Потенциал построенных водно-болотных угодий для снижения устойчивости к антибиотикам в водных системах
Растущая угроза устойчивости к антибиотикам в водной среде
Устойчивость к антибиотикам возникла как один из самых неотложных кризисов общественного здравоохранения 21-го века, угрожая подорвать десятилетия прогресса в лечении инфекционных заболеваний. Всемирная организация здравоохранения классифицировала устойчивость к антибиотикам как глобальную чрезвычайную ситуацию в области здравоохранения, предупреждая, что без срочных действий обычные инфекции и незначительные травмы могут снова стать смертельными. В то время как клиническое чрезмерное использование антибиотиков получает значительное внимание, менее признана критическая роль, которую водные системы играют в распространении и сохранении устойчивых бактерий и генов устойчивости. Сточные воды из больниц, фармацевтического производства, сельского хозяйства и домашних хозяйств несут антибиотики, устойчивые к антибиотикам бактерии (ARB) и гены устойчивости к антибиотикам (ARG) непосредственно в реки, озера и грунтовые воды. Как только эти элементы попадают в водную среду, они могут распространяться горизонтально среди микробных сообществ, создавая экологические резервуары устойчивости, которые могут в конечном итоге циклически вернуться к людям через питьевую воду, ирригацию и рекреационное воздействие.
Источники устойчивости к антибиотикам в воде
Устойчивость к антибиотикам поступает в водные системы по нескольким путям. Муниципальные очистные сооружения являются первичными точечными источниками, поскольку обычные процессы очистки часто не в состоянии полностью удалить антибиотики и АРБ. Во многих развивающихся регионах необработанные сточные воды сбрасываются непосредственно в поверхностные воды, усугубляя проблему. Сельскохозяйственный стоок от операций по животноводству вводит высокие концентрации антибиотиков, используемых в качестве стимуляторов роста и профилактических средств, наряду с переносимыми навозом устойчивыми бактериями. Фармацевтический производственный стоок, особенно из регионов со слабым регуляторным надзором, может содержать концентрации антибиотиков, намного превышающие терапевтические уровни, создавая экстремальное давление отбора в приемных водах. Операции по аквакультуре также вносят значительные нагрузки антибиотиков в водные экосистемы. Вместе эти входы создают сложную смесь химических и биологических загрязнителей, которые стимулируют эволюцию и распространение устойчивости в природных водоемах.
Воздействие на окружающую среду и здоровье
Наличие антибиотиков и генов устойчивости в воде представляет прямой и косвенный риск. В экологическом отношении гены устойчивости могут интегрироваться в геномы местных бактерий, включая оппортунистические патогены, создавая длительное загрязнение экосистем. Риски для здоровья возникают, когда люди подвергаются воздействию водостойких бактерий, пьющих необработанную воду, плавающих или потребляющих культуры, орошаемые загрязненной водой. Растущий объем эпидемиологических данных связывает устойчивость к антибиотикам окружающей среды с повышенными показателями трудноизлечимых инфекций в сообществах, особенно для патогенов, таких как , Klebsiella pneumoniae и ]. Кроме того, распространение мобильных генетических элементов, таких как интегроны и плазмиды, ускоряет горизонтальный перенос устойчивости по видам бактерий, что делает проблему самоувековечивания. Решение проблемы устойчивости к антибиотикам в ее источнике окружающей среды, поэтому необходимо для защиты как общественного здравоохранения, так и экологической целостности.
