DOI: https://doi.org/10.1007/s00284-025-04696-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41524795
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Onalenna Refilwe Mabeo وآخرون
الموضوع الرئيسي: التأثيرات البيئية للأدوية والمضادات الحيوية
نظرة عامة
تدرس الدراسة وجود وقياس مسببات الأمراض ESKAPE – الكائنات المقاومة لمضادات الميكروبات المتعددة بما في ذلك *Enterococcus faecium*، *Staphylococcus aureus*، *Klebsiella pneumoniae*، *Acinetobacter baumannii*، *Pseudomonas aeruginosa*، و *Enterobacter spp.* – في محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) والبيئات downstream الخاصة بها. باستخدام كل من طرق الثقافة القائمة على الأجار و PCR في الوقت الحقيقي (RT-PCR)، وجدت الأبحاث أن جميع مسببات الأمراض المستهدفة كانت قابلة للاكتشاف، حيث كانت *Enterobacter spp.* الأكثر وفرة و *A. baumannii* الأقل. أشارت نتائج RT-PCR إلى أن *K. pneumoniae* كانت الأنواع السائدة، وعلى الرغم من أن عمليات المعالجة قللت من تركيزات مسببات الأمراض، إلا أن مستويات مرتفعة كانت لا تزال موجودة downstream، مما يشير إلى إزالة غير كاملة. من الجدير بالذكر أن أعلى كفاءة إزالة كانت 100% لـ *S. aureus* و *A. baumannii* في محطات معالجة مياه الصرف الصحي المحددة، بينما كانت الأدنى 54.1% لـ *S. aureus* في أخرى.
تؤكد النتائج عدم كفاية المراقبة الميكروبية التقليدية، التي تركز بشكل أساسي على *E. coli* و Enterococci، لالتقاط المخاطر الناشئة لمقاومة مضادات الميكروبات (AMR) التي تطرحها مسببات الأمراض ESKAPE. تدعم الدراسة تقدم جنوب إفريقيا نحو هدف التنمية المستدامة (SDG) 6 من خلال تسليط الضوء على الحاجة إلى تحسين ممارسات إدارة مياه الصرف الصحي. تدعو إلى دمج مقاييس مقاومة مضادات الميكروبات في أطر المراقبة، وتوسيع الأهداف الميكروبية في تقييمات محطات معالجة مياه الصرف الصحي، ومراجعة سياسات إعادة استخدام المياه للتخفيف من مخاطر AMR. إن استمرار هذه المسببات في مياه الصرف الصحي المعالجة يشكل مخاوف صحية عامة كبيرة، خاصة في المناطق المعتمدة على إعادة الاستخدام الصالح للشرب، مما يستلزم تدخلات استراتيجية لتحسين جودة المياه وسلامتها.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) كمصادر هامة للبكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية (ARBs) وجينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs)، خاصة بسبب تدفق مياه الصرف الصحي البلدية من قطاعات مختلفة، بما في ذلك الرعاية الصحية والزراعة. على الرغم من أن الهدف الأساسي لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي هو التخلص الآمن من النفايات، تشير النتائج الأخيرة إلى أن هذه المنشآت، إلى جانب محطات معالجة مياه الصرف الصحي في المستشفيات (HWWTPs)، تساهم في انتشار مجتمعات البكتيريا المقاومة لمضادات الميكروبات المتعددة (MDR)، وخاصة مسببات الأمراض ESKAPE – Enterococcus faecium، Staphylococcus aureus، Klebsiella pneumoniae، Acinetobacter baumannii، Pseudomonas aeruginosa، وأنواع Enterobacter – المعروفة بقدرتها على الفتك والتهرب من العلاج بالمضادات الحيوية.
تم تقدير مسببات الأمراض ESKAPE تاريخياً كتهديد للصحة العامة، وقد أظهرت الدراسات أنها تستطيع البقاء على قيد الحياة في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي، مما يؤدي إلى تلوث بيئي في جنوب إفريقيا. على الرغم من أن الأبحاث السابقة كانت تركز بشكل أساسي على هذه المسببات في البيئات السريرية، إلا أن هناك اعترافًا متزايدًا بانتشارها في خزانات بيئية مختلفة، بما في ذلك مصادر المياه والتربة. قد تتجاهل الطرق التقليدية المعتمدة على الثقافة لتقييم جودة المياه مسببات الأمراض غير القابلة للحياة، مما يستلزم دمج تقنيات مستقلة عن الثقافة مثل تفاعل البوليميراز المتسلسل في الوقت الحقيقي (RT-PCR) لفهم أكثر شمولاً لتلوث المياه. تهدف هذه الدراسة إلى مقارنة مستويات مسببات الأمراض ESKAPE في مياه الصرف الصحي ومسطحات المياه المستقبلة باستخدام كل من الأساليب الزراعية والجزيئية، مما يعالج فجوة كبيرة في الأبحاث الحالية.
