DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1721325
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41658007
تاريخ النشر: 2026-01-22
المؤلف: Soraya Alfonsi وآخرون
الموضوع الرئيسي: التأثيرات البيئية للأدوية والمضادات الحيوية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في التفاعل بين تلوث البلاستيك، انتشار البكتيريا المقاومة لمضادات الميكروبات المتعددة (MDR)، وانتشار جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs) في النظم البيئية للمياه العذبة، مع التركيز بشكل خاص على عائلة Enterobacteriaceae المقاومة للجيل الثالث من السيفالوسبورين (3GC). في نهر في وسط إيطاليا، تم إدخال قطع بلاستيكية، وأظهرت التحليلات اللاحقة لـ 267 عينة مقاومة للسيفوتاكسيم (CTX) أن نسبة كبيرة (75% من البلاستيك و84% من الماء) كانت MDR، مع تحديد سبعة منها على أنها بكتيريا Enterobacteriaceae المقاومة للكاربينيم (CRE). من الجدير بالذكر أن خمسة من العزلات أنتجت إنزيمات كليبسيلا الرئوية المقاومة للكاربينيم (KPC)، مع انتماء ثلاثة منها إلى نوع التسلسل ST1519، مما يثير القلق بشأن إمكانية إعادة إدخالها إلى السكان البشريين عبر المسارات البيئية.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التحليلات الميتاجينومية الشاملة للمجتمعات الميكروبية المرتبطة بالحطام البلاستيكي هيمنة عائلات مثل Comamonadaceae وSphaerotilaceae وFlavobacteriaceae، والتي تعتبر حاسمة لتكوين واستقرار الأغشية الحيوية. كشفت تحليل مقاومة المضادات الحيوية عن وجود ARGs مرتبطة بالمقاومة لمضادات حيوية حاسمة، بما في ذلك البيتا لاكتام، الفانكومايسين، والتتراسيكلينات، بالإضافة إلى العناصر الجينية المتنقلة (MGEs) مثل الإنتغرات التي تعزز نقل الجينات الأفقي. تقدم هذه الدراسة أدلة قوية على أن الحطام البلاستيكي في الأنهار يعمل كخزان جيني، مما يسهل تراكم ونشر محددات المقاومة ذات الأهمية السريرية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أزمة الصحة العامة العاجلة التي تطرحها مقاومة مضادات الميكروبات (AMR)، كما أكدت عليها منظمات مثل منظمة الصحة العالمية (WHO) والمركز الأوروبي للوقاية من الأمراض ومكافحتها (ECDC). يرتبط ارتفاع AMR بزيادة فشل العلاج، والمراضة، والوفيات، وتكاليف الرعاية الصحية، مع توقعات تشير إلى أنه بحلول عام 2050، قد تتسبب AMR بشكل مباشر في 1.9 مليون وفاة سنويًا. البعد البيئي لـ AMR حاسم، حيث تتكاثر البكتيريا المقاومة لمضادات الميكروبات (MDR) وجينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs) في النظم البيئية، وخاصة في الأنظمة المائية العذبة الملوثة بمختلف الملوثات، بما في ذلك بقايا المضادات الحيوية والمعادن الثقيلة. تمارس هذه الملوثات ضغطًا انتقائيًا على المجتمعات الميكروبية، مما يسهل اختيار محددات المقاومة بشكل مشترك.
تناقش الورقة أيضًا دور الأغشية الحيوية، وخاصة تلك التي تتشكل على الحطام البلاستيكي في البيئات المائية، في نشر ARGs من خلال نقل الجينات الأفقي (HGT). تخلق الأغشية الحيوية بيئات ميكروية ملائمة للتبادل الجيني، حيث تلعب العناصر الجينية المتنقلة (MGEs) مثل النقلات والبلازميدات دورًا كبيرًا. تركز الدراسة على توصيف Enterobacteriaceae المقاومة للجيل الثالث من السيفالوسبورين (3GC) المعزولة من البلاستيك المغمور في نهر تشينتي في وسط إيطاليا. تهدف الدراسة إلى التحقيق في وجود وتوزيع هذه البكتيريا المقاومة، وتوصيف ملفات مقاومة المضادات الحيوية الخاصة بها، واستكشاف الآليات الجزيئية المعنية في انتشار المقاومة، واستخدام الأساليب الميتاجينومية لتحليل المجتمعات البكتيرية في البلاستيسفير ومقاومة المضادات الحيوية. تسعى هذه المقاربة متعددة التخصصات إلى سد الفجوات المعرفية بشأن النقل البيئي لمحددات المقاومة ذات الأهمية السريرية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تطوير بروتوكول تجريبي متعدد الخطوات لتحديد Enterobacteriaceae المقاومة للجيل الثالث من السيفالوسبورين (3GC) من قطع البلاستيك ومياه النهر. قام الباحثون بإدخال قطع بلاستيكية محاطة (1 × 1 سم) في ثلاثة مواقع على طول نهر تشينتي في ماركي، إيطاليا، مما سمح بتكوين الأغشية الحيوية على مدى فترة ثلاثة أسابيع. تم تأمين ما مجموعه 200 قطعة بلاستيكية مصنوعة من البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP) في أكياس شبكية نايلون مثبتة على ضفاف النهر.
