DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1722229
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41757357
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Bailey Secker وآخرون
الموضوع الرئيسي: التأثيرات البيئية للأدوية والمضادات الحيوية
نظرة عامة
تتناول الدراسة الحاجة الملحة لمراقبة فعالة لمقاومة المضادات الحيوية (AMR) في البيئات ذات الموارد المحدودة، باستخدام الميتاجينوميات المستندة إلى مياه الصرف الصحي للكشف المبكر ورسم الخرائط الجغرافية. تم إجراء تحليل ميتاجينومي باستخدام تقنية DNA شوتغن على عينات مياه صرف غير معالجة تم جمعها من ناجبور، الهند، بين فبراير وأبريل 2021. تم دمج ما مجموعه 422 عينة أخذ عشوائي في 138 عينة مركبة من مناطق حضرية وريفية مختلفة، مما سمح بملف شامل للميكروبيوتا البكتيرية ومقاومة المضادات الحيوية.
حدد التحليل 871 جنسًا بكتيريًا، معظمها من شعبة البروتيوبكتيريا، مع حدوث ملحوظ لبكتيريا مثل الزائفة، والأسيتيتوباكتر، والأيروموناس، والأسيودوفوركس، والباكتيرويد. بينما أشار تحليل التنوع البيتا إلى تحولات تركيبية حضرية-ريفية ذات دلالة إحصائية، كانت هذه التحولات دقيقة. من بين 33 مُمْرِضًا ذا أهمية عالمية تم تقييمه، تم الكشف عن 13 منها بنسب نسبية منخفضة، حيث وُجدت بكتيريا Vibrio cholerae في عينة واحدة وكانت Aeromonas spp. الأكثر انتشارًا. كانت سبعة مُمْرِضات موجودة في 10% على الأقل من العينات، مع اختلافات كبيرة في توزيع Aeromonas وCitrobacter وEnterobacter (p < 0.05). كشف تحليل مقاومة المضادات الحيوية عن 606 جينات مقاومة فريدة (ARGs)، تتكون أساسًا من محددات تدفق الأدوية/المبيدات وجينات ماكروليد-لينكوساميد-ستريبتوجرامين B، والتي تُعزى إلى الطفرات في 23S rRNA.
مقدمة
سلطت جائحة COVID-19 الضوء على إمكانية المراقبة المستندة إلى مياه الصرف الصحي (WBS) كطريقة فعالة لمراقبة الأمراض المعدية على مستوى السكان، خاصة في البلدان ذات الدخل المنخفض والمتوسط (LMICs) حيث قد تكون المراقبة التقليدية غير كافية. تلتقط WBS الإشارات البيولوجية من المجتمعات بأكملها، مما يجعلها قيمة للكشف عن المُمْرِضات من الأفراد الذين تظهر عليهم الأعراض وغيرهم. في الهند، التحديات المزدوجة المتمثلة في عبء الأمراض المعدية العالي وارتفاع مقاومة المضادات الحيوية (AMR) تؤكد على الحاجة إلى تعزيز المراقبة البيئية، خاصة بالنظر إلى القيود في بنية معالجة مياه الصرف الصحي والمخاطر الصحية العامة الكبيرة التي تشكلها مياه الصرف الصحي غير المعالجة من المستشفيات.
على الرغم من القيمة التشخيصية المثبتة لـ WBS، فإن الاستثمار في التقنيات المتقدمة مثل الميتاجينوميات لا يزال محدودًا في الهند بسبب التحديات الهيكلية، بما في ذلك أنظمة الصرف الصحي المجزأة وسعة المختبرات غير الكافية. استخدمت الدراسات السابقة بشكل أساسي طرقًا قائمة على الثقافة أو PCR المستهدفة، مما يقيّد الرؤى حول تنوع الميكروبات. تبني هذه الدراسة على تحليلات RNA-Seq السابقة لمياه الصرف غير المعالجة في الهند من خلال استخدام تسلسل الميتاجينوميات المستندة إلى DNA عبر 138 عينة مركبة من المناطق الحضرية والريفية. تهدف الدراسة إلى تقييم التركيب الميكروبي، وتقييم عبء جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs)، وتحديد المُمْرِضات البكتيرية ذات الصلة السريرية. من خلال دمج البيانات الميتاجينومية الفيروسية والبكتيرية، تسعى الدراسة إلى تقديم فهم شامل للتهديدات الصحية العامة ومخاطر AMR، مما يظهر قابلية توسيع الميتاجينوميات المستندة إلى مياه الصرف الصحي لمراقبة الأمراض المعدية ضمن إطار صحة واحدة في بيئات LMIC.