طرق
توضح قسم “الطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة للتحقيق في سؤال البحث. استخدمت الدراسة نهجًا كميًا، يتضمن تحليلات إحصائية لتقييم البيانات المجمعة. تضمنت المنهجيات المحددة تجارب محكومة، حيث تم التلاعب بالمتغيرات بشكل منهجي لملاحظة تأثيراتها على النتائج المعنية.
تم اختيار المواد المستخدمة في الدراسة بعناية لضمان موثوقية وصلاحية النتائج. شمل ذلك استخدام أدوات موحدة للقياس، بالإضافة إلى أحجام عينات مناسبة لتعزيز القوة الإحصائية للنتائج. كما يتناول القسم البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات والاختبارات الإحصائية المطبقة لتحليل النتائج، مما يضمن توافق المنهجية مع أفضل الممارسات في هذا المجال. بشكل عام، تم تصميم الطرق المستخدمة لاختبار الفرضيات بدقة وتقديم استنتاجات قوية.
نتائج
تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن الوفرة النسبية لنسخ الجينات لكل جين 16S rRNA توفر رؤى ذات مغزى حول استمرار وهيمنة مسببات الأمراض ESKAPE في محطات معالجة مياه الصرف الصحي في جنوب إفريقيا (WWTPs) وبيئاتها downstream. على الرغم من الاعتماد على القياس النسبي، تتماشى النتائج مع الأدبيات الموجودة، مما يبرز موثوقية هذا النهج وسط تباين في استخراج الحمض النووي وتعقيدات البيئة. يمكن أن تُعزى الاختلافات في الوفرة المبلغ عنها مقارنة بالدراسات السابقة إلى التباينات في أعداد نسخ جينات الفتك، وتكوين مياه الصرف المحلي المتأثر باستخدام المضادات الحيوية، والتقنيات العلاجية المتنوعة المستخدمة عبر محطات معالجة مياه الصرف الصحي.
تؤكد الدراسة أن محطات معالجة مياه الصرف الصحي في جنوب إفريقيا تعمل كخزانات دائمة لمسببات الأمراض المقاومة لمضادات الميكروبات، وخاصة Klebsiella pneumoniae و Enterococcus faecium المقاومة لمضادات الميكروبات المتعددة، والتي تعتبر حاسمة لمراقبة مقاومة مضادات الميكروبات (AMR). لقد أثبت استخدام الأدوات الجزيئية تفوقه على الطرق المعتمدة على الثقافة، كاشفًا عن أحمال مسببات الأمراض الأعلى ووجود كائنات حية قابلة للحياة ولكن غير قابلة للزراعة. تؤكد هذه النتائج الفجوات الكبيرة في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي الحالية وتبرز الحاجة الملحة للإصلاحات، بما في ذلك تعزيز برنامج Green Drop ودمج المراقبة الجزيئية. تعتبر هذه التدابير ضرورية لتحويل محطات معالجة مياه الصرف الصحي من نقاط انتشار مسببات الأمراض إلى حواجز فعالة ضد مسببات الأمراض عالية المخاطر، وبالتالي حماية الصحة العامة والبيئة في المناطق التي تعاني من نقص المياه مثل جنوب إفريقيا.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم ست محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) في مقاطعتي نورث ويست وجوتنج لوجود مسببات الأمراض ESKAPE في المياه الواردة، والمياه الخارجة، والمياه المستقبلة downstream. تم إجراء أخذ العينات تحت قيود COVID-19، مما أدى إلى تباينات في تكرار الجمع عبر المواقع. شملت المنهجية كل من الأساليب المعتمدة على الثقافة وغير المعتمدة على الثقافة لعزل وقياس مسببات الأمراض، مع التركيز على E. faecium و S. aureus و K. pneumoniae و A. baumannii. أشارت النتائج إلى أنه بينما نجحت محطات معالجة مياه الصرف الصحي D و J و K في تقليل أحمال مسببات الأمراض من المياه الواردة إلى الخارجة، واجهت محطات معالجة مياه الصرف الصحي F و I تحديات تشغيلية، مما أدى إلى مستويات أعلى من مسببات الأمراض في البيئات downstream.
