科研 | Water Research:医院和社区污水中E. coli与城市污水处理厂废水中E. coli的多样性和耐药性的比较
本文由艾奥里亚编译，十九、江舜尧编辑。
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本研究分别在医院（HW）、社区（CW）以及城市污水处理厂（WWTP）三个采样点收集了一年的废水样本，在这些样本中监测了指示性生物E. coli的细菌多样性和耐药性模式。我们比较了不同类型废水中的抗生素耐药水平，并探究了在废水系统中的耐药菌株是否具有区域性特点。分别对分离自HW（n=2644）、CW（n=2525）和UW（n=2693）的E. coli进行生化表型分析，同时对这些分离株对9种抗生素的药敏进行了试验。3个采样点的总E. coli表型多样性相似（辛普森多样性指数，Di≡0.973），但在个体样本中，HW表现出较低的多样性（中位数Di=0.800），CW样本的多样性较高（中位数Di=0.936），UW样本的多样性与所有分离株的多样性相似（中位数Di=0.971）。45%的HW分离株、44%的CW分离株和33%的UW分离株对9种抗生素中的至少一种表现出耐药性。这些分离株对庆大霉素和氯霉素的耐药率较低（分别为3.2%和5.3%），而对四环素和氨苄青霉素的耐药率最高（分别为24%和31%）。产超广谱β-内酰胺酶E. coli （ESBL-EC）在HW样本（11.5%）和CW样本（6.9%）中比在UW样本（3.7%）中更常见。来自UW（n=99）的ESBL-EC分离株存在较高的多样性（Di=0.974），表明这些菌株之间没有克隆结构。常见的PhP型ESBL-EC在所有HW样本中都占有主导地位，而CW中的ESBL-EC表现出较低的多样性（Di=0.857），并且在几乎所有CW样本中都以一种特定的PhP型为主。医院污水中的抗生素耐药率最高，但与城市污水相比，被研究的社区废水中的抗生素耐药率也很高。在耐药细菌向污水处理厂传播方面，HW的相对贡献似乎较低。
论文ID
原名：Diversity and antibiotic resistance among Escherichia coli populations in hospital and community wastewater compared to wastewater at the receiving urban treatment plant
译名：医院和社区污水中E. coli与城市污水处理厂废水中E. coli的多样性和耐药性的比较
期刊：Water Research
IF：7.913
发表时间：2019
通信作者：Erik Paulshus
通信作者单位：挪威生命科学大学（Norwegian University of Life Sciences）
实验设计
本研究选取了三个不同的采样点，以便将医院污水与非医院污水作比较（图1）。其中医院污水（HW）采自Oslo University医院的出水口，这是一家拥有500多张病床的中型三级护理医院。社区废水（CW）采自Oslo城外一个地区的废水泵站，该点废水完全来自于大约510名居民的住宅区，因此所提供的废水不需要医院和疗养院等医疗机构的贡献，也不包括任何形式的农业影响。城市污水（UW）收集自污水处理厂（WWTP）Vestfjorden AVLøpsselskap（VEAS）入口处。该厂处理来自Oslo、Asker、Bærum、Røyken和Nesodden市60多万居民的废水，包括本研究中使用的医院和社区采样点的废水。与从前两个地点收集的样本相比，为了在污水处理厂内能收集“平行”的废水样本，对从医院（6h）和社区（4h）出口到污水处理厂进水口的废水的估计行程时间进行了补偿，即在三个采样点分时段分别进行了样本收集，HW样本在早上8点采集，CW样本在上午10点采集，UW样本在下午2点采集。
从2016年6月至2017年5月，每月从三个采样点同时收集未经处理的原水。每月采集三份样本，连续三天每天采集一份。每个样本由24个200毫升的样品组成，即每小时收集一次，持续24小时。所有采样器在每日取样之间用水冲洗，用0.1-1%的次氯酸钠清洗，每月用70%乙醇清洗。
图1 废水取样点及其在废水运输基础设施中的大致地理位置（红线）
实验结果
1 样本与种群结构
从CHROM琼脂糖培养基上共分离得到8640个E. coli进行后续分型和耐药性测定（表1）。在这些分离株中，有778例（9%）的菌株不能证实为纯E. coli，被排除在进一步分析之外。所有样本中均含有大量的E. coli，但不同采样点的浓度具有很大差异（表2）。所有采样点的总的E. coli数量具有相似性，然而，基于对不同采样点的80个分离株进行分析可以发现，样本来源之间具有明显的差异（表2）。在HW采样点中的单个样品中，E. coli的组成往往由属于同一PhP类型和抗性类型的菌株组成，因此差异较小。CW样本中E. coli的多样性高于HW样本的多样性（p<0.001），UW样本中的E. coli的多样性最高（p<0.0001），与研究的菌株中总的多样性值相似（p<0.05）（图2）。
表1 对样品和E. coli分离株进行了研究
表2 36个样品的特征。CFU代表在CHROM琼脂糖培养基上的E. coli的菌落数量，DI代表多样性指数。
图2 所有样本的多样性。每个采样点的中位数以实线表示，在整个取样过程中，所有城市废水样本似乎都具有高度的多样性（0.96，虚线），而医院样本则显示出很大的差异。
