1
ANTIBIOTICKÁ RESISTENCE
V AKVATICKÝCH EKOSYSTÉMECH
JANA PETRUŽELOVÁ
EKOTOXIKOLOGIE VODNÍCH EKOSYSTÉMŮ 2017
2
ÚVOD: CO JSOU ANTIBIOTIKA?
Antibiotika jsou látky, které mají antibakteriální účinek. Některé definice zahrnují působení
též na plísně a prvoky (méně i viry).1, 2
Podle typu tohoto účinku je rozdělujeme na baktericidní,
které bakteriální buňky ireverzibilně usmrcují, a bakteriostatické, které reverzibilně zastavují
růst a množení bakterií (Obr. 1). Rozdělení však není absolutní, protože některé bakteriostatické
látky mohou ve vyšších koncentracích působit jako baktericidní. Antibiotika jsou obvykle
přírodní látky mikrobiálního původu, produkované plísněmi nebo některými bakteriemi (např.
streptomycetami), které mohou být chemicky modifikovány či synteticky vyráběny. V širším
významu mezi antibiotika řadíme též antimikrobiální látky vyráběné výlučně chemicky, pro
které se někdy používá termín chemoterapeutika.1
Běžně se termínem antibiotika označují pouze léčiva užívaná k léčbě bakteriálních infekcí.3
Ne
každá látka s antibiotickým účinkem však může být využita jako léčivo – platí, že musí být
selektivně toxická pro mikroorganismy, tzn. že musí inhibovat bakterie při malých dávkách,
které nepoškozují hostitelský organismus. Za první antibiotikum používané v medicíně je
považován penicilin produkovaný plísní druhu Penicillium notatum, který byl popsán
Alexandrem Flemingem na začátku 20. století.1
Obr. 1: Příklady bakteriostatických a baktericidních látek.
Antibiotika mají následující mechanismy účinku na bakterie (Obr. 2):
1) Inhibice syntézy buněčné stěny (baktericidní)
2) Inhibice syntézy nukleových kyselin (baktericidní)
3) Poškození buněčné membrány (baktericidní)
4) Inhibice proteosyntézy (baktericidní i bakteriostatické)
5) Inhibice syntézy některých látek (např. kyseliny listové, též označované jako
antimetabolity, většinou bakteriostatické)1, 4
3
Obr. 2: Různé typy mechanismů působení antibiotik na bakteriální buňku s uvedenými příklady
konkrétních látek.
ANTIBIOTICKÁ REZISTENCE: PROBLÉM SOUČASNÉ MEDICÍNY
U bakterií rozlišujeme tzv. přirozenou (primární) a získanou (sekundární) antibiotickou
rezistenci. Pokud se u některých druhů mikrobů ke konkrétním antibiotikům vyskytuje odolnost
„od počátku“ z fyziologických či biochemických důvodů, jedná se o přirozenou rezistenci.
Zásadním problémem je však získaná rezistence, kdy se kmeny mikrobiálních druhů původně
citlivé k dané látce stávají rezistentními, a to hlavně v důsledku časté aplikace antibiotik.1, 5
Tato odolnost se projevuje: změnou místa působení antibiotika, zabránění průniku antibiotika
do buňky, aktivním vyčerpáváním antibiotika z buňky nebo jeho inaktivací vlivem enzymů.1
Získaná rezistence vzniká mutací u některých buněk – tyto rezistentní buňky mají výhodu při
užívání antibiotika, snadno přežívají a dělením přerostou vnímavou populaci. Poté se mohou se
šířit do vnějšího prostředí nebo předávat gen pro rezistenci pomocí plasmidu či transpozonu
dalším bakteriím.1, 6
(Obr. 3). Tento přenos je druhem tzv. horizontálního transferu a může
probíhat mezidruhově i mezi geneticky velmi vzdálenými liniemi.7
Množství rezistentních lékařsky významných bakterií se stále zvyšuje a není kompenzováno
stejně rychlým vývojem nových antibiotik, takže hrozí, že se v budoucnosti lidstvo ocitne
v situaci, kdy některé kmeny bakterií budou odolné vůči všem známým antibiotikům.1, 6
Podle
WHO je již v současnosti nedostatek antibiotik pro léčbu některých onemocnění kritický, např.
