Prävalenz von aus Trinkwasserquellen isolierten multiresistenten Escherichia coli

Zusammenfassung

Die Bekämpfung von Infektionskrankheiten ist durch den Anstieg der Anzahl von Mikroorganismen, die gegen antimikrobielle Mittel resistent sind, stark gefährdet. Dies liegt daran, dass Infektionen, die durch resistente Mikroorganismen verursacht werden, häufig nicht auf eine konventionelle Behandlung ansprechen, was zu einer längeren Erkrankung und einem höheren Todesrisiko führt. Antimikrobielle resistente Bakterien sind auch in verschiedenen Wasserquellen vorhanden. Ziel dieser Studie war es daher, die mikrobiologische Qualität und die Antibiogramme von Bakterienisolaten (E. coli-Stämme) aus sechs verschiedenen Wasserquellen zu dokumentieren, um ihre Sicherheit für den menschlichen Verzehr zu bestimmen und aktualisierte Antibiotikadaten für die pragmatische Behandlung von Patienten bereitzustellen. Die Isolierung und Identifizierung von Bakterien erfolgte mit API und konventionellen Methoden. Antibiotika-Empfindlichkeitstests wurden mit der Kirby-Bauer-Methode durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass alle getesteten Wasserquellen von schlechter Qualität waren. Zu den isolierten Bakterien gehörten E. coli, Enterobacter spp., Klebsiella spp., Salmonella typhi, Streptococcus spp., Proteus vulgaris, Vibrio cholera, Shigella spp., Pseudomonas aeruginosa, and Enterococcus faecalis. The prevalence of multidrug-resistant E. coli was 49.48%. E. coli isolates showed high resistance patterns to the tested antibiotics. They were most resistant to penicillin (32.99%), cefuroxime (28.87%), erythromycin (23.71%), and tetracycline (21.45%). In contrast, they were susceptible to nitrofurantoin (93.8%), cefotaxime and amikacin (91.75%), gentamicin (90.7%), nalidixic acid (89.65%), ciprofloxacin (74.2%), chloramphenicol (69.07%), Pipemidsäure (65,97%) und Cefuroxim (52,58%). Dreiundsechzig Prozent (63%) der multiresistenten E. coli-Stämme verzeichneten einen Indexwert für multiple Antibiotikaresistenz (MAR) >0,2. Die empfindlichen Antibiotika, insbesondere das Nitrofurantoin, werden daher bei der praktischen Behandlung von wasserbedingten bakteriellen Erkrankungen empfohlen.

1. Einleitung

Antibiotika sind wohl die erfolgreichste Form der Chemotherapie, die im 20.Jahrhundert entwickelt wurde und täglich unzählige Menschenleben retten. Das Auftreten antibiotikaresistenter Bakterien schränkt den klinischen Einsatz von Antibiotika ein, und mit zunehmender Verbreitung resistenter Bakterien steigt die Besorgnis, dass bestehende Antibiotika gegen diese Krankheitserreger unwirksam und teurer werden .Antibiotika-resistente Gene, die Resistenz gegen eine Vielzahl von Antibiotika verleihen, wurden in einer Vielzahl von Wasserumgebungen identifiziert, einschließlich Trinkwasser in Industrie- und Entwicklungsländern . Das Hauptrisiko für die öffentliche Gesundheit besteht darin, dass Resistenzgene von Umweltbakterien auf menschliche Krankheitserreger übertragen werden. Das Potenzial von Trinkwasser, mikrobielle Krankheitserreger zu einer größeren Anzahl von Menschen zu transportieren und nachfolgende Krankheiten zu verursachen, ist in Ländern auf allen Ebenen der wirtschaftlichen Entwicklung gut dokumentiert . Darüber hinaus ist die Verfügbarkeit von sauberem Trinkwasser ein unverzichtbares Merkmal, um Epidemien vorzubeugen und die Lebensqualität zu verbessern . Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation werden 80% aller Krankheiten auf unsicheres Wasser zurückgeführt . Insbesondere Entwicklungsländer leiden unter wasserbedingten Krankheiten wie Durchfall, die 10% der Krankheitslast in diesen Ländern ausmachen .