2 抗生素耐药性
所有被研究的E. coli分离株中有42%的分离株对本研究使用的9种抗生素中的至少一种具有耐药性。图3计算了每个样本类型对不同抗生素的耐药率。HW样本中分离株对所有抗生素的耐药率最高，而UW样本中分离株的耐药率最低。在CW样本中，与MARtotal相比，MARtype有所减少（表3），这表明CW分离株的高耐药率在一定程度上是由于耐M型或C型菌株的存在所致。相比之下，与分离株的中数相比，HW和UW显示了相对较高的PhP型特异性MARtype型指数（表3）。
图3 在整个取样期间，不同废水源分离得到的E. coli对每种抗生素的耐药率。对于所有抗生素，医院废水的耐药率最高，而城市废水的耐药率最低，amp代表氨苄青霉素；ctx代表头孢噻肟；chl代表氯霉素；cip代表环丙沙星；gen代表庆大霉素；nal代表萘二酸；；pod代表头孢泊肟）；tet代表四环素；tmp代表甲氧苄啶。
表3 样品中存在相同PhP模式的多株分离物对MAR指数的影响。MARtotal代表利用从各个采样点获得的所有E. coli分离物的耐药数据进行了计算；MARtype代表每个样本只使用来自每种PhP类型的数据进行计算，而不管其在各自样本中的流行程度如何。
2.1 多重抗生素耐药性
在7862株分离株中，仅有53株（0.7%）同时对庆大霉素和氯霉素表现出耐药性，其中38株是从医院污水中分离出来的，其中大多数（n≡21）具有相同的表型和耐药模式，且分离自同一标本，因此很可能是一个单一的克隆。只有73株分离株（0.9%）对至少8种抗生素表现出多重耐药情况（图4）。只有10株分离株对所有9种抗生素都完全耐药，这些菌株也是同时对庆大霉素和氯霉素都表现出耐药性的菌株。
图4 聚类PhP分型数据显示所有废水样本的多重耐药E. coli与其相应的采样点来源（医院-HW：黑圈；社区-CW：灰圈；城市-UW：白圈）和抗性曲线之间的表型关系。所有菌株对所有9种抗生素均有耐药性或是对除庆大霉素或氯霉素以外均有耐药性；R代表具有抗性；S代表易感性。
2.2 产β-内酰胺酶的大肠杆菌（ESBL-EC）
ESBL-EC在HW样本中比在CW和UW样本中更常见（表4）。从UW分离的ESBL-EC与UW分离得到的总的E. coli相似，均表现出高度多样性，表明这些菌株之间没有克隆结构。ESBL-EC在HW中表现出较低的多样性，这主要是由于ESBL-EC特异性表型在某些样本中占主导地位。事实上，在从HW中分离出来的303个ESBL-EC中，有160个属于常见的PhP类型，而这些PhP类型在多个样本中无法被鉴定。相比之下，在CW，几乎在所有采样点都发现了一种具有特定PhP类型和一致抗性模式的ESBL-EC，导致这些样本中ESBL-EC种群的多样性较低（表4）。这种特殊的PhP-AREB（表型和耐药性）模式在整个研究过程中采集的所有其他样本中几乎没有。另一种PhP类型（具有与上述相同的抗性图谱），也在较低的数量中被发现（8个分离物），但在社区采样点中多次发现。
表4 在不同来源的废水样本中观察到假定的ESBL-ECS流行率。Di表明ESBL-EC菌株的多样性。
2.3 抗生素耐药的共生关系
图5显示了所有7862株菌株对9种抗生素的耐药率之间的关系。对ESBL标记抗生素头孢噻肟和头孢泊肟的耐药性相关性最高（0.82），但喹诺酮类、环丙沙星和萘啶酸的共存率也较高（0.67）。对氨苄青霉素、四环素和甲氧苄啶的耐药性似乎是相关的，但相关性较小，而对庆大霉素和氯霉素的耐药性与其他耐药性无关。
图5 在总的E. coli分离株中，对9种抗生素的的共生耐药性特点。有关抗生素缩写的解释，见图3。
3 耐药大肠埃希菌群的相似之处
为了直观显示不同采样点耐药性E. coli种群之间的相似性，即能否在污水处理厂中观察到与源HW和CW相同的耐药细菌，利用PhP-AREB数据计算不同采样点的E. coli种群之间的群体相似系数（表5）。HW和CW与来自VAS WWTP的UW中的耐药E. coli种群的相似性均高于它们彼此之间或与来自Stockholm的非相关UW中的种群的相似程度。因此，HW和CW对到达污水处理厂的耐药E. coli都存在一定的影响。
表5 不同采样点抗性细菌种群间的种群相似性系数（Sp）。HW：医院废水；CW：社区废水；UW：城市废水；UWS：来自斯德哥尔摩的城市废水。
总结
从废水样本中检测E. coli的耐药性水平，可以代表相应人群的抗生素耐药性水平，并可作为社会耐药模式变化的预警系统。可靠的结果取决于精确和彻底的取样以及质量控制，以避免在对相同菌株进行重复分析的基础上得出结论。城市污水样本中的E. coli高度多样化，似乎很好地代表了城市人口中的E. coli菌群，而来自医院和社区废水的样本中的E. coli多样性较小，经常以来自单个个体或在废水系统中生长的菌株为主。医院和社区污水中耐药E. coli水平较高，而污水处理厂E. coli的耐药水平较低。在一年内采集的大多数社区废水样本中发现了一种似乎是地方特有的多重耐药性E. coli。由于本研究中医院废水的相对贡献很低，WWTPs中的大多数抗药性细菌很可能是由于这些细菌在城市社会总人口中的存在而产生的。与此处所列其他地点相比，医院废水中对抗生素有抗药性的E. coli水平不足以建议实施当地处理措施。
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