الطرق
يحدد قسم “الطرق” المواد والإجراءات المستخدمة في البحث. يوضح الإعداد التجريبي المحدد، بما في ذلك أنواع المواد المستخدمة، وتصميم التجارب، والمنهجيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها. يبرز القسم أهمية القابلية للتكرار والصرامة في العملية التجريبية، مما يضمن إمكانية التحقق من النتائج من قبل باحثين آخرين.
بالإضافة إلى ذلك، قد تشمل الطرق التحليلات الإحصائية المطبقة على البيانات، مثل نماذج الانحدار أو اختبار الفرضيات، للتحقق من النتائج. يعد هذا القسم مكونًا حاسمًا من البحث، حيث يوفر الشفافية ويسمح بتقييم موثوقية وصلاحية النتائج التي تم الحصول عليها.
النتائج
في هذه الدراسة، تم إجراء مسح ميتاجينومي باستخدام DNA بأثر رجعي على 138 عينة مركبة من مياه الصرف غير المعالجة تم جمعها من المناطق الريفية (n = 28) والحضرية (n = 110) في ناجبور، وسط الهند. كان الهدف من التحليل هو وصف التنوع الميكروبي والكيانات المُمْرِضة المحتملة الموجودة في هذه العينات من مياه الصرف، مع تسليط الضوء على الفروق بين البيئات الريفية والحضرية.
كشفت النتائج عن اختلافات كبيرة في التركيب والوفرة الميكروبية، مما يشير إلى أن عينات مياه الصرف الحضرية أظهرت انتشارًا أعلى لبعض المُمْرِضات مقارنة بالعينات الريفية. تؤكد هذه الدراسة على أهمية الأساليب الميتاجينومية في فهم الديناميات الميكروبية لمياه الصرف، والتي يمكن أن تُعلم استراتيجيات الصحة العامة وإدارة البيئة في البيئات الحضرية والريفية.
المناقشة
تقدم الدراسة تحليلًا ميتاجينوميًا شاملاً باستخدام DNA لمياه الصرف غير المعالجة من المناطق الحضرية والريفية في منطقة ناجبور، ماهاراشترا، خلال جائحة COVID-19. تم جمع ما مجموعه 138 عينة مركبة، كاشفة عن مجتمع ميكروبي يهيمن عليه شعبة البروتيوبكتيريا، مع تمثيل كبير من أجناس مثل الزائفة، والأسيتيتوباكتر، والأيروموناس. من الجدير بالذكر أنه بينما لم تُظهر مقاييس التنوع ألفا اختلافات كبيرة بين العينات الحضرية والريفية، أشار تحليل التنوع بيتا إلى اختلافات تركيبية كبيرة، مما يشير إلى هياكل مجتمعية ميكروبية متميزة تأثرت بالعوامل البيئية المحلية والأنشطة البشرية.
حدد التحليل 606 جينات مقاومة فريدة (ARGs)، مرتبطة بشكل أساسي بمقاومة الأدوية والمبيدات. بينما لم تُلاحظ اختلافات كبيرة في إجمالي وفرة ARG بين مياه الصرف الحضرية والريفية، لوحظت أنماط متميزة في تركيب مقاومة المضادات الحيوية، مما يعكس الضغوط الانتقائية المتنوعة في هذه البيئات. أظهرت المناطق الحضرية تركيزات أعلى من المُمْرِضات المكتسبة من المستشفيات، بينما أظهرت المناطق الريفية تنوعًا أكبر في المُمْرِضات البيئية، مما يبرز أهمية البنية التحتية المحلية وممارسات إدارة النفايات في تشكيل علم البيئة الميكروبية وديناميات جينات المقاومة. تسلط النتائج الضوء على إمكانية استخدام مراقبة مياه الصرف كأداة لمراقبة الصحة العامة واتجاهات مقاومة المضادات الحيوية في البيئات ذات الموارد المحدودة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1722229
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41757357
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Bailey Secker et al.
Primary Topic: Pharmaceutical and Antibiotic Environmental Impacts
Overview
The study addresses the critical need for effective surveillance of antimicrobial resistance (AMR) in resource-limited settings, utilizing wastewater-based metagenomics for early detection and geographic mapping. A retrospective DNA shotgun metagenomic analysis was performed on untreated wastewater samples collected from Nagpur, India, between February and April 2021. A total of 422 grab samples were consolidated into 138 composite samples from various urban and rural areas, allowing for a comprehensive profiling of the bacterial microbiota and resistome.