Escherichia coli gehört zu den feakalen Coliformen, die Trinkwasser aus menschlichen und tierischen feakalen Abfällen kontaminieren. E. coli ist seit vielen Jahrzehnten der wichtigste Indikator für fäkale Kontamination in der Überwachung der Wasserqualität. Bei Regenfällen können diese Coliformen in Bäche, Flüsse, Bäche, Seen oder Grundwasser gespült werden. Unbehandeltes Trinkwasser aus diesen Quellen enthält coliforme einschließlich E. coli.

E. es wurde auch gezeigt, dass coli ein signifikantes Reservoir an Genen ist, die für die Resistenz gegen antimikrobielle Wirkstoffe kodieren, und daher ein nützlicher Indikator für die Resistenz in Bakteriengemeinschaften ist . Obwohl es mehrere Studien zur Bewertung der Multiresistenz (MDR) in E. coli-Populationen tierischen Ursprungs gibt, wurde nicht viel über die Ökologie von MDR getan . Die Ausbreitung von MDR in Umgebungen, in denen Antibiotika nicht verwendet werden, ist eine Möglichkeit, die noch nicht gut erforscht ist, obwohl postuliert wurde, dass Wasser antimikrobielle Resistenzen verbreiten könnte . Die Ziele dieser Studie sind die Bestimmung des Antibiotikasensitivitätsmusters und des multiplen Antibiotikaresistenzindex von E. coli Stämme isoliert aus sechs Trinkwasserquellen während der bakteriologischen Überwachung über ein Jahr.

2. Materialien und Methoden

2.1. Probenahmestellen

Nach mehreren Vorbesuchen in verschiedenen Gemeinden in den Distrikten wurden 57 Probenahmestellen ausgewählt, die sechs verschiedene Wasserquellen umfassen, darunter Dämme, Bohrlöcher, Bachquellen, Flüsse, Kanäle und handgegrabene Brunnen in 27 Gemeinden. Die Proben wurden an Orten entnommen, die repräsentativ für die Wasserquellen und / oder Verteilungsnetze waren, von denen aus Wasser an die Einwohner und / oder Nutzungsstellen geliefert wird, und zwar in erster Linie auf der Grundlage von Faktoren wie Bevölkerung und Umfang der Nutzung oder Grad der Schirmherrschaft von Wasser aus diesen Quellen. Die meisten Gemeinden werden von Landwirten dominiert. Jede ausgewählte Gemeinde hatte mindestens ein Bohrloch oder einen Bach als Hauptwasserquelle für die Bewohner.

2.2.

Vor der Wasserprobenahme wurden wichtige Beobachtungen rund um die Probenahmestellen gemacht. Diese Beobachtungen umfassten die hygienischen Bedingungen sowie mögliche Kontaminationsquellen, die die Wasserqualität aus den beprobten Quellen beeinflussen könnten.

Feldaufzeichnungen für die folgenden Umweltfaktoren wurden ebenfalls aufgezeichnet: Wasserklarheit / Trübung (visuelle Klarheit im Wasser, d. H. Blätter, Ablagerungen und Algen), Wetterbedingungen (Temperatur, Wind und Niederschlag), Anwesenheit von Tieren (Vögel / Enten) und andere Kommentare (z. B. Systemprobleme, d. H. Desinfektions- / Filtrationsgeräte und Fäkalunfälle).

2.3. Stichprobengröße und Stichprobenhäufigkeit

Zwischen Juni 2011 und Mai 2012 wurden insgesamt einhundertzweiundzwanzig Wasserproben zur Beurteilung entnommen. Die Probenentnahmezeit erstreckte sich über die beiden Jahreszeiten in Ghana, also die Trocken- und Regenzeit. Alle Wasserprobenahme- und Konservierungsverfahren wurden nach Standardmethoden für die Untersuchung von Wasser und Abwasser und den WHO-Richtlinien für die Trinkwasserqualität durchgeführt . Die Probenahme für die bakteriologische Analyse erfolgte aseptisch mit Sorgfalt, um sicherzustellen, dass die Proben nicht von außen kontaminiert werden. Alle Proben wurden innerhalb von 2 Stunden ins Labor transportiert.