4
rezistentní kmeny bakterií způsobujících tuberkulózu zabijí 250 000 lidí ročně.8
Problémem
jsou i bakterie rezistentní k více typům antibiotik (tzv. multi-rezistentní bakterie), které např.
v roce 2007 v Evropě způsobily zhruba 400 000 infekcí a 25 000 úmrtí.9
Hlavním důvodem
zvyšování počtu rezistentních bakterií je špatné či nadměrné užívání antibiotik – konkrétně
např. předčasné ukončení či zbytečné prodlužování terapie, poddávkování antibiotika, užívání
antibiotik v nevhodných případech (zejména při virózách) a velmi časté užívání v chovech
hospodářských zvířat.1
V poslední době také přispívá k šíření rezistence stále běžnější užívání
širokospektrálních antibiotik, přehnané a mnohdy nesprávné užívání antibiotik v nemocnicích
a „globalizace“, která umožňuje šíření rezistentních kmenů na velkou vzdálenost.10
Zvyšování
antibiotické rezistence způsobuje problémy v medicíně – prodlužuje se délka trvání nemocí i
léčby a bez účinných antibiotik je ohrožena bezpečnost operací a transplantací.3
Obr. 3: Schéma znázorňující princip šíření sekundární antibiotické rezistence v populaci bakterií.
ANTIBIOTIKA A ANTIBIOTICKÁ REZISTENCE VE VODNÍM PROSTŘEDÍ
Používání antibiotik významně ovlivňuje akvatické ekosystémy. Nejenom samotná antibiotika
či jejich deriváty, jež se dostávají do vodního prostředí, ale také bakterie rezistentní
k antibiotikům (antibiotic resistant bacteria, ARB) a geny pro antibiotickou rezistenci
(antibiotic resistance genes, ARG), se řadí mezi tzv. nové typy polutantů (emerging pollutants,
EPs).7
Dochází k ovlivnění vodních organismů, ať už přímo (akutní či chronická toxicita), nebo
nepřímo (změny v druhovém složení společenstev, v koloběhu látek, změnou potravní
dostupnosti apod.), a zpětně toto znečištění může ovlivňovat i lidskou populaci. Nejvíce jsou
zasaženy mikroorganismy (bakterie, houby, sinice, jednobuněčné řasy), neboť antibiotika jsou
navržena tak, aby působila proti nim. Antibiotika ve vodních ekosystémech jsou zpravidla
v relativně malých koncentracích, takže převládající toxický účinek na bakterie je chronický.2
Vodní prostředí také může sloužit jako reservoár genů pro antibiotickou rezistenci. Tyto geny
vzniknou u bakterií buď až ve vodě, nebo se sem dostanou s rezistentními bakteriemi, které se
5
namnožily během používání antibiotik. Druhý zdroj, tedy kontinuální přísun bakterií, je
významnějším a déle perzistujícím zdrojem.11, 5
Množství rezistentních bakterií ve vodním
prostředí tedy často neodpovídá množství antibiotika, které rezistenci způsobuje.5
Rezistentní
bakterie však zpravidla nemají žádnou výhodu – oproti bakteriím citlivým – v prostředí s malou
koncentrací antibiotik, geny pro rezistenci u některých bakterií dokonce snižují ve vodním
prostředí jejich fitness. U některých genů však vliv na fitness zaznamenán nebyl, takže
schopnost jejich přetrvávání v prostředí může být značná.7
Pokud by se do vodního prostředí
dostávalo více antibiotik, hrozí, že k selekci bude docházet i v něm.5
Zajímavostí je, že geny
pro rezistenci k antibiotikům jsou na podobných mobilních genetických elementech jako geny
pro rezistenci k těžkým kovům, jež se udržují v prostředí mnohem déle než léčiva a nepodléhají
rozkladu – při selekci v prostředí s těžkými kovy tedy dochází ke koselekci genů pro
antibiotickou rezistenci.7
Problematické je možné spolupůsobení antibiotik a dalších léčiv či
jiných látek, o kterém je v současnosti málo informací. Jako dlouhodobé reservoáry genů pro
antibiotickou rezistenci ve vodních ekosystémech pravděpodobně slouží zejména biofilmy
(jsou tvořeny velkou hustotou bakteriálních buněk), sedimenty (mohou obsahovat až 100x větší
koncentraci rezistentních genů než volná voda) a vodní organismy.11
ZDROJE: ODKUD SE DO VODY DOSTÁVAJÍ?
