Une étude révèle que les eaux usées sont une origine potentielle pour les gènes mobiles de résistance aux antibiotiques

Dans un article récent publié dans le Revue de biologie des communications, des chercheurs suédois ont trouvé de nouvelles preuves en faveur de l’hypothèse selon laquelle les eaux usées et les usines de traitement des eaux usées (WWTP) présentaient un environnement faisable pour mobiliser les gènes de résistance aux antibiotiques (ARG) dans le passé.

Ils ont également soulevé des inquiétudes quant au fait que la mobilisation d’ARG supplémentaires pourrait également se produire dans les eaux usées et les stations d’épuration à l’avenir.

Étude: Preuve que les eaux usées sont des environnements où émergent des gènes mobiles de résistance aux antibiotiques. Crédit d’image : rhendrix/Shutterstock.com

Arrière-plan

Des études ont trouvé des liens entre presque toutes les espèces d’origine ARG identifiées et les infections chez les humains et les animaux. Ainsi, les premiers chercheurs pensaient que leurs ARG correspondants provenaient également du microbiote humain ou animal, probablement en raison de la pression de sélection due à l’utilisation d’antibiotiques.

Quelle que soit leur origine, l’augmentation de la résistance aux antibiotiques chez les espèces microbiennes pathogènes (via l’acquisition d’ARG mobiles) est devenue un problème de santé publique majeur dans le monde. Mais, plus important encore, de nombreux ARG ont augmenté leur mobilisation en acquérant de petits éléments transposables, par exemple, des séquences d’insertion (IS), et une fois mobilisés, ils pourraient se propager encore plus rapidement.

Les connaissances actuelles sur le(s) type(s) d’environnement possible(s) pour la mobilisation de l’ARG et le processus de mobilisation sont limitées. Les chercheurs émettent l’hypothèse que de nombreux ARG cliniquement pertinents proviennent de bactéries environnementales mais ne les ont pas encore détectés dans les agents pathogènes. Ainsi, l’identification des espèces d’origine dans lesquelles bon nombre des ARG mobiles fréquemment rencontrés aujourd’hui ont gagné en mobilité est cruciale.

Récemment Ebmeyer et al. ont résumé les preuves scientifiques sur les origines des ARG mobiles, comment ils sont passés d’être hautement immobiles sur un chromosome à être facilement transférables en établissant une connexion avec des éléments génétiques mobiles, et ont proposé des moyens d’identifier les espèces d’origine ARG.

Il existe suffisamment de preuves pour montrer que près de 30 ARG proviennent de 23 espèces d’origine unique, et les indications des éléments IS de ces espèces jouent un rôle dans le processus de mobilisation, appelé séquences d’insertion mobilisantes (MISE).

À propos de l’étude

Dans cette étude, les chercheurs ont étudié 22 espèces d’origine ARG définies par Ebmeyer et al. pour trouver des environnements où la mobilisation initiale de ces ARG a probablement eu lieu. Ils ont développé une méthode basée sur l’approche Kraken2 opérant directement sur de courtes lectures génomiques, ainsi qu’une base de données bien optimisée sur mesure pour quantifier précisément la présence de ces espèces d’origine dans un échantillon test. L’équipe a également récupéré des génomes complets ou représentatifs de certaines espèces de l’assemblée du National Center for Biotechnology Information (NCBI).

De plus, ils ont extrait toutes les séquences annotées en tant que plasmides car elles contiennent souvent de nombreux éléments génétiques mobiles. Notamment, ils ont utilisé des régions discriminatoires de l’ADN pour la classification des espèces d’origine.

De tous les fragments classés au niveau de l’espèce, certains ont été faussement classés comme espèce d’origine. Ainsi, les chercheurs ont défini les paramètres Kraken2 pour limiter le taux de faux positifs (FPR). Ensuite, les chercheurs ont estimé que le taux médian de vrais positifs (TPR) pour identifier les espèces d’origine était de 0,95, tandis que le FPR était de 9,59 × 10⁻⁷.

L’équipe a finalement évalué la fraction de vrais et de faux positifs en mars 2021, qui a atteint un TPR moyen de 0,97 pour des lectures de longueurs comprises entre 100 et 150 paires de bases. En outre, les chercheurs ont analysé un vaste ensemble de données métagénomiques provenant de plusieurs environnements pour la présence et l’abondance des espèces d’origine et leur MISE correspondant.

Ils ont divisé les 30 ensembles de données en ensembles plus petits de sept, quatre, quatre, neuf et six en cinq catégories : humain, animal, sol, eau/sédiments et stations d’épuration, respectivement. Il y avait 2 496 échantillons uniques avec un minimum de 20 millions de fragments, que l’équipe a traités à l’aide d’un pipeline construit en interne.

Post-traitement et analyse, les résultats de l’analyse brute ont été analysés en Python et rassemblés sous forme de tableaux de comptage. Enfin, les chercheurs ont utilisé les tests de Wilcoxon-Mann-Whitney pour évaluer la différence d’abondance entre les environnements et l’algorithme de Benjamini-Hochberg pour estimer le taux de fausses découvertes (FDR).