2.4. Bakterienisolierung und -identifizierung

Alle grampositiven Organismen wurden durch herkömmliche Methoden wie Gramfärbung, positive Katalase, Röhrchenkoagulase, Desoxyribonukleasen (DNase) -Test usw. identifiziert, während ein API 20E-Kit verwendet wurde, um den gramnegativen Organismus zu identifizieren. Als Positivkontrolle für die E. coli-Isolate wurde der E. coli-Stamm 25922 verwendet.

2.5. Antibakterielle Empfindlichkeitsprüfung von E. coli

Jedes der Isolate (E. coli) wurde einer Antibiotika–Empfindlichkeitsprüfung unter Verwendung der Kirby-Bauer-Methode unterzogen, die nach den Methoden des National Committee for Clinical Laboratory Standards standardisiert und bewertet wurde . Isolate, die über Nacht auf Nähragar gezüchtet wurden, wurden in steriler normaler Kochsalzlösung (0,9% w / v NaCl) unter Verwendung einer sterilen Drahtschlaufe suspendiert, bis die Trübung 0,5 Mcfarland-Standards entsprach. Sterile ungiftige Wattestäbchen, die in die standardisierte Inokula getaucht wurden, wurden verwendet, um die gesamte Oberfläche der Mueller–Hinton-Agarplatten zu streifen. Das E. coli-Isolate wurden dann gegen vierzehn Antibiotika wie folgt getestet: Ampicillin (10 µg), Pipemidsäure (20 ug), Chloramphenicol (30 µg), Ciprofloxacin (5 µg), Cotrimoxazol (25 µg), Erythromycin (15 µg), Nitrofurantoin (300 µg), Penicillin (10 IE), Cefuroxim (30 µg), Cefotaxim (30 µg), Nalidixinsäure (30 µg), Amikacin (30 µg), Tetracyclin (30 µg) und Gentamicin (10 µg). Antibiotikascheiben wurden aseptisch mit einer sterilen Pinzette platziert und alle Platten wurden 24 Stunden bei 37 ° C inkubiert (Gallenkamp England, Modell IH-150). Die Ergebnisse wurden mit NCCLS interpretiert.

3. Ergebnisse

Ergebnisse aus Tabelle 1 zeigen, dass insgesamt fünfhundertzwanzig Bakterienisolate (520) während des Untersuchungszeitraums erhalten wurden. Eine signifikante Anzahl der Isolate (305), die 58,65% der Gesamtmenge ausmachten, wurden während der Trockenzeit erhalten, während (205) 41,35% in der Regenzeit ausmachten.

Der am häufigsten vorkommende Organismus in den Wasserproben war Klebsiella spp. (104), was 20% der Gesamtzahl der erhaltenen Isolate entspricht. Die höchste Anzahl von Klebsiella spp. (18) wurde während der Trockenzeit aus Bachwasserquellen und während der Regenzeit aus Flüssen isoliert (1). Der am zweithäufigsten vorkommende Organismus war E. coli (97), was 18,7% der gesamten Bakterienisolate ausmacht. Es folgten Pseudomonas aeruginosa (15,61%), Enterobacter spp. (15,4%), Proteus vulgaris (13,1%) und Enterococcus faecali (9,2%). Der am wenigsten isolierte Organismus war Vibrio cholerae (1,2%) und Shigella spp. (1.2%). Vibrio cholerae wurde in vier Wasserquellen isoliert, nämlich, Strom, Bohrloch, Hand gegrabene Brunnen, und Dammwasserquellen, während Shigella spp. wurde in 3 isoliert: Strom, Bohrloch, und Dammwasserquellen.