The analysis identified 871 bacterial genera, predominantly from the phylum Proteobacteria, with notable occurrences of Pseudomonas, Acinetobacter, Aeromonas, Acidovorax, and Bacteroides. While beta diversity analysis indicated statistically significant urban-rural compositional shifts, these were subtle. Among 33 globally significant pathogens assessed, 13 were detected at low relative abundances, with Vibrio cholerae found in a single sample and Aeromonas spp. being the most prevalent. Seven pathogens were present in at least 10% of samples, with significant differences in the distribution of Aeromonas, Citrobacter, and Enterobacter (p < 0.05). The resistome analysis revealed 606 unique antimicrobial resistance genes (ARGs), primarily consisting of drug/biocide efflux determinants and macrolide-lincosamide-streptogramin B genes, largely attributed to mutations in 23S rRNA.
Introduction
The COVID-19 pandemic has highlighted the potential of wastewater-based surveillance (WBS) as an effective method for monitoring infectious diseases at the population level, particularly in low- and middle-income countries (LMICs) where traditional surveillance may be inadequate. WBS captures biological signals from entire communities, making it valuable for detecting pathogens from both symptomatic and asymptomatic individuals. In India, the dual challenges of a high infectious disease burden and rising antimicrobial resistance (AMR) underscore the need for enhanced environmental surveillance, especially given the limitations in wastewater treatment infrastructure and the significant public health risks posed by untreated hospital wastewater.
Despite the demonstrated diagnostic value of WBS, investment in advanced technologies such as metagenomics remains limited in India due to structural challenges, including fragmented sewerage systems and insufficient laboratory capacity. Previous studies have primarily utilized culture-based or PCR-targeted methods, which restrict insights into microbial diversity. This research builds on earlier RNA-Seq analyses of untreated wastewater in India by employing DNA-based shotgun metagenomic sequencing across 138 composite samples from urban and rural areas. The study aims to assess microbial composition, evaluate the burden of antimicrobial resistance genes (ARGs), and identify clinically relevant bacterial pathogens. By integrating viral and bacterial metagenomic data, the research seeks to provide a comprehensive understanding of public health threats and AMR risks, thereby demonstrating the scalability of wastewater metagenomics for infectious disease surveillance within a One Health framework in LMIC settings.
Methods
The “Methods” section outlines the materials and procedures utilized in the research. It details the specific experimental setup, including the types of materials used, the design of experiments, and the methodologies employed for data collection and analysis. The section emphasizes the importance of reproducibility and rigor in the experimental process, ensuring that the results can be verified by other researchers.
Additionally, the methods may include statistical analyses applied to the data, such as regression models or hypothesis testing, to validate the findings. The section serves as a critical component of the research, providing transparency and allowing for the assessment of the reliability and validity of the results obtained.
Results
In this study, a retrospective DNA metagenomic survey was conducted on 138 untreated composite wastewater samples collected from both rural (n = 28) and urban (n = 110) areas of Nagpur, Central India. The analysis aimed to characterize the microbial diversity and potential pathogenic organisms present in these wastewater samples, highlighting differences between rural and urban environments.
The findings revealed significant variations in microbial composition and abundance, suggesting that urban wastewater samples exhibited a higher prevalence of certain pathogens compared to rural samples. This study underscores the importance of metagenomic approaches in understanding the microbial dynamics of wastewater, which can inform public health strategies and environmental management in urban and rural settings.
Discussion
The study presents a comprehensive DNA metagenomic analysis of untreated wastewater from urban and rural areas in Nagpur district, Maharashtra, during the COVID-19 pandemic. A total of 138 composite samples were collected, revealing a microbial community dominated by the phylum Proteobacteria, with significant representation from genera such as Pseudomonas, Acinetobacter, and Aeromonas. Notably, while alpha diversity metrics showed no significant differences between urban and rural samples, beta diversity analyses indicated significant compositional differences, suggesting distinct microbial community structures influenced by local environmental factors and anthropogenic activities.
The analysis identified 606 unique antimicrobial resistance genes (ARGs), predominantly associated with drug and biocide resistance. While no significant differences in total ARG abundance were observed between urban and rural wastewater, distinct patterns in resistome composition were noted, reflecting the varying selective pressures in these environments. Urban areas exhibited higher concentrations of nosocomial pathogens, while rural areas showed greater diversity in environmental pathogens, underscoring the importance of local infrastructure and waste management practices in shaping microbial ecology and resistance gene dynamics. The findings highlight the potential of wastewater surveillance as a tool for monitoring public health and antimicrobial resistance trends in under-resourced settings.