Antibiotické látky jsou mikrobiálního původu a vznikají tedy i v přírodě, tento zdroj je však
zcela nevýznamný. Podobně výroba antibiotik má obvykle zanedbatelný vliv na znečištění vod.
Zásadním zdrojem je až následné používání těchto látek v zemědělství a v medicíně (Obr. 4).2
Velká část antibiotik (v USA např. až 50 %) je spotřebována v zemědělství, hlavně v chovech
zvířat, kde se užívají k léčbě a prevenci bakteriálních infekcí. Někdy se podávají ke zlepšení
růstu hospodářských zvířat a zkvalitňování produktů (maso má větší obsah proteinů a méně
tuku), to je však zakázáno ve státech EU i např. Švýcarsku.2
Do akvatického prostředí se
antibiotika dostávají přímými odtoky z chovů zvířat, splavením z hnojišť a z polí hnojených
chlévskou mrvou nebo odtokem z továren na zpracování masa.2, 12
Stejnými způsoby se pak do
vody mohou dostávat i rezistentní bakterie osídlující trávicí trakt zvířat, které pak mohou geny
pro rezistenci předávat volně žijícím druhům v akvatickém prostředí.5
Podskupinou
zemědělství s výrazným potenciálem šíření antibiotické rezistence jsou akvakultury, zejména
intenzivní chovy ryb.2, 12
Jsou problematické v tom, že antibiotika jsou v nich užívány obvykle
velmi často a nekontrolovaně a aplikují se přímo do vody, takže se zde mohou vyskytovat
ve velkých koncentracích jak antibiotika, tak rezistentní bakterie. Typické je to zejména v
zemích, ve kterých akvakultury představují důležité odvětví zemědělství (70 % světové
6
produkce z akvakultur je v Číně).12
Dalším odvětvím s potenciálem kontaminovat vodní
prostředí je užívání antibiotik při pěstování rostlin. Toto je problémem zejména v USA, kde
jsou aplikována špatně rozložitelná antibiotika (obsahující streptomycin a oxytetracyklin) proti
bakteriálním infekcím např. jablek, hrušek a některých okrasných stromů.2
Antibiotika používaná v humánní medicíně jsou druhým zdrojem znečištění vodního
prostředí. Mezi nejužívanější patří beta-laktamová antibiotika (peniciliny, cefalosporiny,
karbapenemy), dále pak sulfonamidy, makrolidy a fluorochinolony. Z domácností se tyto látky
dostávají s močí do odpadních vod buď v nezměněné podobě, nebo jako metabolity. Uvádí se,
že procento antibiotik, které není v lidském těle metabolizováno, se velmi liší u jednotlivých
látek – v některých případech se v nezměněné podobě vyloučí 10 % látky a v některých až
90 %.2
Pacienti v domácnostech jsou nejvýznamnějším zdrojem rezistentních bakterií, které
odchází do odpadních vod.5
Také nevhodný způsob nakládání s nepoužitými léky (spláchnutí
do záchodu, vyhození do koše – možnost kontaminace za skládek) je zdrojem znečištění vod.13
Nemocnice se vyznačují užíváním antibiotik ve velkém množství, avšak jejich odpadní vody
obvykle tvoří relativně malou část přítoku do čistíren ve srovnání s domácnostmi. Na rozdíl od
nich jsou však významným zdrojem multi-rezistentních bakterií – bylo zjištěno, že jejich
množství koreluje s počtem a velikostí nemocnic napojených na danou čistírnu.5
Obr. 4: Schéma ukazující vstupy léčiv do akvatického prostředí od výroby až k pitné vodě (uváděné číselné
údaje se týkají veškerých léčiv, avšak schéma obecně je platné i pro antibiotika).
7
OSUD A EFEKT: CO SE S NIMI STANE A CO MOHOU ZPŮSOBIT?