Insgesamt wurden einhundertzweiundzwanzig Wasserproben für die bakteriologische Analyse entnommen. Ergebnisse aus Tabelle 2 zeigen, dass siebenundneunzig E. coli-Stämme während des Untersuchungszeitraums isoliert wurden. Achtundfünfzig Stämme, die 59,79% repräsentierten, wurden während der Trockenzeit isoliert, während neununddreißig Stämme 40,21% in der Regenzeit repräsentierten. Die höchste Anzahl von Stämmen, die aus einer einzigen Wasserquelle isoliert wurden, stammte von Muttertieren (28), die 29% ausmachten. Es folgten Bachwasserquellen (26) mit 27%, handgegrabene Brunnen (24) mit 25% und Bohrlochwasserquellen (11) mit 11%. Flusswasserquellen produzierten die geringste Anzahl isolierter Stämme (2) mit 2% und dann Kanalwasserquellen (6) mit 6%. Die höchsten Isolate während der Regenzeit wurden aus Dämmen (12) gewonnen, gefolgt von Bachwasserquellen (10) und von Hand gegrabenen Brunnen (10). Die meisten Isolate während der Trockenzeit wurden aus Staudämmen gewonnen (16), gefolgt von Bachwasserquellen (17). Die geringste Anzahl von Isolaten während der Regenzeit wurde aus Kanälen (3) gewonnen, gefolgt von Bohrlochwasserquellen (4). Es wurde kein E. coli-Stamm aus Flusswasserquellen isoliert. Die geringste Anzahl von Isolaten während der Trockenzeit wurde aus Flüssen (2) gewonnen, gefolgt von Kanalwasserquellen (3).

Results from Table 3 reveal the antibiotic susceptibility profile of the E. coli strains. Alle Stämme wurden gegen 14 verschiedene Antibiotika getestet, mit Kirby-Bauer Disc Diffusion, standardisiert und durch die Methoden des National Committee für die klinischen Laborstandards bewertet . Tabelle 3 zeigt, dass E. coli-Stämme am resistentesten gegen Penicillin (32) mit 32,99% waren, gefolgt von Cefuroxim (28) mit 28%, Erythromycin (23) mit 23,71%, Tetracyclin (21) mit 21,45%, Chloramphenicol (18) mit 18,65%, Pipemidsäure (13) mit 13,40% und Ampicillin (11) mit 11,32%. Sieben der vierzehn Antibiotika hatten zehn oder weniger Isolate, die Resistenzen zeigten. Vier Isolate, die 4,12% ausmachten, waren gegen jedes der folgenden Antibiotika resistent: Cefotaxim, Nalidixinsäure und Nitrofurantoin. Es folgten Gentamicin (5) mit 5,15%, Amikacin (7) mit 7,2%, Ciprofloxacin (8) mit 8,5% und schließlich Cotrimoxazol (8) mit 8,5%. Tabelle 3 zeigt, dass E. coli-Stämme am anfälligsten / empfindlichsten gegenüber Nitrofurantoin (91) mit 93,8% waren, gefolgt von Cefotaxim und Amikacin (89) mit 91%.75%, Gentamicin (88) mit 90,7%, Nalidixinsäure (87) mit 89,65%, Ciprofloxacin (72) mit 74,2%, Chloramphenicol (67) mit 69,07%, Pipemidsäure (64) mit 65,97% und Cefuroxim (CXM) (51) mit 52,58%. Vier der vierzehn Antibiotika hatten fünfzig oder weniger Isolate, die Resistenzen zeigten. Sie waren Penicillin (14), Tetracyclin (29), Ampicillin (45) und Erythromycin (50).

Analysis of multiple drug resistance of E. coli-Isolate aus den Wasserquellen zeigen, dass achtundvierzig Isolate, die einen großen Prozentsatz (49,48%) der E. coli-Isolate ausmachen, eine Resistenz gegen zwei oder mehr Antibiotika aufweisen und somit als Multiresistenz eingestuft werden. Dies schafft ein großes Problem für die öffentliche Gesundheit.

