quan quản lý thuốc và kháng sinh: Dựa trên dữ liệu về sự lan truyền ESBL E. coli để điều chỉnh chính sách sử dụng kháng sinh hợp lý trong cộng đồng và nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. ESBL E. coli là gì và tại sao nó nguy hiểm?
   ESBL E. coli là vi khuẩn E. coli sản xuất enzyme extended-spectrum β-lactamase, làm mất tác dụng của nhiều kháng sinh β-lactam thế hệ mới. Nó gây khó khăn trong điều trị và có thể dẫn đến nhiễm trùng nghiêm trọng.

2. Tại sao môi trường nước đô thị lại là nơi tập trung ESBL E. coli?
   Nước đô thị nhận nước thải sinh hoạt, bệnh viện và nông nghiệp chứa vi khuẩn kháng thuốc và gen kháng thuốc, tạo điều kiện cho sự phát triển và lan truyền ESBL E. coli.

3. WWTP có thể loại bỏ hoàn toàn ESBL E. coli không?
   Hiện tại, WWTP chỉ giảm tải ESBL E. coli khoảng 1-2 log CFU/100 mL, chưa thể loại bỏ hoàn toàn do công nghệ xử lý chưa tối ưu cho vi khuẩn kháng thuốc.

4. Gen blaCTX-M nhóm 1 và nhóm 9 có ý nghĩa gì?
   Đây là các nhóm gen mã hóa enzyme ESBL phổ biến nhất, giúp vi khuẩn kháng lại nhiều loại kháng sinh cephalosporin, góp phần lan truyền kháng thuốc.

5. Làm thế nào để giảm thiểu sự lan truyền ESBL E. coli trong môi trường?
   Cần kết hợp xử lý nước thải hiệu quả, giám sát đa ngành, sử dụng kháng sinh hợp lý và nâng cao nhận thức cộng đồng về AMR.

Kết luận

• ESBL E. coli xuất hiện phổ biến trong nước thải và nguồn nước đô thị miền Bắc Việt Nam với tỷ lệ từ 10-30%.
• Các chủng ESBL E. coli đa kháng với nhiều nhóm kháng sinh, đặc biệt là ampicillin, sulfamethoxazole/trimethoprim và tetracycline.
• Gen blaCTX-M nhóm 1 chiếm ưu thế, phản ánh xu hướng toàn cầu về lan truyền gen kháng thuốc.
• Nhà máy xử lý nước thải hiện tại chỉ giảm tải ESBL E. coli ở mức trung bình, cần cải tiến công nghệ xử lý.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách kiểm soát AMR và phát triển công nghệ xử lý nước thải phù hợp tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Triển khai các giải pháp xử lý nước thải nâng cao, thiết lập hệ thống giám sát AMR đa ngành, và thúc đẩy sử dụng kháng sinh hợp lý trong cộng đồng. Đề nghị các nhà quản lý, nhà nghiên cứu và đơn vị vận hành WWTP phối hợp thực hiện để giảm thiểu nguy cơ lan truyền vi khuẩn kháng thuốc trong môi trường nước.