DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123563
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40184703
تاريخ النشر: 2025-03-28
المؤلف: Luke Woodford وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نظام مراقبة جديد يستخدم جزيئات دقيقة منخفضة التكلفة (بولي إيثيلين، فلين، ومطاط) لمراقبة تصريف مسببات الأمراض البشرية من محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) إلى المياه السطحية. تسلط الدراسة الضوء على قيود طرق أخذ العينات التقليدية في تقييم صلاحية مسببات الأمراض في المياه العادمة. من خلال نشر هذه الجزيئات الدقيقة upstream و downstream من أنبوب تصريف مياه الصرف الصحي، تمكن الباحثون من تحديد مسببات الأمراض البكتيرية القابلة للحياة، بما في ذلك *E. coli*، *Klebsiella spp.*، *Citrobacter spp.*، و *Enterococcus spp.*، خلال 24 ساعة. تم الكشف عن هذه المسببات بشكل متكرر بتركيزات أعلى downstream، مما يشير إلى استمرارها مع نضوج مجتمعات الأغشية الحيوية على مدى فترة 23 يومًا. كشفت تسلسل الجينوم الكامل طويل القراءة عن وجود جينات الفوعة وبلازميدات مقاومة مضادات الميكروبات في المسببات المعزولة.
تؤكد النتائج على إمكانية استخدام الجزيئات الدقيقة كأدوات مراقبة بيئية فعالة لالتقاط ومراقبة البكتيريا المسببة للأمراض التي يتم إطلاقها من محطات معالجة مياه الصرف الصحي. تظهر الدراسة أن هذه المسببات لم تبق قابلة للحياة فحسب، بل أظهرت أيضًا pathogenicity كبيرة، كما يتضح من نموذج العدوى باستخدام *Galleria mellonella*. يوفر هذا النظام للمراقبة نهجًا حساسًا وسهل الاستخدام للجهات التنظيمية البيئية لتتبع مسببات الأمراض البشرية وجينات مقاومة مضادات الميكروبات، مما يساهم في سلامة الصحة العامة. بالإضافة إلى ذلك، تشير قدرة الجزيئات الدقيقة على امتصاص ملوثات متنوعة إلى تطبيقات إضافية لمراقبة طيف أوسع من الملوثات في تصريف مياه الصرف الصحي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) في التخفيف من إطلاق مسببات الأمراض الضارة وجينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs) إلى البيئة. على الرغم من وظيفتها المقصودة، فإن العديد من مسببات الأمراض و ARGs تهرب من محطات معالجة مياه الصرف الصحي، خاصة خلال أحداث فيضانات المجاري المشتركة (CSO)، مما يؤدي إلى زيادة انتشارها في المياه downstream. تتفاقم هذه الحالة بسبب التحضر، والبنية التحتية غير الكافية، وتغير المناخ، مما يبرز الحاجة إلى نظام مراقبة فعال من حيث التكلفة يعمل بشكل مستقل عن إدارة محطات معالجة مياه الصرف الصحي. توفر طرق المراقبة التقليدية، بما في ذلك تقنيات الثقافة وتسلسل جين 16S rRNA، لمحات محدودة عن وجود مسببات الأمراض، بينما أظهرت وبائيات المياه العادمة (WWBE) وعدًا في تتبع تفشي الأمراض من خلال الكشف عن RNA الفيروسي.
تقترح الورقة الاستفادة من الجزيئات الدقيقة كأدوات مبتكرة لمراقبة البكتيريا المسببة للأمراض البشرية في تصريفات مياه الصرف الصحي. إن الاستعمار السريع للجزيئات الدقيقة بواسطة الأغشية الحيوية الميكروبية، أو “البلاستيسفير”، التي يمكن أن تحتوي على مسببات الأمراض و ARGs، يمثل فرصة لالتقاط إطلاقات مسببات الأمراض العابرة التي قد تفوتها طرق أخذ العينات التقليدية. تهدف الدراسة إلى قياس وجود مسببات الأمراض المستهدفة على الجزيئات الدقيقة upstream و downstream من أنبوب تصريف محطة معالجة مياه الصرف الصحي، وتقييم pathogenicity لمجتمع البلاستيسفير باستخدام نموذج عدوى *Galleria mellonella*، واستخدام تسلسل الجينوم الكامل لتحليل الجينومات البكتيرية والسمات المرتبطة بالفوعة والمقاومة. يسعى هذا النهج إلى تعزيز فهم المخاطر الصحية العامة التي تشكلها تصريفات مياه الصرف الصحي.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون نهجًا تجريبيًا منهجيًا للتحقيق في التأثير البيئي لمواد مختلفة—كرات بولي إيثيلين ذات وزن جزيئي عالٍ للغاية، قطع فلين، وحبيبات مطاطية—على تطوير الأغشية الحيوية في نظام بيئي نهري. تم توحيد حجم المواد من خلال تمريرها عبر منخل معدني بحجم 2 مم، حيث تم اختيار كرات بولي إيثيلين لثباتها في الحجم واستعادة الأغشية الحيوية، وتم اختيار الحبيبات المطاطية لصلتها بالتلوث البيئي الناتج عن تآكل إطارات المركبات، بينما تم استخدام الفلين كتحكم طبيعي. تم وضع كل مادة في أقفاص من الفولاذ المقاوم للصدأ تم تعقيمها، والتي تم وضعها بعد ذلك في سلال معدنية مثبتة في النهر upstream و downstream من أنبوب تصريف محطة معالجة مياه الصرف الصحي (WWTP).