Antibiotika a rezistentní bakterie se dostávají do akvatických ekosystémů znečištěnou či
odpadní vodou z výše uvedených zdrojů. Antibiotika jsou ve vodách alespoň zčásti
eliminována nebiotickými procesy (sorpce, hydrolýza, termolýza, fotolýza) a méně též
biotickými procesy (biodegradace).2
Zbylá antibiotika a rezistentní bakterie však mohou
působit problémy od odpadních vod až po mořské ekosystémy.2
Odpadní voda v ideálním případě doputuje do čistírny odpadních vod (ČOV), kde je část
polutantů zachycena, ale zároveň může být ovlivněna její funkčnost. Bylo prokázáno, že
antibiotika v koncentracích, v jakých mohou být nalézány v odpadních vodách z nemocnic,
způsobila úbytek bakteriálních buněk a změnu ve složení mikrobiálních populací. V ČOV tak
mohou antibiotika ve velkých koncentracích způsobit inhibici bakterií v aktivovaném kalu,
čímž se ovlivní míra degradace organických látek a dalších procesů čištění vody (nitrifikace,
metanogeneze). Účinnou, avšak poměrně nákladnou metodou na odstranění některých
antibiotik, je ozonizace.2
Vzhledem k tomu, že ČOV jsou místem s velkou koncentrací bakterií,
představují vhodné prostředí pro šíření genů podmiňujících antibiotickou rezistenci. Bakterie
rezistentní k běžným antibiotikům byly nalezeny v ČOV a v odpadních vodách po celém světě.
Většina z nich je však na čistírně zachycena – uvádí se schopnost zadržet 95-100 % bakterií,
včetně těch rezistentních (ty už zde zpravidla nemají selektivní výhodu, viz výše).5
Z odtoků z ČOV, z nečištěných odpadních vod, ze splachů z polí a z akvakultur se dostávají
antibiotika a rezistentní bakterie do povrchových vod. Velmi zasažené bývají sedimenty, a to
hlavně v nádržích využívaných pro intenzivní chov ryb. Antibiotiky může být inhibováno
bakteriální společenstvo (či změněno jeho složení) a tím tlumena míra rozkladných procesů.
Mají potenciál působit na řasy, sinice a vyšší rostliny inhibicí některých procesů (např.
replikace chloroplastů, proteosyntéza, syntéza kyseliny listové), senzitivita se však velmi liší u
různých druhů. Nejvíce náchylné jsou obvykle sinice. Je však nutné si uvědomit, že i malý
pokles početnosti řas může ovlivnit celý ekosystém, neboť autotrofové jsou na bázi potravního
řetězce. Byly potvrzeny různé toxické vlivy antibiotik na živočichy, např. snížení podílu
vylíhnutých jedinců žábronožek rodu Artemia, vyšší úmrtnost nauplií a toxický vliv na
reprodukci u perlooček Daphnia magna či změna pigmentace u nauplií Artemia salina při
aplikaci flumequinu (čímž se výrazně snížila míra přežívání). Antibiotika mohou ovlivňovat i
chování organismů, např. fototaxi u Daphnia magna. Přímý vliv na ryby v koncentracích, ve
kterých se antibiotika mohou ve vodách vyskytovat, nebyl prokázán, ale vzhledem k možnému
ovlivnění planktonu může být u některých druhů snížena dostupnost potravy.Některé látky mají
8
též schopnost bioakumulace v organismech (např. sulfadimethoxin).2
V sedimentech, vodě a
rybách některých vodních ploch jsou nalézány rezistentní bakterie, které mohou mít vliv na
člověka prostřednictvím rybolovu, odběru pitné vody či kontaktu s vodou při rekreaci. Multirezistentní
bakterie byly nalezeny např. v lagunách v Rio de Janeiru, které slouží ke všem
jmenovaným účelům navzdory znečištění odpadními vodami.7
Bakterie z vodního prostředí pak
mohou předávat geny pro rezistenci patogenním bakteriím (Obr. 5).12
Ve vodních tocích byly
naměřeny vyšší koncentrace rezistentních bakterií ve městech a u zemědělských objektů.5
V ČR
byly zaznamenány sulfonamidy v tocích pod menšími městy a jejich ČOV, vyšší koncentrace
byly objeveny v Brně v řekách a na přítoku i odtoku z ČOV, což ukazuje na malou schopnost
běžných čistíren zachycovat tyto látky.14
V rybníce na Ostravsku byly objeveny rezistentní
bakterie Salmonella a Escherichia coli, a to ve vodě i ve střevech zde žijících racků.15
Obr. 5: Schéma šíření antibiotické rezistence prostřednictvím vodních ekosystémů a následný potenciální
vliv na zdraví člověka.