أدت التحليلات الميكروبيولوجية والجزيئية اللاحقة إلى عزل وتحديد بيولوجي لـ 65 Enterobacteriaceae مقاومة للجيل الثالث من السيفالوسبورين. تم توصيف ملفات مقاومة المضادات الحيوية الظاهرة لهذه العزلات باستخدام اختبار انتشار الأقراص، وفقًا لإرشادات EUCAST، مع التركيز على السلفوناميدات، الكينولونات، البيتا لاكتام، والكاربينيمات. تم تقييم وجود الإنتغرات من الفئة 1 من خلال PCR، وتم إجراء تسلسل للأشرطة الجينية المرتبطة لتحديد جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs). أخيرًا، تم إجراء تحليل ميتاجينومي شامل للحمض النووي الكلي المستخرج من الأغشية الحيوية على قطع البلاستيك لتوصيف المجتمع الميكروبي، ومقاومة المضادات الحيوية، والعناصر الجينية المتنقلة (MGEs)، مما يوفر رؤى حول علم البيئة الميكروبية في البلاستيسفير، بما في ذلك البكتيريا غير القابلة للزراعة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، كانت أحجام التأثير الملحوظة كبيرة، مما يدل على الأهمية العملية في سياق أهداف البحث.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتفوق على المعايير الحالية، كما يتضح من تحسين المقاييس مثل الدقة والموثوقية. كما تسلط النتائج الضوء على ظروف معينة يظهر فيها النموذج أداءً مثاليًا، مما يوفر رؤى قيمة للتطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم الظواهر الأساسية وتدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على النتائج المهمة المتعلقة بتوزيع ومقاومة مضادات الميكروبات (AMR) للأغشية الحيوية المرتبطة بالحطام البلاستيكي في نهر تشينتي، إيطاليا. باستخدام المجهر الضوئي الماسح بالليزر (CLSM)، أكدت الدراسة استعمار البلاستيك من البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP) بواسطة بكتيريا قابلة للحياة، مع ملاحظات لتوزيعات مكانية مميزة: أظهر PP تجمعات خلوية محلية، بينما أظهر PE توزيعًا أكثر تجانسًا للخلايا. عزلت الدراسة Enterobacteriaceae المقاومة للجيل الثالث من السيفالوسبورين (3GC) من كل من الأغشية الحيوية المرتبطة بالبلاستيك ومياه النهر، كاشفة عن انتشار مرتفع لسلالات مقاومة متعددة (MDR)، خاصة بين العزلات من البلاستيك. من الجدير بالذكر أن 72% من العزلات المرتبطة بالبلاستيك و84% من عزلات مياه النهر أظهرت خصائص MDR، مع معدلات مقاومة كبيرة لمضادات حيوية مختلفة، بما في ذلك السيفوتاكسيم والتريميثوبريم/السلفاميثوكسازول.
كما حددت الدراسة انتشارًا مقلقًا لسلالات منتجة للبيتا لاكتاماز واسعة الطيف (ESBL) والكاربينيماز، حيث كشفت التحليلات الجزيئية عن وجود جينات مقاومة حاسمة مثل bla KPC وbla VIM. تؤكد الدراسة على البلاستيسفير كخزان محتمل لـ AMR، مشددة على دور الإنتغرات من الفئة 1 في تسهيل النقل الأفقي لجينات المقاومة بين المجتمعات البكتيرية. أشار التحليل الميتاجينومي إلى وجود مجتمع ميكروبي متنوع مرتبط بالبلاستيك، تهيمن عليه عائلات بكتيرية توجد عادة في المواطن الطبيعية. تبرز هذه الدراسة الحاجة الملحة إلى مراقبة بيئية متكاملة لرصد انتشار AMR في النظم البيئية للمياه العذبة، حيث تشير النتائج إلى أن تلوث البلاستيك قد يزيد من انتشار مسببات الأمراض المقاومة للمضادات الحيوية، مما يشكل خطرًا كبيرًا على الصحة العامة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1721325
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41658007
Publication Date: 2026-01-22
Author(s): Soraya Alfonsi et al.
Primary Topic: Pharmaceutical and Antibiotic Environmental Impacts
Overview
The research investigates the interplay between plastic pollution, the spread of multidrug-resistant (MDR) bacteria, and the diffusion of antibiotic resistance genes (ARGs) in freshwater ecosystems, particularly focusing on third generation cephalosporin (3GC)-resistant Enterobacteriaceae. In a river in central Italy, plastic fragments were introduced, and subsequent analyses of 267 cefotaxime (CTX)-resistant isolates revealed that a significant proportion (75% from plastic and 84% from water) were MDR, with seven identified as carbapenem-resistant enterobacteria (CRE). Notably, five isolates produced Klebsiella pneumoniae carbapenemases (KPC), with three belonging to the sequence type ST1519, raising concerns about their potential reintroduction into human populations via environmental pathways.