Как работают построенные водно-болотные угодья: естественная система обработки
Построенные водно-болотные угодья представляют собой инженерные экосистемы, которые используют естественные физические, химические и биологические процессы для очистки сточных вод. В отличие от обычных механических систем очистки, которые полагаются на энергоемкие аэрации, фильтрации и химического дозирования, построенные водно-болотные угодья работают с минимальным внешним входом энергии, используя водно-болотную растительность, почвы и связанные с ними микробные сообщества для удаления загрязняющих веществ. Эти системы предназначены для имитации способности самоочищения природных водно-болотных угодий, но построены с контролируемой гидрологией и субстратом для оптимизации эффективности обработки. Фундаментальный принцип заключается в том, что вода течет через среду, богатую растениями, микробами и реактивными поверхностями, где загрязняющие вещества удаляются через осаждение, фильтрацию, адсорбцию, поглощение растений и микробную деградацию. Недавние исследования расширили понимание того, как эти процессы могут специально нацеливаться на возникающие загрязняющие вещества, такие как антибиотики и устойчивые к антибиотикам бактерии.
Виды построенных водно-болотных угодий
Три основных типа построенных водно-болотных угодий используются для очистки сточных вод, каждый с различными характеристиками, которые влияют на их эффективность против устойчивости к антибиотикам. Свободные водные поверхности (FWS) водно-болотные угодья (FLT:1]] состоят из мелководных бассейнов, засаженных эмерджентной растительностью, где вода течет над подложкой. Эти системы обеспечивают достаточное воздействие солнечного света и аэробные условия в водной колонне, но могут быть менее эффективными для удаления патогенов из-за короткого замыкания и ограниченного контакта с реактивными поверхностями. Горизонтальные подземные потоки (HSSF) водно-болотные угодья (HSSF)) имеют воду, протекающую горизонтально через пористый субстрат, обычно гравий или песок, где она остается ниже поверхности. Эта конструкция минимизирует воздействие человека и уменьшает размножение комаров, одновременно способствуя анаэробным условиям, которые поддерживают различные микробные сообщества. [[FLT
Ключевые механизмы удаления генов антибиотиков и резистентности
Построенные водно-болотные угодья снижают устойчивость к антибиотикам посредством нескольких взаимосвязанных механизмов. Физическая фильтрация удаляет взвешенные твердые вещества, в том числе бактерии, прикрепленные к частицам, эффективно снижая общую нагрузку ARB, поглощая частицы и связанные с ними микроорганизмы.Адсорбция играет главную роль в удалении самих антибиотиков.Адсорбция многих антибиотиков представляет собой органические соединения с химическими структурами, которые связываются с органическими веществами почвы, глинистыми минералами и биопленками на корнях растений и поверхностях субстратов.Биодеградация микробных консорциумов, обитающих в водно-болотных биопленках, является основным путем устранения антибиотиков.Специализированные бактерии, часто в синергетических отношениях с растениями, могут разрушать молекулы антибиотиков
Научные данные: эффективность построенных водно-болотных угодий против устойчивости к антибиотикам
Быстро расширяющийся объем рецензируемых исследований показал, что хорошо спроектированные построенные водно-болотные угодья могут значительно снизить концентрации антибиотиков, ARB и ARG в сточных водах. Метаанализ 2021 года 56 исследований показал, что построенные водно-болотные угодья удаляются в среднем на 80-90% от общего количества протестированных антибиотиков, при этом эффективность удаления варьируется в зависимости от класса антибиотиков и дизайна водно-болотных угодий. Наиболее эффективные системы достигли скорости удаления, превышающей 99% для некоторых соединений, особенно для тех, которые подвержены аэробной биодеградации, таких как ибупрофен и сульфаметоксазол. Для устойчивых к антибиотикам бактерий были зарегистрированы значения сокращения бревен от 2 до 4, что означает снижение культивируемых устойчивых бактерий на 99% до 99,99%. Важно отметить, что несколько исследований показали, что построенные водно-болотные угодья не только уменьшают абсолютное обилие ARG, но и уменьшают их относительное обилие, нормализованное до общего количества бактерий, что указывает на то, что селективное преимущество для устойчивости уменьшает