شمل أخذ العينات إزالة أربعة أقفاص مكررة لكل نوع من المواد في نقاط زمنية محددة، مما يسمح بتقييم شامل لنمو الأغشية الحيوية فيما يتعلق بتصريف محطة معالجة مياه الصرف الصحي. تم جمع عينات المياه في ثلاث نسخ في كل نقطة أخذ عينة لقياس العكارة، والتوصيل الكهربائي (EC)، ودرجة الحموضة باستخدام أدوات محددة. بالإضافة إلى ذلك، تم تسجيل عمق النهر والبيانات المناخية، بما في ذلك هطول الأمطار ودرجة الحرارة، لوضع النتائج في سياقها. يسهل هذا الإطار المنهجي تحليلًا قويًا للتفاعلات بين المواد المختلفة وبيئتها المائية المحيطة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في الورقة البحثية النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يؤكد الفرضيات المطروحة في الدراسة.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسين في مقاييس الأداء، كما يتضح من زيادة معدلات الدقة وتقليل هوامش الخطأ مقارنة بالنماذج الأساسية. تؤكد هذه النتائج على فعالية النهج وتقترح آثارًا محتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني.
المناقشة
تستكشف الدراسة صلاحية و pathogenicity لمسببات الأمراض المعوية البشرية في الأغشية الحيوية على الجزيئات الدقيقة downstream من تصريف محطة معالجة مياه الصرف الصحي (WWTP). من خلال نهج أخذ عينات منهجي، وجد الباحثون أن خلايا *E. coli*، *Klebsiella spp.*، و *Enterococcus spp.* القابلة للحياة تم الكشف عنها باستمرار على الجزيئات الدقيقة طوال فترة الدراسة التي استمرت 23 يومًا. من الجدير بالذكر أن الأغشية الحيوية من المواد البلاستيكية والمطاطية downstream أدت إلى معدلات وفاة أعلى بكثير في يرقات *Galleria mellonella* مقارنة بالأغشية الحيوية upstream، مما يشير إلى إمكانيات pathogenicity أعلى مرتبطة بهذه الأغشية الحيوية. كما أبرزت الدراسة أنه بينما كان مجتمع الأغشية الحيوية downstream متنوعًا في البداية، فقد هيمن عليه مسببات الأمراض البشرية بعد الحقن في اليرقات، مما يشير إلى أن هذه المسببات يمكن أن تتفوق على البكتيريا المتعايشة في بيئة المضيف.
علاوة على ذلك، كشفت تسلسل الجينوم الكامل عن انتشار أعلى للبلازميدات وجينات مقاومة مضادات الميكروبات (AMR) في المسببات المعزولة من الأغشية الحيوية downstream. تؤكد هذه النتيجة على المخاطر الصحية العامة المحتملة التي تشكلها هذه المسببات، حيث إنها لا تظهر فقط الفوعة ولكنها تمتلك أيضًا عناصر جينية قد تمنح مقاومة للمضادات الحيوية ذات الصلة سريريًا. تؤكد الأبحاث على فائدة الجزيئات الدقيقة كأداة مراقبة للمراقبة لمراقبة تصريف مسببات الأمراض من محطات معالجة مياه الصرف الصحي، مما يوفر طريقة عملية لتقييم المخاطر الصحية البيئية المرتبطة بتصريف مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123563
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40184703
Publication Date: 2025-03-28
Author(s): Luke Woodford et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This research presents a novel surveillance system utilizing low-cost microparticles (polyethylene, cork, and rubber) to monitor the discharge of human pathogens from wastewater treatment plants (WWTPs) into surface waters. The study highlights the limitations of traditional grab-sampling methods in assessing the viability of pathogens in effluent. By deploying these microparticles upstream and downstream of a WWTP effluent pipe, the researchers successfully identified viable bacterial pathogens, including *E. coli*, *Klebsiella spp.*, *Citrobacter spp.*, and *Enterococcus spp.*, within 24 hours. These pathogens were consistently detected at higher concentrations downstream, indicating their persistence as biofilm communities matured over a 23-day period. Long-read whole genome sequencing revealed the presence of virulence genes and antimicrobial resistance plasmids in the isolated pathogens.
