science

Antibiotic resistance genes stored on glaciers (Geny oporności na antybiotyki przechowywane na lodowcach)

Obraz1

The rapid growth and permanent spreading of resistance to antibiotics among bacteria is an unquestioned global problem and according to the World Health Organization, one of the most serious threats of the 21st century. Currently, drug-resistant diseases cause at least 700,000 deaths globally per year and it is estimated that this number will increase to 10 million deaths globally per year by 2050 if no action will be taken.

Pristine and remote sites are considered a benchmark for human-induced contamination of Earth. Non-industrialized areas, such as polar and high mountains, free of direct and permanent delivery of contaminants, are target places for tracking human impact in natural ecosystems. Unfortunately, due to human activity and rapid development of civilization, even remote glacial ecosystems cannot be longer considered as pristine, as they are affected by anthropogenic pressure.

Therefore, nowadays the state of a glacier is considered not only as a valuable indicator of climate changes but also can be used to assess environmental impact of human originated pollutants. Contemporary studies on supraglacial ecosystems have brought various, often unexpected results showing that glaciers are contaminated by persistent organic pollutants (insecticides), heavy metals, artificial radionuclides, and black carbon. Together with colleagues, we focused on integrons and ARGs in cryoconite holes – glacial biodiversity hotspots, as well as in ice and supraglacial gravel, which all together being flushed, then transported to downstream systems from the melting glacier surface.

Integrons are DNA platforms, inside which gene cassettes conditioning antibiotic resistance are embedded. Integrons are mobile so they can be transferred between bacteria through a process called horizontal gene transfer. The presence of antibiotic resistance genes (ARGs) and integrons in the environment is considered biotic pollution and ecological problem. Unfortunately, the diversity and spread of ARGs and integrons in seemingly pristine and rapidly changing polar regions is poorly understood. Even the remote Arctic ecosystems with the limited impact of human activities may constitute a repository of clinically relevant but also previously unknown ARGs and integrons stored in ice, which can be delivered from melting glaciers to the fjords.

Samples for our study were collected from glaciers located in alpine and Arctic regions. Sampling sites were chosen to encompass diversity of glaciers and regions. Glaciers were characterized by different latitudes, altitudes, daily and annual temperature, and light fluctuations, representing different thermal regimes and various supraglacial topography, which may influence bacterial abundance and diversity. Cryoconite samples were collected from Adishi (the Caucasus), South-West Greenland (area of Kangerlussuaq) and from Spitsbergen (Longyearbreen, Svalbard Archipelago). Additionally, samples of ice and gravel from water cavities were collected from Chalaati (also known as Chalaadi) Glacier in the Caucasus.

Results of our studies were surprising! Regardless of geographical region, type and setting of glaciers we detected bacteria harbouring integrons considered to be biotic pollution in natural systems. We determined the presence of integrons and genes conferring resistance to fluoroquinolones, β-lactams and chloramphenicol in the genomes of bacteria and class 1 integron-integrase gene in the metagenomic DNA isolated from, at first glance, pristine environments: Alpine (the Caucasus) and Arctic (South-West Greenland, Spitsbergen) glaciers.

The origin of integrons on glaciers might be the effect of direct delivery of guano on ice surface by migratory birds which feed on farmlands in Europe or North America, reindeers crossing through small glaciers, cooling muskox on the ice, and other vertebrates accidentally visiting glaciers or human activity (tourists, climbers, field camps). Faeces of vertebrates (including humans) may contain integronbearing and antibiotic-resistant bacteria. This may lead to the spread of ARGs in the environment through process called horizontal gene transfer (process in which bacteria share resistance with other bacteria) and integrons, which on glaciers may be facilitated by water mixing in systems of streams, rivers and cryoconite holes.

Bacteria harboring these genes can also be transported to glaciers with the wind. We cannot exclude that previously unknown resistance genes may also have been deposited in glaciers in the distant past, and now they are releasing with melting ice. Therefore, melting glaciers are becoming secondary sources of contaminants. The presence of multi-resistant strains in the environment, resistant to last-resort drugs is a medical problem, therefore it is crucial and necessary to take integrative international efforts in order to recognize the rate of antibiotic resistance in remote regions.

Summarizing, we showed that glaciers can be inhabited by bacteria carrying resistance integrons and clinically relevant ARBs. Therefore, we should carefully monitor water originated from glaciers as a potential source of this hazard – antibiotic-resistant bacteria, integrons and ARGs. Special attention should be given to areas where water from glaciers is the main source of freshwater in farms and domestic use. Our studies were published in prestigious journal Science of the Total Environment.

Figure 1

Figure above indicates sampling sites. Figura powyżej przedstawia miejsca próbkowania.

 

Obraz2

Figura powyżej. szacowana liczba bakterii niehodowalnych na lodowcach, liczba kopii genów integrazy klasy 1 oraz szacowana częstość występowania integronów klasy 1 na lodowcach.

Gwałtowny wzrost i rozprzestrzenianie się antybiotykooporności u bakterii jest niekwestionowanym problemem, który wg Światowej Oragnizacji Zdrowia jest jednym z najistotniejszych w XXI wieku. Obecnie na skutek oporności na antybiotyki kliniczne umiera ok. 700 000 osób rocznie. Jeśli nie zostanie wdrożony odpowiedni monitoring i działania prewencyjne, szacuje się, że ta liczba wzrośnie do 10 mln. rocznie do roku 2050.