Résultats

Les résultats de l’étude ont montré que presque toutes les espèces d’origine connues pour les ARG mobiles étaient sensiblement plus abondantes dans les eaux usées et, dans une certaine mesure, dans les eaux/sédiments contaminés, en particulier ceux contaminés par des matières fécales humaines.

Une petite fraction des échantillons de selles présentait également une abondance relativement élevée de quelques espèces d’origine. Cependant, de manière frappante, la plupart des espèces d’origine manquaient de MISE correspondant dans les génomes analysés, ce qui indique qu’un matériel génétique supplémentaire, potentiellement étranger, était présent dans les types d’environnement étudiés pour que l’ARG acquière une mobilité intracellulaire.

Ces MISE étaient également les plus abondants dans les affluents des stations d’épuration, fournissant de nouvelles preuves pour les eaux usées et les stations d’épuration en tant qu’environnements possibles où la mobilisation des ARG s’est produite et où d’autres ARG pourraient se mobiliser à l’avenir. À l’inverse, ces MISE étaient nettement moins fréquents dans les métagénomes des selles humaines.

Ainsi, des centaines d’humains pourraient être le site de mobilisation d’ARG car ils portent des espèces d’origine, peut-être en tant que membres transitoires de leur microbiome intestinal en abondance relativement faible. À l’opposé, dans les affluents des stations d’épuration, les espèces d’origine étudiées et le MISE correspondant coexistent presque toujours (en abondance) avec un mélange d’antibiotiques.

À l’exception de Hafnia paralvéiqui, en moyenne, était plus abondante dans le microbiote humain mais pas substantiellement, l’abondance relative moyenne des autres espèces d’origine était plus faible dans le microbiote humain par rapport aux autres types d’environnement.

Entre autres espèces, Rheinheimera pacifica était le plus abondant dans l’influent de la station d’épuration de deux sites d’aquaculture en Chine. Les algues Shewanella, principalement trouvées dans les échantillons marins, étaient, en moyenne, plus abondantes dans les environnements autres que les stations d’épuration.

De plus, 81 échantillons de selles humaines provenant de sujets traités avec des antibiotiques présentaient une abondance significativement plus élevée de Enterobacter mori. Les chercheurs ont noté des différences substantielles entre les échantillons de selles de différents pays.

Fait intéressant, les chercheurs ont également détecté certaines espèces d’origine dans des environnements liés au sol, par exemple, Rheinheimera pacifica dans les prairies en Argentine et Avenue Hafnia dans les terres agricoles en Finlande.

Seule une minorité d’espèces d’origine portait MISE associé à la mobilisation de l’ARG correspondant, ce qui suggère que dans de nombreux cas, la mobilisation intracellulaire nécessitait l’acquisition de MISE d’une autre espèce microbienne, directement ou indirectement, par exemple, par le biais de fragments d’acide désoxyribonucléique (ADN) libres. .

Les auteurs ont noté que l’abondance relative moyenne du MISE était la plus élevée dans les effluents hospitaliers non traités et les affluents de la station d’épuration, ainsi que dans les excréments de volaille.

Protéobactéries les espèces dominaient la composition microbienne des échantillons obtenus à partir des ensembles de données de station d’épuration et d’eau/sédiments. D’autre part, Actinobactéries ou Protéobactéries dominaient la plupart des environnements pédologiques, et un mélange de Firmicutes, Bacteroideteset Actinobactéries compris les environnements humains et animaux. Deux ensembles de données aquatiques, par exemple le lac Kazipally, largement pollué par des antibiotiques provenant de la fabrication de médicaments, présentaient une abondance relative plus élevée pour la plupart des espèces d’origine.

conclusion

Les chercheurs antérieurs pensaient que l’intestin humain et animal était un environnement probable pour la mobilisation et le transfert des ARG aux agents pathogènes. Cependant, l’étude actuelle a présenté de nouvelles connaissances sur l’abondance des espèces d’origine et les éléments mobilisateurs associés dans différents environnements et a désigné les eaux usées comme le site le plus faisable pour mobiliser les ARG connus.

Étant donné que seule une minorité des espèces d’origine portaient leur MISE correspondant, la forte abondance de MISE dans les stations d’épuration n’était pas due à la forte abondance des espèces d’origine dans les stations d’épuration. Au lieu de cela, certains facteurs non aléatoires ont probablement conduit ce processus de mobilisation.

Il y a un besoin urgent d’efforts concertés pour étudier les espèces d’origine reconnues et les ARG, gérer les nouvelles menaces et mieux comprendre le mécanisme, les moteurs et les facteurs environnementaux impliqués dans la mobilisation des ARG.

Néanmoins, les eaux usées dans le monde pourraient rester un environnement propice à des événements de mobilisation répétés ; ainsi, il mérite plus d’attention dans les efforts de surveillance.

Une bonne gestion des eaux usées pourrait réduire les risques de transmission environnementale de plusieurs agents pathogènes et l’apparition de nouvelles menaces de résistance. Pourtant, il semble y avoir un besoin urgent de mesures d’atténuation plus efficaces pour réduire considérablement la libération de bactéries dans l’environnement.