V podzemních vodách bývají nalézána antibiotika a rezistentní bakterie spíše zřídka a lokálně,
např. v místech prosakování z hnojených polí či septiků a z prasklých potrubí s odpadní vodou.5
V pitné vodě byla zatím antibiotika objevena výjimečně a v malých koncentracích (např.
sulfamethoxazol, macrolidy, chinolony v USA)16
. Pokud by se dostávala do pitné vody častěji,
mohla by u některých lidí vyvolávat alergie či jiné vedlejší účinky (např. tetracykliny by neměly
být aplikovány dětem).2
Rezistentní bakterie byly nalezeny v pitné vodě např. v USA17
a
v Pekingu18
. V Německu byly objeveny též v biofilmech v rozvodech pitné vody (porovnání
množství rezistentních bakterií z různých odběrových míst je uvedeno v Tab. 1).19
9
Tab. 1: Porovnání procentuálního zastoupení bakterií rezistentních k několika typům antibiotik
v biofilmech z různých odběrových místech (odpadní vody z nemocnice, aktivační kal ČOV, odtok z čistírny,
povrchová voda a pitná voda) ve městě Mainz.
Antibiotika a rezistentní bakterie se mohou dostávat i do moří, a to hlavně u pobřežních měst
nebo v ústí velkých řek.5
Např. v Rio de Janeiru odchází nečištěná odpadní voda přímo do
mořského zálivu, kde ovlivňuje složení bakteriálních populací. V této studii bakterie
z kontaminovaných lokalit rostly i v kulturách s vysokou koncentrací ampicilinu, bakterie
z kontrolního odběru (z nedotčeného ostrova nedaleko od města) rostly pouze v kulturách bez
antibiotika. Bližší výzkum z nejvíce znečištěných lokalit ukázal u některých bakterií multirezistenci
(odolné kromě ampicilinu i vůči tetracyklinu a kanamycinu). Některé z těchto
rezistentních bakterií byly oportunisticky patogenní organismy.7
ZÁVĚR: CO MŮŽEME DĚLAT PRO ZLEPŠENÍ SITUACE?
Antibiotika a rezistentní bakterie jsou nové polutanty, jejichž vliv na vodní ekosystémy se
pravděpodobně bude zvyšovat. Proto je nutné tento vliv mírnit alespoň uvědomělým
nakládáním s těmito léčivy a předcházet vzniku rezistence: užívat antibiotika pouze v nutném
případě, vhodně je dávkovat, omezit užívání v zemědělství, poučovat veřejnost o správném
užívání a vracení nespotřebovaných léčiv do lékárny. Při výrobě je vhodné se zaměřovat na
taková antibiotika, která budou zároveň účinná a zároveň co nejlépe odbouratelná. Nezbytné je
zlepšovat technologie k detekci těchto polutantů v prostředí, aby bylo možné je lépe
monitorovat, a vyvíjet metody k jejich účinnějšímu odstraňování z odpadních vod.2
10
POUŽITÁ LITERATURA:
1 – Votava, M. (2005). Lékařská mikrobiologie obecná. 2. přepracované vydání. Neptun,
Brno. 351 s.
2 – Kümmerer, K. (2009). Antibiotics in the aquatic environment – a review – part I.
Chemosphere, 75(4), 417–434.
3 – Antibiotic resistence. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/antibiotic-resistance/en/
4 – Effect on Bacteria.
https://amrls.cvm.msu.edu/pharmacology/antimicrobials/effect-on-bacteria
5 – Kümmerer, K. (2009). Antibiotics in the aquatic environment – a review – part II.
Chemosphere, 75(4), 435-441.
6 – The Resistant Bacteria Problem.
http://www.me-med.com/html5/?_id=11489&did=2466&g=11051
7 – Coutinho, F. H., Pinto, L. H., Vieira, R. P., Martins, O. B., Salloto, G. R. B., de Oliveira
Santoro, D., Clementino, M. M. & Cardoso, A. M. (2013). Antibiotic resistance in aquatic
environments of Rio de Janeiro, Brazil. In Perspectives in Water Pollution. InTech.