Тематическое исследование: Муниципальная очистка сточных вод
Заметное исследование, проведенное на полномасштабной построенной водно-болотной угодье, обрабатывающей муниципальные сточные воды в Испании, измерило удаление 15 различных антибиотиков в течение одного года. Система, гибрид горизонтальных и вертикальных водно-болотных угодий, посаженных с Phragmites australis (обычный тростник), достигла средней эффективности удаления, превышающей 90% для большинства антибиотиков, включая эритромицин, ципрофлоксацин и триметоприм. Важно отметить, что концентрации генов устойчивости tetW, sul1blaCTX-M были снижены на 2-3 порядка в стоках по сравнению с водно-болотными угодьями. Исследование также показало, что структура микробного сообщества в
Сельскохозяйственный стоок и отходы животноводства
Построенные водно-болотные угодья показали особую перспективность для лечения сельскохозяйственного стока, который часто содержит высокие уровни антибиотиков от ветеринарного использования. Долгосрочное исследование водно-болотных угодий, обрабатывающих сток молочных ферм в Соединенных Штатах, сообщило о сокращении тетрациклина и сульфонамида на 85-95%, с соответствующим снижением генов тетрациклиновой резистентности tetO и tetW. Водно-болотная растительность, в первую очередь хвои (]TyphaTypha.Schoenoplectus spp., было обнаружено, что накапливаются антибиотики в корневых тканях, а микробное сообщество ризосферы продемонстрировало высокие показатели деградации антибиотиков. Другой исследовательский проект в Китае оценил серию свободных водно-бол
Проектирование и оперативные соображения для максимального снижения сопротивления
В то время как все построенные водно-болотные угодья обеспечивают некоторый уровень смягчения устойчивости к антибиотикам, оптимизация конструкции и эксплуатации может существенно повысить производительность. Ключевые факторы включают гидравлическое время удержания (HRT), состав субстрата, выбор растительности и скорость загрузки. Более длительные ЗГТ, обычно 5-10 дней для продвинутой обработки, позволяют проводить больше времени для процессов биодеградации и адсорбции. Выбор материала субстрата влияет на способность адсорбции; материалы с высоким содержанием органического вещества, такие как торф или компост, как правило, сорбируют антибиотики более эффективно, чем только гравий или песок. Включение реактивных сред, таких как биоуголь или цеолит, может дополнительно улучшить удаление конкретных антибиотиков и металлов, которые могут совместно выбирать для устойчивости.
Время удержания и ставки загрузки
Исследования показывают, что ЗГТ, по крайней мере, 7 дней, необходимы для достижения значительного сокращения большинства АРГ, при этом более длительное время приводит к большему удалению. Однако чрезмерно длительные ЗГТ могут приводить к анаэробным условиям, которые могут замедлять аэробные пути деградации. Периодическая нагрузка, особенно в вертикальных водно-болотных угодьях, усиливает перенос кислорода и способствует росту аэробных бактерий, способных разрушать антибиотики более быстро. Скорость загрузки должна быть тщательно спланирована, чтобы предотвратить засорение и короткое замыкание, которые могут создавать мертвые зоны, где антибиотики и устойчивые бактерии сохраняются. Системы распределения потока, обеспечивающие равномерное распределение воды по водно-болотному ложу, имеют решающее значение для постоянной работы.
