ECOLOGICAL CHARACTERISTICS OF ANTIBIOTIC RESISTANCE OF CONDITIONALLY PATHOGENIC MICROORGANISMS PERSISTENT IN HYDROECOSYSTEMS
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Biology; Professor of the Department of Hydrobiology and General Ecology)
2.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Biology; Assistant Professor of the Department of Hydrobiology and General Ecology)
Type:
Article
Pages:
from 53
to 57
Status:
Published
Received:
05.12.2018
Accepted:
25.12.2018
Published:
25.12.2018
Subject area:
UDK [579.26:574.5]: [579.68:577.18]
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
Language:
Russian
Keywords:
antibiotic resistance, conditionally pathogenic microflora, anthropogenesis, aquaculture, bacteria, water reservoir, hydroecosystems
Abstract (English):
The article provides an overview of investigating antibiotic resistance of conditionally pathogenic microflora circulating in different hydroecosystems. It has been stated that the process of spreading antibiotic resistance in bacteria around the world is progressing in a large scale. It has been found that the peculiarities of its manifestation are largely determined by natural, climatic and anthropogenic factors, as well as by the level of urbanization. Mechanisms of microorganism interaction with separate antibiotics are studied. The data obtained show that antibiotics widely used in medicine, veterinary science and aquaculture have caused antibiotic resistance in microflora isolated from hydroecosystems and hydrobionts (fish). The study results of the Russian and foreign scientists on antibiotic resistance of bacteria isolated from water and fish have been brought. Thus, microorganisms isolated from urban watercourses of Astrakhan, the Volga river Delta and pike perch body organs showed multiple antibiotic resistance depending on the season and the studied area. In all cases there have been recorded the minimum resistance of microflora to tobramycin and chloramphenicol and the maximum - to benzylpenicillin and ampicillin. The obtained data can serve as indicators of sanitary and epidemiological and environmental problems of hydroecosystems.
The article provides an overview of investigating antibiotic resistance of conditionally pathogenic microflora circulating in different hydroecosystems. It has been stated that the process of spreading antibiotic resistance in bacteria around the world is progressing in a large scale. It has been found that the peculiarities of its manifestation are largely determined by natural, climatic and anthropogenic factors, as well as by the level of urbanization. Mechanisms of microorganism interaction with separate antibiotics are studied. The data obtained show that antibiotics widely used in medicine, veterinary science and aquaculture have caused antibiotic resistance in microflora isolated from hydroecosystems and hydrobionts (fish). The study results of the Russian and foreign scientists on antibiotic resistance of bacteria isolated from water and fish have been brought. Thus, microorganisms isolated from urban watercourses of Astrakhan, the Volga river Delta and pike perch body organs showed multiple antibiotic resistance depending on the season and the studied area. In all cases there have been recorded the minimum resistance of microflora to tobramycin and chloramphenicol and the maximum - to benzylpenicillin and ampicillin. The obtained data can serve as indicators of sanitary and epidemiological and environmental problems of hydroecosystems.
Keywords:
antibiotic resistance, conditionally pathogenic microflora, anthropogenesis, aquaculture, bacteria, water reservoir, hydroecosystems
antibiotic resistance, conditionally pathogenic microflora, anthropogenesis, aquaculture, bacteria, water reservoir, hydroecosystems
Антибиотикорезистентность условно-патогенной микрофлоры является важнейшей фенотипической особенностью, которая определяется поверхностной структурой клеток на молекулярном уровне (S-слои бактерий, которые функционируют как антимикробные пептиды). Они могут изменять свои свойства в ответ на изменения окружающей среды в процессе антропогенеза. Авторами [1, 2] показано, что в условиях экологического неблагополучия достоверно увеличивается доля штаммов бактерий с множественной устойчивостью к антибиотикам. После антибиотикотерапии небольшая часть микроорганизмов, устойчивых к тому или иному препарату, остается в организме, продолжая персистировать, нарушая нормофлору и