أظهر PCR الكمي في الوقت الحقيقي (RT-PCR) حساسية متفوقة مقارنة بالطرق التقليدية المعتمدة على الأجار، حيث اكتشف مسببات الأمراض في عينات المياه الخارجة و downstream حيث غالبًا ما فشلت طرق الثقافة. من الجدير بالذكر أن RT-PCR كشف أن E. faecium و K. pneumoniae كانت موجودة باستمرار عبر جميع المواقع، بينما أظهرت A. baumannii و S. aureus معدلات اكتشاف متغيرة. سلطت الدراسة الضوء على التأثيرات الموسمية الكبيرة على أحمال مسببات الأمراض، مع زيادة الاكتشافات خلال الأشهر الباردة، وأكدت على ضرورة وجود نهج مراقبة متكاملة لتقييم المخاطر الصحية العامة المرتبطة بمياه الصرف الصحي. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية الكفاءة التشغيلية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي والحاجة إلى تعزيز المراقبة، خاصة في المنشآت ذات الأحمال العالية من مسببات الأمراض والضعف التشغيلي.
القيود
واجهت الدراسة قيودًا كبيرة، خاصة في تصميم البرايمرات والمجسات لمسببات الأمراض ESKAPE Pseudomonas aeruginosa و Enterobacter cloacae. على الرغم من الجهود المبذولة لاستخدام نهج مستقل عن الثقافة من خلال PCR في الوقت الحقيقي لقياس جميع مسببات الأمراض الستة ESKAPE، لم تسفر التحقيقات عن أي نتائج إيجابية لهذين المسببين المحددين. تؤكد هذه القيود على التحديات في تطوير أدوات جزيئية موثوقة للكشف وقياس بعض سلالات البكتيريا، مما قد يعيق الفعالية العامة للمنهجية المقترحة في البيئات السريرية أو البحثية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00284-025-04696-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41524795
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Onalenna Refilwe Mabeo et al.
Primary Topic: Pharmaceutical and Antibiotic Environmental Impacts
Overview
The study investigates the presence and quantification of ESKAPE pathogens—multidrug-resistant organisms including *Enterococcus faecium*, *Staphylococcus aureus*, *Klebsiella pneumoniae*, *Acinetobacter baumannii*, *Pseudomonas aeruginosa*, and *Enterobacter spp.*—in wastewater treatment plants (WWTPs) and their downstream environments. Utilizing both agar-based culture methods and real-time PCR (RT-PCR), the research found that all targeted pathogens were detectable, with *Enterobacter spp.* being the most abundant and *A. baumannii* the least. RT-PCR results indicated that *K. pneumoniae* was the dominant species, and while treatment processes reduced pathogen concentrations, elevated levels were still present downstream, suggesting incomplete removal. Notably, the highest removal efficiency was 100% for *S. aureus* and *A. baumannii* in specific WWTPs, while the lowest was 54.1% for *S. aureus* in another.
The findings underscore the inadequacy of conventional microbial monitoring, which primarily focuses on *E. coli* and Enterococci, to capture the emerging risks of antimicrobial resistance (AMR) posed by ESKAPE pathogens. The study supports South Africa’s progress towards Sustainable Development Goal (SDG) 6 by highlighting the need for improved wastewater management practices. It advocates for the integration of antimicrobial resistance metrics into monitoring frameworks, the expansion of microbial targets in WWTP assessments, and the revision of water reuse policies to mitigate AMR risks. The persistence of these pathogens in treated wastewater poses significant public health concerns, particularly in regions dependent on potable reuse, necessitating strategic interventions to enhance water quality and safety.
Introduction
The introduction highlights the critical role of wastewater treatment plants (WWTPs) as significant sources of antibiotic-resistant bacteria (ARBs) and antibiotic-resistance genes (ARGs), particularly due to the influx of municipal wastewater from various sectors, including healthcare and agriculture. Despite the primary objective of WWTPs being the safe disposal of effluents, recent findings indicate that these facilities, along with hospital wastewater treatment plants (HWWTPs), contribute to the dissemination of multi-drug resistant (MDR) bacterial communities, particularly the ESKAPE pathogens—Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, and Enterobacter species—known for their virulence and ability to evade antibiotic treatment.