8 – The world is running out of antibiotics, WHO report confirms.
http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2017/running-out-antibiotics/en/
9 – The bacterial challenge: time to react (Technical report).
https://ecdc.europa.eu/sites/portal/files/media/en/publications/Publications/0909_TER_The_B
acterial_Challenge_Time_to_React.pdf
10 – Tisková zpráva EAAD 2017.
http://www.szu.cz/uploads/EAAD/2017/Tiskova_zprava_EAAD_2017.pdf
11 – Marti, E., Variatza, E., & Balcazar, J. L. (2014). The role of aquatic ecosystems as
reservoirs of antibiotic resistance. Trends in microbiology, 22(1), 36-41.
12 – Botelho, R. G., Monteiro, S. H., & Tornisielo, V. L. (2015). Veterinary Antibiotics in the
Environment. In Emerging Pollutants in the Environment-Current and Further Implications.
InTech.
11
13 – Pharmaceuticals Found In Our Drinking Water!
https://www.dpl-surveillance-equipment.com/articles/article_53.html
14 – Černoch, I., Fránek, M., Diblíková, I., Hilscherová, K., Randák, T., Ocelka, T., & Bláha,
L. (2012). POCIS sampling in combination with ELISA: Screening of sulfonamide residues in
surface and waste waters. Journal of Environmental Monitoring, 14(1), 250-257.
15 – Dolejska, M., Bierošová, B., Kohoutová, L., Literák, I., & Čížek, A. (2009). Antibiotic‐
resistant Salmonella and Escherichia coli isolates with integrons and extended‐spectrum beta‐
lactamases in surface water and sympatric Black‐headed Gulls. Journal of applied
microbiology, 106(6), 1941-1950.
16 – Ye, Z., Weinberg, H. S., & Meyer, M. T. (2007). Trace analysis of trimethoprim and
sulfonamide, macrolide, quinolone, and tetracycline antibiotics in chlorinated drinking water
using liquid chromatography electrospray tandem mass spectrometry. Analytical Chemistry,
79(3), 1135-1144.
17 – Xi, C., Zhang, Y., Marrs, C. F., Ye, W., Simon, C., Foxman, B., & Nriagu, J. (2009).
Prevalence of antibiotic resistance in drinking water treatment and distribution systems.
Applied and environmental microbiology, 75(17), 5714-5718.
18 – Jiang, L., Hu, X., Xu, T., Zhang, H., Sheng, D., & Yin, D. (2013). Prevalence of
antibiotic resistance genes and their relationship with antibiotics in the Huangpu River and the
drinking water sources, Shanghai, China. Science of the Total Environment, 458, 267-272.
19 – Schwartz, T., Kohnen, W., Jansen, B., & Obst, U. (2003). Detection of antibioticresistant
bacteria and their resistance genes in wastewater, surface water, and drinking water
biofilms. FEMS microbiology ecology, 43(3), 325-335.
12
ZDROJE OBRÁZKŮ A TABULEK:
Obr. na úvodní straně – Are Antibiotics Really Necessary? www.speareducation.com/spear-
review/2014/05/are-antibiotics-really-necessary/
Obr. 1 – Effect on Bacteria.
https://amrls.cvm.msu.edu/pharmacology/antimicrobials/effect-on-bacteria
Obr. 2 – Antibiotic Mechanisms. https://online.science.psu.edu/micrb106_wd/node/6053
Obr. 3 – The Resistant Bacteria Problem.
http://www.me-med.com/html5/?_id=11489&did=2466&g=11051
Obr. 4 – Pharmaceuticals Found In Our Drinking Water!
https://www.dpl-surveillance-equipment.com/articles/article_53.html
Obr. 5 – Coutinho, F. H., Pinto, L. H., Vieira, R. P., Martins, O. B., Salloto, G. R. B., de
Oliveira Santoro, D., Clementino, M. M. & Cardoso, A. M. (2013). Antibiotic resistance in
aquatic environments of Rio de Janeiro, Brazil. In Perspectives in Water Pollution. InTech.
Tab. 1 - Schwartz, T., Kohnen, W., Jansen, B., & Obst, U. (2003). Detection of antibioticresistant
bacteria and their resistance genes in wastewater, surface water, and drinking water
biofilms. FEMS microbiology ecology, 43(3), 325-335.