Dziewicze i odległe od centrów działalności człowieka regiony stają się wzorcowymi obszarami do badania rozpraszania się zanieczyszczeń na naszej planecie. Obszary nieuprzemysłowione takie jak regiony polarne czy wysokie góry, wolne od stałej dostawy zanieczyszczeń są idealnymi miejscami do badań wpływu człowieka na odległe ekosystemy. Niestety ze względu na naszą działalność, nawet lodowce nie mogą być już nigdy więcej postrzegane jako nieskazitelnie czyste.

Obecnie lodowce stają się nie tylko wyznacznikiem zmian klimatu, ale także oceny negatywnego wpływu działalności człowieka na ekosystemy górskie i polarne. Najnowsze badania dotyczące lodowców pokazują, że są one zanieczyszczone przez trwałe zanieczyszczenia organiczne (pestycydy), metale ciężkie, sztuczne radionuklidy czy tzw. czarny węgiel. Wspólnie z współpracownikami, skupiliśmy się na integronach i genach oporności na antybiotyki w otworach kriokonitowych, które są centrami bioróżnorodności na lodowcach, lodzie i żwirze z powierzchni lodu. Zarówno kriokonit jak i żwir są spłukiwane z powierzchni lodowców, a wszystko co zabierają z lodu dostaje się do rzek, a dalej do mórz. Zatem co znajdziemy w materiale z lodowców?

Integrony to platformy DNA, w których znajdują się geny kodujące antybiotykooporność. Znajdują się na elementach mobilinych u bakterii, w związku z czym mogą być przekazywane między bakteriami. Obecność integronów oraz genów oporności na antybiotyki kliniczne jest postrzegana jako zanieczyszczenie i problem ekologiczny. Niestety pomimo gwałtownych zmian w regionach polarnych i górskich, różnorodność genów oporności i integronów jest poznana w tych miejscach w niewielkim stopniu. Nawet odległe ekosystemy arktyczne, czy wysokogórskie, pozbawione bepośredniego wpływu człowieka, mogą stanowić rezerwuar genów oporności na antybiotyki kliniczne, a także innych dotąd niepoznanych genów, przechowywanych w lodzie i dostarczanych z topniejących lodowców do fjordów.

Próbki do naszych badań zebraliśmy z obszarów zlokalizowanych w wysokich górach oraz w Arktyce, tak aby reprezentowały różnorodność lodowców i regionów. Lodowce na których był zbierany materiał położone były na różnych szerokościach geograficznych, wysokościach, charakteryzowały się zmianami naświetlenia (dobowe vs sezonowe), reprezentowały różne reżimy termiczne i topografie, a wszystko to może kształtować zagęszczenia i różnorodność mikroorganizmów z genami oporności na antybiotyki. Próbki kriokonitu zebraliśmy z lodowca Adishi w Kaukazie, południowo-zachodniego brzegu czapy lodowej na Grenlandii i lodowca Longyearbreen na Spitsbergenie. Dodatkowo próbki lodu i żwiru z powierzchni lodowca zostały zebrane z lodowca Chalaati w Kaukazie.

Wyniki naszej pracy były zaskakujące! Bez względu na region geograficzny z którego pobrano próbki, czy też typ lodowca, w materiale znaleźliśmy bakterie posiadające integrony z genami oporności na antybiotyki. Stwierdziliśmy występowanie integronów i genów warunkujących oporność na fluorochinolony, β-laktamy i chloramfenikol w bakteriach z „sterylnych” miejsc: alpejskich i arktycznych lodowców.

Pochodzenie integronów na lodowcach może być efektem bezpośredniej dostawy guana na powierzchnię lodowców przez ptaki migrujące, żywiące się wcześniej na polach w północnej części Europy, renifery przemierzające małe lodowce, chłodzące się piżmowoły czy inne kręgowce odwiedzające lodowce, włączając w to człowieka. Fekalia ludzi (potencjalne źródła to turyści, alpiniści czy obozy naukowe) mogą zawierać bakterie z integronami i genami oporności, które rozprzestrzeniają się na powierzchni lodowca w procesie horyzontalnego transferu genów (coś na zasadzie: jestem bakterią oporną na antybiotyk, podzielę się opornością z innymi). Ten proces jest faworyzowany na lodowcach po przez obecność sieci kanalików, strumieni, rzek, otworów kriokonitowych gdzie spotykają się bakterie.

Antybiotykooporne bakterie mogą być także transportowane z wiatrem na lodowce w drodze tzw. dalekiego transport z obszarów silnie zindustrializowanych. Nie możemy wykluczyć, że w lodowcach mogły być też zdeponowane w dalekiej przeszłości, nieznane jeszcze dotąd geny oporności, które właśnie się wytapiają. Dlatego też lodowce stają się wtórnym źródłem zanieczyszczeń w środowisku. Obecność wielolekoopornych szczepów bakterii w środowisku czy oporność na antybiotyki tzw. ostatniej szansy staje się w tym wypadku problemem nie tylko ekologicznym, ale także medycznym. Dlatego też niezwykle ważne jest podjęcie międzynarodowych działań oceniających stopień i rozprzestrzenianie się oporności na antybiotyki w odległych i jeszcze dziewiczych miejscach.

Podsumowując, w naszej pracy pokazaliśmy, że lodowce są zamieszkałe przez bakterie posiadające integrony z genami oporności na antybiotyki, także te istotne klinicznie. Dlatego też powinniśmy monitorować wodę pochodzącą z lodowców pod kątem potencjalnego zagrożenia dla zdrowia ludzi. Największa uwaga powinna zostać poświęcona obszarom w których ludzie wykorzystują wodę z lodu w gospodarstwach domowych i na farmach. Nasze wyniki opublikowaliśmy w prestiżowym czasopiśmie naukowym Science of the Total Environment.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s