обуславливая дисбактериоз. Поэтому устойчивость микроорганизмов к этим препаратам возникает быстрее, чем появляются новые антибиотики. На фоне глобализации антибиотикорезистентности микрофлоры в среде обитания, в том числе в воде, происходит ускорение эволюции патогенов и рост инфекций, обусловленных пищевым и водным факторами. Широкое распространение даже остаточного количества антибиотиков только усиливает воздействие на микробные системы всех живых организмов и среды их обитания, формируя опосредованный риск для здоровья человека. При этом рекомендовано тщательно экспериментальным путем изучать новые антибиотики перед внедрением их в практику [1]. Установлено, что систематическое загрязнение любой животноводческой продукции этими препаратами ухудшает ее качество, затрудняет проведение ветеринарно-санитарной экспертизы, обуславливает возникновение резистентных форм бактерий и проявление в будущем аллергических заболеваний у людей [1]. Аналогичная ситуация сложилась и в аквакультуре. Проведенный анализ антибиотикограмм микроорганизмов, выделенных из воды прудов и выращиваемой рыбы, показал их слабую чувствительность к левомицетину и тетрациклину, часто используемым в аквакультуре Московской области [3]. При этом чувствительность к левомицетину резко снижалась к концу рыбоводного сезона. Сделан вывод, что антибиотики в аквакультуре могут использоваться только в терапевтических целях и только после изучения антибиотикограмм изолированного возбудителя [3]. R-фактор множественной лекарственной устойчивости может путем коньюгации передаваться другим микроорганизмам, создавая проблему и с эпизоотической, и с эпидемиологической стороны. Ситуация по антибиотикорезистентности водной микрофлоры По результатам изучения протозойно-бактериальных болезней пресноводных рыб установлено, что в норме микробиоценоз поверхности тела рыб на 80,0 % представлен условно-патогенной грамнегативной флорой: аэромонадами, моракселлами, ацинетобактерами - и на 20,0 % - грампозитивной кокковой флорой [4]. Однако при патологических процессах микробный пейзаж рыб дополняется энтеробактериями и флавобактериями. В условиях эвтрофикации преимущество, как правило, получают бактерии, приспособленные к утилизации высокомолекулярной органики, а ими в водных биотопах являются преимущественно условно-патогенные микроорганизмы. Именно они первыми проникают во внутреннюю среду организма, нарушая гомеостаз, и обуславливают инфекционный процесс. При этом изменения кишечного микробиоценоза вызывают септический бактериоценоз по эндогенному пути. Проведено экспериментальное испытание ципрофлоксацина, цефтазидима, цефтриаксона, левомицетина, гентамицина и тетрациклина на их способность подавлять вышеназванные группы бактерий [4]. В результате проведенного исследования выявлена наибольшая активность ципрофлоксацина. Цефтриаксон был эффективен только против энтеробактерий, а гентамицин - против большинства вышеназванных штаммов возбудителей, несколько уступая ципрофлоксацину. Левомицетин и тетрациклин, часто используемые в аквакультуре, проявили низкую антибактериальную активность. Вместо антибиотиков были предложены и продемонстрирован значительный эффект антипротозойно-бактериальных препаратов «Антибак», «Атибак ПРО» и «Ихтиовит-Антибак» [4]. Бактериальные штаммы, выделенные из печени и мозга больных рыб (выращиваемого в Китае канального сома) с геморрагическим синдромом, на основании морфологических, биохимических и физиологических признаков идентифицированы как Aeromonas hydrophila. Они оказались чувствительны к пяти антибиотикам, включая цефоперазон, слабо чувствительны к трем препаратам, в том числе к стрептомицину, и резистентны к семи антибиотикам, включая ампициллин [5]. Анализ проб поверхностной воды позволил обнаружить присутствие офлоксацина, сульфаметоксазола, сульфадиазина, эритромицина и рокситромицина, среди которых преобладали сульфонамиды, а в донных отложениях - фторхинолоны. При этом отмечен высокий уровень накопления ципрофлоксацина и эритромицина у разводимых в прудах карпов, составляющий 3 262 и 4 492 мкг/кг соответственно [6]. Результаты исследований, проведенных в Европе, позволили говорить о значительной антибиотикорезистентности морской микрофлоры, выделенной из проб воды ряда рыбных ферм, расположенных у северного и южного итальянского побережья Адриатического моря. Авторами [7] отмечена частая встречаемость штаммов условно-патогенных микроорганизмов, резистентных только к тетрациклину (17,0 %), к триметоприм-сульфадиазину (7,0 %), а к флюмеквину - в 0,3 % штаммов. Сравнение изолятов бактерий с побережья и из районов рыбных ферм показало большое количество мультирезистентных штаммов (4,0 против 10,0 %) в районах интенсивной аквакультуры. Выявлены также значительные различия по встречаемости резистентных к антибиотикам бактериальных изолятов, выделенных из проб воды изучаемых 4-х ферм, что, вероятно, связано с различным подходом к управлению аквакультурой и более или менее частым использованием антибиотиков. Авторами [7] подчеркнуто, что резистентные к антибиотикам (особенно мультирезистентные) штаммы бактерий, циркулирующие в водоемах, напрямую участвуют в трофических цепях, представляя угрозу здоровью населения. Штаммы кишечной палочки E. cоli в значительных количествах были выделены в Италии из прибрежных морских седиментов (осевшие взвешенные частицы органического происхождения в виде фекальных комочков - пеллет, - присутствующие в эвтрофированных гидроэкосистемах). Все выделенные изоляты этих бактерий имели гены вирулентности и в 35,0 % случаев - устойчивость к антибиотикам. При этом у 14,0 % штаммов отмечена полирезистентность; она была наиболее выраженной по отношению к тетрациклину (28,0 %), ампициллину (16,5 %), триметоприму-сульфаметоксину (13,0 %) и стрептомицину (7,0 %). Сделан вывод, что прибрежные морские седименты могут быть пригодной и благоприятной средой для выживания устойчивых к антибиотикам штаммов бактерий [8]. Результаты комплексных исследований по антибиотикорезистентности водных и клинических штаммов условно-патогенной микрофлоры в крупнейших водоемах Сибири показали следующее [1]. Доминирующие в микробиоценозе р. Вилюй представители сем. Enterobacteriaceae и Vibrionaceaе проявили высокую активность к тобрамицину, гентамицину и амикацину, 13,9 % изолятов были устойчивы к ципрофлоксацину, 9,0 % - к цефоперазону, 16,3 % - к цефтазидиму, 4,6 % - к цефтизоксиму. Более 50,0 % тестируемых штаммов были резистентны к препаратам пенициллинового ряда, но чувствительны к тетрациклину и ампициллину. Похожие данные получены при изучении микробиоценоза р. Ангары (Иркутская область) и р. Лены - от ее верховья до впадения в море Лаптевых (Республика Саха, Якутия) [1]. Вся выделенная микрофлора имела множественную антибиотикорезистентность, которая была наиболее ярко выражена в антропотехногенном районе Якутии, где р. Лена является основной транспортной артерией этого региона, и составляла 66,7 % устойчивых штаммов. Ее показатели по мере удаления от района, подверженного антропогенезу, существенно снижались и составляли 67,7; 63,3 и 50,2 %. При этом максимальная частота встречаемости резистентных штаммов зарегистрирована в истоке Лены и районе г. Иркутска (58,4 и 64,6 % проб соответственно). Наибольшее количество резистентных культур было выявлено среди энтеробактерий: клебсиелл, кишечных палочек, энтеробактеров, серраций и иерсиний; среди аэромонад - только y A. hydrophila. При этом аэромонады имели устойчивость к антибиотикам в 1,3-3,6 раза ниже, чем энтеробактерии. Установлено, что условно-патогенные энтеробактерии и аутохтонные представители, изолированные из воды, характеризовались принадлежностью по индексам антибиотикорезистентности к четырем кластерам: чувствительные, моно-, умеренно- и полирезистентные. Показатели этих кластеров существенно варьировали в зависимости от географии или участка водоема и от уровня антропогенной нагрузки. Следовательно, гетерогенность микробных популяций условно-патогенных энтеробактерий отражает высокий адаптационный потенциал резистентности к химиопрепаратам, что может быть использовано в качестве инструмента оценки при биотестировании и как индикатор экологической нагрузки на водоемы [1]. Анализ антибиотикорезистентности 390 штаммов энтеробактерий, выделенных из внутренних водотоков г. Астрахани (Прямая и Кривая Болда, р. Царев, р. Кутум, Золотой Затон), пересекающих город в разных направлениях и характеризующихся малой водностью и проточностью, показал их высокую устойчивость к антибиотикам. В структуре этого семейства доминировали цитробактеры, протеи и энтеробактеры. Независимо от места отбора проб они проявляли максимальную чувствительность к тобрамицину и тетрациклину, затем по убывающей - к левомицетину, ампициллину, эритромицину, цефазолину и бензилпенициллину. В сезонном аспекте была установлена минимальная чувствительность ко всем тестируемым препаратам в начале июня, во время половодья в дельте р. Волги. Вероятно, это связано с попаданием в паводковые воды