Выбор растительности и синергия растительных микробов
Водно-болотные растения являются не просто пассивными каркасами, но активными участниками снижения устойчивости к антибиотикам. Виды с глубокими волокнистыми корневыми системами обеспечивают обширную площадь поверхности для развития биопленки и высвобождения кислорода в ризосферу, поддерживая аэробную деградацию. Фрагмиты australis (обычный тростник) широко используются из-за его высокой биомассы, глубоких корней и толерантности к богатым питательными веществами условиям. Тифа Виды (хвосты) также эффективны, особенно для водно-болотных угодий поверхностного потока. Появляющиеся исследования показали, что некоторые виды растений могут влиять на состав микробного сообщества способами, которые благоприятствуют чувствительным к антибиотикам бактериям по сравнению с резистентными штаммами. Например, корневые экссудаты Iris pseudacorus (желтый радужный о
Подстраивают материалы и адсорбционную способность
Подложка действует как физический фильтр, так и химический сорбент. Традиционные подложки, такие как гравий, имеют ограниченную адсорбционную способность, приводящую к насыщению с течением времени и потенциальному высвобождению ранее сорбированных антибиотиков. Для решения этой проблемы исследователи тестируют усиленные подложки. Биоуголь, богатый углеродом материал, полученный из пиролиза биомассы, обладает высокой площадью поверхности и способностью к катионному обмену, что делает его отличным для сорбирования органических загрязнителей, включая антибиотики. Исследования показали, что включение биочара в построенные водно-болотные угодья может увеличить удаление антибиотиков на 20-40% по сравнению с обычным гравием. Аналогичным образом, пески с оксидом железа могут сорбировать фосфор и металлы, но также связывают определенные антибиотики посредством комплекции. Использование слоистого подложки с различными материалами может захватывать более широкий спектр загрязняющих веществ. Регулярное обслуживание, включая удаление накопленного шлама и периодическую замену субстрата, может быть необходимо для поддержания адсорбционной способности и
Проблемы и ограничения
Несмотря на их обещание, построенные водно-болотные угодья не являются панацеей от устойчивости к антибиотикам. Требования к площади суши являются основным ограничением; построенные водно-болотные угодья обычно требуют 1-5 га на 1000 кубических метров ежедневного потока, что делает их непрактичными для густонаселенных городских районов, где земля дорогая. Чувствительность к климату влияет на производительность, особенно в холодном климате, где биологическая активность замедляется и растения стареют в зимний период. Непостоянная эффективность удаления для ARGs может значительно снизиться. Непостоянная производительность из-за штормовых событий, колебания концентраций влаги и сезонных изменений создает проблемы для восстановления стойких бактерий в водно-болотных угодьях или сточных водах вызывает беспокойство; если
Будущие направления и интеграция с другими технологиями
Для преодоления этих ограничений будущие исследования и разработки должны сосредоточиться на оптимизации построенных конструкций водно-болотных угодий и интеграции их с другими технологиями обработки. Передовые процессы окисления (AOPs) , такие как озонирование, УФ-фотолиз и реакции Фентона, могут применяться в качестве этапа после обработки для полировки стоков водно-болотных угодий, уничтожения остаточных антибиотиков и инактивации ARB. Комбинация использует недорогие, низкоэнергетические характеристики водно-болотных угодий для удаления сыпучих веществ при использовании AOPs для целенаправленной полировки. Электробиоремедиация Методы, такие как микробные топливные элементы, интегрированные в субстраты водно-болотных угодий, могут усиливать биодеградацию путем подачи электронов для стимуляции микробного метаболизма. Фиторемедиация с помощью инженерных растений , которые чрезмерно экспрессируют ферменты для деградации антибиотик
Заключение
Построенные водно-болотные угодья представляют собой мощное, основанное на природе решение для снижения нагрузки устойчивости к антибиотикам в водных системах. Благодаря интегрированным физическим, химическим и биологическим процессам эти инженерные экосистемы могут эффективно удалять антибиотики, устойчивые к антибиотикам бактерии и гены устойчивости из сточных вод, сельскохозяйственного стока и других загрязненных источников воды. В то время как проблемы, связанные с землепользованием, климатом и согласованностью характеристик, сохраняются, продолжающиеся исследования по оптимизации проектирования, улучшенным субстратам и синергетическим очистным поездам продолжают расширять практическую применимость построенных водно-болотных угодий. Поскольку глобальное сообщество борется с эскалацией кризиса устойчивости к антибиотикам, включение построенных водно-болотных угодий в интегрированные стратегии управления водными ресурсами предлагает устойчивый, низкоэнергетический и экологически выгодный подход к защите как окружающей среды, так и здоровья человека. Продолжение инвестиций в исследования, развитие технологий и развертывание имеет важное значение для полной реализации их потенциала в защите наших водных ресурсов от угрозы устойчивости к антибиотикам.