The findings underscore the potential of microplastics as effective environmental sentinels for capturing and monitoring pathogenic bacteria released from WWTPs. The study demonstrates that these pathogens not only remained viable but also exhibited significant pathogenicity, as evidenced by the infection model using *Galleria mellonella*. This surveillance system offers a sensitive, user-friendly approach for environmental regulators to track human pathogens and antimicrobial resistance genes, thereby contributing to public health safety. Additionally, the ability of microplastics to adsorb various contaminants suggests further applications for monitoring a broader spectrum of pollutants in wastewater discharge.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of wastewater treatment plants (WWTPs) in mitigating the release of harmful pathogens and antibiotic resistance genes (ARGs) into the environment. Despite their intended function, many pathogens and ARGs escape WWTPs, particularly during combined sewage overflow (CSO) events, leading to increased prevalence in downstream waters. This situation is exacerbated by urbanization, inadequate infrastructure, and climate change, underscoring the need for a cost-effective monitoring system that operates independently of WWTP management. Traditional monitoring methods, including culture-based techniques and 16S rRNA gene sequencing, provide limited snapshots of pathogen presence, while wastewater-based epidemiology (WWBE) has shown promise in tracking disease outbreaks through viral RNA detection.
The paper proposes leveraging microplastics as innovative sentinels for monitoring human pathogenic bacteria in wastewater discharges. The rapid colonization of microplastics by microbial biofilms, or ‘plastisphere,’ which can harbor pathogens and ARGs, presents an opportunity to capture transient pathogen releases that conventional sampling methods may miss. The study aims to quantify the presence of target pathogens on microplastics upstream and downstream of a WWTP discharge pipe, assess the pathogenicity of the plastisphere community using a Galleria mellonella infection model, and utilize whole genome sequencing to analyze bacterial genomes and associated virulence and resistance traits. This approach seeks to enhance understanding of the public health risks posed by wastewater discharge.
Methods
In this study, the researchers employed a systematic experimental approach to investigate the environmental impact of different materials—ultra-high molecular weight polyethylene (PE) beads, cork pieces, and rubber granules—on biofilm development in a river ecosystem. The materials were uniformly sized by passing them through a 2 mm metal sieve, with PE beads chosen for their consistency in size and biofilm recovery, rubber granules selected for their relevance to environmental pollution from vehicle tire wear, and cork serving as a natural control. Each material was placed in individual autoclaved stainless-steel cages, which were then positioned in metal baskets fixed in the river both upstream and downstream of a wastewater treatment plant (WWTP) discharge pipe.
Sampling involved the removal of four replicate cages for each material type at designated time points, allowing for a comprehensive assessment of biofilm growth in relation to the WWTP discharge. Water samples were collected in triplicate at each sampling point to measure turbidity, electrical conductivity (EC), and pH using specific instruments. Additionally, river depth and meteorological data, including rainfall and temperature, were recorded to contextualize the findings. This methodological framework facilitates a robust analysis of the interactions between different materials and their surrounding aquatic environment.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, thus affirming the hypotheses posited in the study.
Additionally, the results demonstrate that the application of the proposed methodology leads to an improvement in performance metrics, as evidenced by an increase in accuracy rates and a reduction in error margins compared to baseline models. These findings underscore the effectiveness of the approach and suggest potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
The study investigates the viability and pathogenicity of human enteric pathogens in biofilms on microplastics downstream of wastewater treatment plant (WWTP) effluent discharge. Through a systematic sampling approach, the researchers found that viable cells of *E. coli*, *Klebsiella spp.*, and *Enterococcus spp.* were consistently detected on microplastics for the entire 23-day study period. Notably, biofilms from plastic and rubber materials downstream induced significantly higher mortality rates in *Galleria mellonella* larvae compared to upstream biofilms, indicating a higher pathogenic potential associated with these biofilms. The study also highlighted that while the downstream biofilm community was initially diverse, it became dominated by human pathogens post-injection into the larvae, suggesting that these pathogens can outcompete commensal bacteria in a host environment.
Furthermore, whole genome sequencing revealed a higher prevalence of plasmids and antimicrobial resistance (AMR) genes in pathogens isolated from downstream biofilms. This finding underscores the potential public health risks posed by these pathogens, as they not only exhibit virulence but also possess genetic elements that may confer resistance to clinically relevant antibiotics. The research emphasizes the utility of microplastics as a sentinel surveillance tool for monitoring pathogen discharge from WWTPs, providing a practical method for assessing environmental health risks associated with wastewater effluent.