штаммов бактерий, устойчивых к антибиотикам. Только в осенний сезон, в октябре, чувствительность к этим химиопрепаратам вновь повысилась, достигая максимальных величин. Сделан вывод, что уровень антибиотикорезистентности энтеробактерий в городских водотоках г. Астрахани весьма значителен и определяется объемом паводковых вод, обусловленных сезонами года и близостью многочисленных промышленных пищевых предприятий к исследуемым водотокам [9]. В пользу этого свидетельствуют данные многолетнего мониторинга микробиоценоза гидроэкосистемы дельтовых районов р. Волги (вода, осетровые, сазан, судак, сом и др.), в котором доминировали штаммы тех же видов рр. Citrobacter, Proteus и Enterobacter (24,8; 32,7 и 20,0 % соответственно). Анализ материала показал, что 41,1 % протестированных штаммов были полирезистентны, проявляя минимальную устойчивость к тобрамицину и левомицетину, максимальную - к бензилпенициллину и ампициллину [10]. Загрязнение различными антибиотиками природных вод городских водотоков и дельтовых вод, куда они впадают, обусловило высокую устойчивость к этим препаратам у гидромикрофлоры и некоторых гидробионтов (осетра, бычков) по всей акватории Северного Каспия. Автором [11] не выявлено существенных различий по устойчивости к антибиотикам между речной и морской экосистемами как по районам исследований, так и по сезонам года. Во всех проанализированных биотопах вся изолированная микрофлора проявляла максимальную устойчивость к бензилпенициллину (85,0-85,5 %) и ампициллину (67,0-69,1 %); наименьшую - к левомицетину (14,8-15,2 %) и стрептомицину (17,8-19,0 %). Заключение Таким образом, анализ доступной литературы выявил чрезвычайно высокую антибиотикорезистентность условно-патогенной микрофлоры, циркулирующей в гидроэкосистемах и ее обитателях, под влиянием многолетнего антропогенного прессинга. Подчеркивается планетарный масштаб этой устойчивости к огромному числу лекарственных препаратов, обусловленный их нерациональным использованием в медицине, ветеринарии и аквакультуре. Следовательно, приведенные данные могут быть использованы в качестве маркеров экологического и эпидемиологического благополучия естественных и искусственных гидроэкосистем.
1. Anganova E. V. Uslovno-patogennye enterobakterii: dominiruyuschie populyacii, biologicheskie svoystva, mediko-ekologicheskaya znachimost': avtoref. dis. … d-ra biol. nauk. Irkutsk, 2012. 44 s.
2. Poirel L., Potron A., De La Cuesta C., Cleary T. et al. Wild coastline birds as reservoirs of broad-spectrum - b-lactamase-producing Enterobacteriaceae in Miami Beach, Florida // Antimicrob. Agents and Chemother. 2012. V. 56. N. 5. P. 2756-2758.
3. Yuhimenko L. N., Gavrilkin K. V., Bychkova L. I. Himioterapiya bakterial'nyh bolezney ryb, dostoinstva i nedostatki // Problemy patologii, immunologii i ohrany zdorov'ya ryb i drugih gidrobiontov: materialy Vseros. nauch.-prakt. konf. M., 2003. S. 142-143.
4. Gavrilin K. V. Protozoyno-bakterial'nye bolezni presnovodnyh ryb i mery bor'by s nimi: avtoref. dis. … d-ra biol. nauk. M., 2011. 41 s.
5. Tong Gui-xiang, Li Xiao-zheng, Wei Xin-xian, Wu Xiang-qing, Lu Xiao-hua. Identification and antibiotic sensitivity of pathogen of intussusception disease found in channel catfish Ictalurus // J. Dalian Fish. Univ. 2009. V. 24. N. 6. P. 475-481.
6. Gao Lihong, Shi Yali, Li Wenhui, Liu Jiemin, Cai Yaqi. Prisutstvie, raspredelenie i bionakoplenie antibiotikov v reke Hayhe v Kitae // J. Environ. Monit. 2012. N. 4 (14). P. 1248-1255.
7. Labella A., Gennari M., Ghidini V., Trento I., Manfrin A. High incidence of antibiotic multi-resistant bacteria in coastal areas dedicated to fish farming // Mar. Pollut. Bull. 2013. V. 70. N. 1-2. P. 197-203.
8. Vignaroli C., Luna G. M., Rinaldi C., Di Cesare A., Danovaro R., Biavasco F. New sequence types and multidrug resistance among pathogenic Escherichia coli isolates from coastal marine sediments // Appl. and Environ. Microbiol. 2012. V. 78. N. 11. P. 3916-3922.
9. Larceva L. V., Istelyueva A. A. Geoekologicheskie osobennosti antibiotikorezistentnosti mikroflory vnutrennih vodotokov g. Astrahani // Geologiya, geografiya i global'naya energiya. 2011. № 3 (42). S. 180-186.
10. Obuhova O. V., Larceva L. V. Osobennosti antibiotikorezistentnosti enterobakteriy v del'te r. Volgi // Gigiena i sanitariya. 2014. № 3. S. 21-23.
11. Lisickaya I. A. Bakterial'nye soobschestva nekotoryh komponentov ekosistemy del'ty Volgi i Severnogo Kaspiya: avtoref. dis. … kand. biol. nauk. Astrahan', 2008. 23 s.