Historically underestimated as a public health threat, ESKAPE pathogens have been shown to survive wastewater treatment processes, leading to environmental contamination in South Africa. Although previous research has primarily focused on these pathogens within clinical settings, there is an increasing recognition of their prevalence in various environmental reservoirs, including water sources and soil. Traditional culture-based methods for assessing water quality, while widely used, may overlook non-viable pathogens, necessitating the integration of culture-independent techniques like real-time polymerase chain reaction (RT-PCR) for a more comprehensive understanding of water contamination. This study aims to compare the levels of ESKAPE pathogens in wastewater and receiving water bodies using both cultivation and molecular approaches, addressing a significant gap in current research.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental design and analytical techniques employed to investigate the research question. The study utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected. Specific methodologies included controlled experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Materials used in the study were carefully selected to ensure reliability and validity of the results. This included the use of standardized instruments for measurement, as well as appropriate sample sizes to enhance the statistical power of the findings. The section also details the protocols followed for data collection and the statistical tests applied to analyze the results, ensuring that the methodology aligns with best practices in the field. Overall, the methods employed were designed to rigorously test the hypotheses and provide robust conclusions.
Results
The results of this study indicate that the relative abundances of gene copies per 16S rRNA gene provide meaningful insights into the persistence and dominance of ESKAPE pathogens in South African wastewater treatment plants (WWTPs) and their downstream environments. Despite relying on relative quantification, the findings align with existing literature, highlighting the reliability of this approach amidst variability in DNA extraction and environmental complexities. Differences in reported abundances compared to previous studies can be attributed to variations in virulence gene copy numbers, local wastewater composition influenced by antibiotic usage, and the diverse treatment technologies employed across WWTPs.
The study confirms that South African WWTPs serve as persistent reservoirs for antimicrobial-resistant pathogens, particularly multidrug-resistant Klebsiella pneumoniae and Enterococcus faecium, which are critical for monitoring antimicrobial resistance (AMR). The use of molecular tools has proven superior to culture-based methods, revealing higher pathogen loads and the presence of viable but non-culturable organisms. These findings underscore significant gaps in current wastewater treatment processes and highlight the urgent need for reforms, including the enhancement of the Green Drop programme and the integration of molecular surveillance. Such measures are essential to transform WWTPs from points of pathogen dissemination into effective barriers against high-risk pathogens, thereby protecting public health and the environment in water-scarce regions like South Africa.
Discussion
In this study, six wastewater treatment plants (WWTPs) in North West and Gauteng provinces were evaluated for the presence of ESKAPE pathogens in influent, effluent, and downstream receiving waters. Sampling was conducted under COVID-19 restrictions, leading to variations in collection frequency across sites. The methodology included both culture-dependent and culture-independent approaches to isolate and quantify pathogens, with a focus on E. faecium, S. aureus, K. pneumoniae, and A. baumannii. Results indicated that while WWTPs D, J, and K effectively reduced pathogen loads from influent to effluent, WWTPs F and I faced operational challenges, leading to higher pathogen levels in downstream environments.
Quantitative Real-Time PCR (RT-PCR) demonstrated superior sensitivity compared to traditional agar-based methods, detecting pathogens in effluent and downstream samples where culture methods often failed. Notably, RT-PCR revealed that E. faecium and K. pneumoniae were consistently present across all sites, while A. baumannii and S. aureus showed variable detection rates. The study highlighted significant seasonal influences on pathogen loads, with increased detections during colder months, and underscored the necessity for integrated monitoring approaches to accurately assess public health risks associated with wastewater effluents. Overall, the findings emphasize the importance of operational efficiency in WWTPs and the need for enhanced surveillance, particularly in facilities with high pathogen loads and operational vulnerabilities.
Limitations
The study faced significant limitations, particularly in the design of primers and probes for the ESKAPE pathogens Pseudomonas aeruginosa and Enterobacter cloacae. Despite efforts to utilize a culture-independent approach through real-time PCR to quantify all six ESKAPE pathogens, the investigation yielded no positive results for these two specific pathogens. This limitation underscores the challenges in developing reliable molecular tools for the detection and quantification of certain bacterial strains, which may hinder the overall effectiveness of the proposed methodology in clinical or research settings.