4. Diskussion

Das Vorhandensein von E. coli in den verschiedenen Wasserquellen kann Gesundheitsgefahren wie Durchfallerkrankungen mit sich bringen, die einen erheblichen Anteil an Morbidität und Mortalität bei Erwachsenen und Kindern ausmachen . Die Kontrolle von Durchfall kann die Verabreichung von Antibiotika erfordern. Es ist jedoch bekannt, dass mehrere Stämme von E. coli gegen eine Vielzahl von Antibiotika resistent sind . Multiple Antibiotikaresistenzen beziehen sich auf Resistenzen gegen zwei oder mehr Klassen von Antibiotika. Die in dieser Studie festgestellten multiplen Antibiotikaresistenzen von E. coli stimmen mit anderen Befunden überein . Stämme von E. coli und Salmonella spp. entfielen mehrere Ausbrüche in den Vereinigten Staaten und weltweit, teilweise aufgrund der Resistenz gegen Chloramphenicol, Ampicillin und Trimethoprim .

Die Häufigkeit der Penicillinresistenz in der aktuellen Studie war bei den Isolaten hoch im Vergleich zu Chloramphenicol und Ampicillinresistenz, die bei den Isolaten aus den verschiedenen Wasserquellen beobachtet wurden. Dies kann auf den flächendeckenden Einsatz kostengünstiger Antibiotika in der ghanaischen Gemeinschaft oder auf die Produktion von Beta-Lactamase-Enzymen zurückzuführen sein. E. coli-Resistenz gegen Ampicillin wurde von Çelebi et. Al. In : Olowe et al. , und Yurdakoek et al. . Die aufkommende Cotrimoxazol- und Ciprofloxacin-Resistenz von Downstream-Standorten ist von großer Bedeutung, da dies die bevorzugten Medikamente für viele gramnegative Bakterien sind . Der häufigste Mechanismus der Resistenz gegen Cotrimoxazol ist der Erwerb von Plasmid-vermittelten, variantenreichen Diaminopyrimidinfolat-Reduktase-Enzymen . Eine geringe Resistenz gegen Amikacin und Gentamycin könnte auf die geringere Verwendung dieser Antibiotika in der klinischen Praxis und / oder Veterinärmedizin zurückzuführen sein. Der steigende Trend der Resistenz in allen Isolaten (Gesamt- und fäkale coliforme) von stromaufwärts nach stromabwärts bestätigt die Tatsache, dass die Antibiotika möglicherweise die Wasserquellen heruntergespült und stromabwärts angesammelt haben, insbesondere während der Regenzeit, die für die hohe Resistenz verantwortlich ist.

Die Unterschiede in den Widerstandsprofilen in dieser Umweltstudie spiegeln deutlich die Unterschiede im Auswahlverfahren wider Druck in den untersuchten Standorten / Gebieten. Die höhere Resistenz gegen Antibiotika bei Coliformen von Midstream- und Downstream-Standorten ghanaischer Gemeinden ist besorgniserregend, da die meisten Einwohner baden, Kleidung waschen und sogar menschliches Abwasser in Wasserquellen an Midstream- und Downstream-Standorten entsorgen, während einige Bewohner und Nichtbewohner diese Wasserquellen für Trink- und / oder Haushaltszwecke nutzen. In Mangalore wird berichtet, dass unbehandeltes oder teilweise behandeltes häusliches Abwasser in offene Flussmündungen freigesetzt wird, was für die hohe Antibiotikaresistenz verantwortlich ist .Multiresistenz ist definiert als Resistenz gegen alle getesteten Antibiotika in mindestens zwei der folgenden drei Klassen: Lactame, Aminoglykoside und Chinolone . Die Multiresistenzcharaktere (MDR) der Isolate wurden durch Beobachtung des Resistenzmusters der Isolate gegenüber den Antibiotika identifiziert. Der MAR-Index eines Isolats ist definiert als a / b, wobei a die Anzahl der Antibiotika darstellt, gegen die das Isolat resistent war, und b die Anzahl der Antibiotika darstellt, denen das Isolat ausgesetzt war . Die MAR-Indexanalyse zeigt, dass dreißig der multiresistenten E. coli-Stämme einen sehr hohen MAR-Indexwert aufwiesen (>0,2). Der in dieser Studie festgestellte hohe MAR-Index bezieht sich auf die Tatsache, dass die Wasserquellen aufgrund des hohen Einsatzes dieser Chemikalien in der Umgebung der verschiedenen Wasserquellen möglicherweise stark mit Antibiotika kontaminiert sind. Dies ist in Übereinstimmung mit den Tambekar et al.in dem Bericht heißt es, dass Bakterien, die aus einer Umgebung stammen, in der mehrere Antibiotika verwendet werden, normalerweise einen MAR-Index von mehr als 0, 2 erzeugen. MAR Indizierung unter 0.2 in dieser Studie bestimmt wurde, lag tatsächlich unter dem unlogischen Wert der Risikokontamination . Proben, die eine MAR-Indexierung über 0,2 ergaben, wiesen jedoch auf ein hohes Kontaminationsrisiko hin. Der Unterschied in der MAR-Indexierung in den verschiedenen Wasserquellen deutete auf die Auswirkungen der Urbanisierung auf die Antibiotikaresistenz hin.