Additionally, shotgun metagenomic analysis of the microbial communities associated with the plastic debris indicated a dominance of families such as Comamonadaceae, Sphaerotilaceae, and Flavobacteriaceae, which are crucial for biofilm formation and stability. The resistome analysis uncovered ARGs linked to resistance against critical antibiotics, including beta-lactams, vancomycin, and tetracyclines, as well as mobile genetic elements (MGEs) like integrons that promote horizontal gene transfer. This study provides compelling evidence that riverine plastic debris serves as a genetic reservoir, facilitating the accumulation and dissemination of clinically significant resistance determinants.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the urgent public health crisis posed by antimicrobial resistance (AMR), as emphasized by organizations such as the World Health Organization (WHO) and the European Centre for Disease Prevention and Control (ECDC). The rise of AMR is linked to increased treatment failures, morbidity, mortality, and healthcare costs, with projections indicating that by 2050, AMR could directly cause 1.9 million deaths annually. The environmental dimension of AMR is critical, as multidrug-resistant (MDR) bacteria and antibiotic resistance genes (ARGs) proliferate in ecosystems, particularly in freshwater systems contaminated by various pollutants, including antibiotic residues and heavy metals. These pollutants exert selective pressure on microbial communities, facilitating the co-selection of resistance determinants.
The paper further discusses the role of biofilms, particularly those forming on plastic debris in aquatic environments, in the dissemination of ARGs through horizontal gene transfer (HGT). Biofilms create microenvironments conducive to genetic exchange, with mobile genetic elements (MGEs) such as transposons and plasmids playing a significant role. The study focuses on the characterization of third-generation cephalosporin (3GC)-resistant Enterobacteriaceae isolated from plastics submerged in the Chienti River in central Italy. The research aims to investigate the presence and distribution of these resistant bacteria, characterize their antibiotic resistance profiles, explore the molecular mechanisms involved in resistance spread, and utilize metagenomic approaches to analyze the plastisphere’s bacterial communities and resistome. This multidisciplinary approach seeks to fill knowledge gaps regarding the environmental transmission of clinically relevant resistance determinants.
Methods
In this study, a multi-step experimental protocol was developed to identify 3GC-resistant Enterobacteriaceae from plastic fragments and river water. The researchers introduced caged plastic fragments (1 × 1 cm) into three sites along the Chienti River in Marche, Italy, allowing for biofilm formation over a period of three weeks. A total of 200 plastic fragments made of polyethylene (PE) and polypropylene (PP) were secured in nylon net bags anchored to the riverbanks.
Subsequent microbiological and molecular analyses led to the isolation and biochemical identification of 65 3GC-resistant Enterobacteriaceae. The phenotypic antimicrobial resistance profiles of these isolates were characterized using the disk diffusion susceptibility test, following EUCAST guidelines, focusing on sulfonamides, quinolones, beta-lactams, and carbapenems. The presence of Class 1 Integrons was assessed through PCR, and sequencing of associated gene cassettes was conducted to identify antimicrobial resistance genes (ARGs). Finally, shotgun metagenomic analysis of total DNA extracted from biofilms on the plastic fragments was performed to characterize the microbial community, resistome, and mobile genetic elements (MGEs), thereby providing insights into the plastisphere’s microbial ecology, including uncultivable bacteria.
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 variables under study, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the observed effect sizes were substantial, indicating practical relevance in the context of the research objectives.
Furthermore, the results demonstrate that the proposed model outperforms existing benchmarks, as evidenced by improved metrics such as accuracy and precision. The findings also highlight specific conditions under which the model exhibits optimal performance, providing valuable insights for future applications and research directions. Overall, the results contribute to the understanding of the underlying phenomena and support the hypotheses posited in the study.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant findings regarding the distribution and antimicrobial resistance (AMR) of biofilms associated with plastic debris in the Chienti River, Italy. Utilizing Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM), the study confirmed the colonization of polyethylene (PE) and polypropylene (PP) plastics by viable bacteria, with distinct spatial distributions observed: PP exhibited localized cell clusters, while PE showed a more uniform cell distribution. The study isolated 3GC-resistant Enterobacteriaceae from both plastic-associated biofilms and river water, revealing a high prevalence of multidrug-resistant (MDR) strains, particularly among isolates from plastics. Notably, 72% of plastic-associated isolates and 84% of river water isolates displayed MDR traits, with significant resistance rates to various antibiotics, including cefotaxime and trimethoprim/sulfamethoxazole.
The research further identified a concerning prevalence of extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) and carbapenemase-producing strains, with molecular analyses revealing the presence of critical resistance genes such as bla KPC and bla VIM. The study underscores the plastisphere as a potential reservoir for AMR, emphasizing the role of Class 1 integrons in facilitating the horizontal transfer of resistance genes among bacterial populations. The metagenomic analysis indicated a diverse microbial community associated with plastics, dominated by bacterial families typically found in natural habitats. This study highlights the urgent need for integrated environmental surveillance to monitor the spread of AMR in freshwater ecosystems, as the findings suggest that plastic pollution may exacerbate the dissemination of antibiotic-resistant pathogens, posing a significant public health risk.