Die mikrobiologische Qualität der verschiedenen analysierten Wasserquellen war gering, da verschiedene Bakterienstämme mit unterschiedlichen Frequenzen isoliert wurden. In einem größeren Ausmaß, Unterschiede in der Antibiotikaresistenzhäufigkeit wurden in E nachgewiesen. coli-Stämme aus verschiedenen Wasserquellen, so dass einige E. coli-Stämme sehr resistent gegen Cefotaxim, Nalidixinsäure, Nitrofurantoin, Gentamicin, Amikacin, Ciprofloxacin und Cotrimoxazol waren. Die Unterschiede in den Antibiotikastämmen der verschiedenen Wasserquellen könnten den spezifischen Einsatz von Antibiotika rund um die angegebene Quelle widerspiegeln. Die hohe Prävalenz von Penicillin- und Chloramphenicol-Resistenzen stellt ein ernstes Problem für die öffentliche Gesundheit dar, da diese Antibiotika eine geringere Chance haben, infizierte Patienten zu heilen, die die untersuchten Wasserquellen als Trinkwasser oder für Haushaltszwecke nutzen. In der Tat kann die zunehmende Prävalenz von Resistenzen in den Isolaten, insbesondere des menschlichen Ursprungs, eine wichtige therapeutische Implikation haben, die Vorsicht beim wahllosen Einsatz von Antibiotika beim Menschen erfordert. Fast alle 97 Stämme von E. coli waren jedoch anfällig für einige Antibiotika, nämlich Nitrofurantoin (93.8%), gefolgt von Cefotaxim und Amikacin (91,75%), Gentamicin (90,7%), Nalidixinsäure (89,65%), Ciprofloxacin (74,2%), Chloramphenicol (69,07%), Pipemidsäure (65,97%) und schließlich Cefuroxim (52,58%).

In der Studie wurden hohe und niedrige MAR-Indexwerte aufgezeichnet, die das Kontaminationsrisiko der beprobten Wasserquellen anzeigen, was restriktivere Richtlinien für die Entsorgung von Mensch / Tier-Abwässern und das Baden / Waschen in oder in der Nähe von Gewässern erfordert. Schließlich ist eine regelmäßige Überwachung der Antibiotikasensitivität der Wasserquellen von Bedeutung, um etwaige sich in Zukunft ändernde Muster zu erkennen, um mit solchen sich ändernden Mustern Schritt zu halten und bessere Heilmaßnahmen oder politische Maßnahmen zu formulieren und umzusetzen.

Datenverfügbarkeit

Die Daten, die zur Unterstützung der Ergebnisse dieser Studie verwendet wurden, sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Interessenkonflikte

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.

Danksagung

Der aufrichtige Dank der Autoren gilt den Mitarbeitern der Abteilung für Mikrobiologie am Noguchi Memorial Institute for Medical Research der Universität Ghana für ihre Unterstützung bei der Laboranalyse unserer Arbeit. Die Autoren wollten auch die enormen Ressourcen anerkennen, die aus der Arbeit „Radiation sensitivity and molecular characterization of water-borne multidrug resistant Escherichia coli“ für diese Arbeit gewonnen wurden.