Gli antibiotici hanno permesso di eradicare malattie ritenute un tempo incurabili, come polmoniti e tubercolosi. Tuttavia, a causa del loro uso massivo e del trattamento inadeguato delle acque reflue, molti batteri si sono evoluti per sopravvivere a questi farmaci, rendendoli inefficaci e favorendo lo sviluppo della resistenza agli antimicrobici (AMR), una delle principali minacce globali per la salute pubblica. Il DNA extracellulare (exDNA) svolge un ruolo chiave in questo processo, stabilizzando i geni di resistenza agli antibiotici (ARG) nell’ambiente e facilitandone il trasferimento orizzontale. Nonostante ciò, la sua struttura tassonomica e il suo impatto ecologico rimangono poco caratterizzati, soprattutto nei sistemi acquatici africani.
Ora, un gruppo di ricercatori guidato da John Paul Makumbi dell’Università di Stellenbosch (Sudafrica) ha analizzato l’intero insieme dei geni di resistenza agli antibiotici (resistoma) associato all’exDNA in nove impianti di trattamento delle acque reflue sudafricani e nei fiumi riceventi. Il team ha confrontato l’impiego di un unico trattamento biologico (fanghi attivi a stadio singolo o ASP) con sistemi che integrano una fase di filtrazione aggiuntiva (ASP-biofiltro). Le analisi hanno dimostrato che l’exDNA ospita ARG mobili ad alto rischio, dominati da Pseudomonadota e Bacteroidota, con un arricchimento negli effluenti (acque trattate in uscita) e nei fiumi a monte e a valle delle strutture di depurazione, indicando apporti cumulativi da più serbatoi ambientali. Il lavoro, pubblicato ad aprile su Cell Reports, aggiunge un nuovo tassello alla comprensione dell’AMR, rafforzando la necessità di strategie più efficaci per la rimozione dell’exDNA e di un maggiore monitoraggio in aree geografiche ancora poco studiate.
L’exDNA modella il resistoma negli ambienti acquatici
I ricercatori hanno identificato 561 ARG associati all’exDNA, corrispondenti a 127 geni distinti che conferiscono resistenza a 12 grandi classi di antibiotici, tra cui aminoglicosidi (aph, aad), beta-lattamici (bla-A, blaAER, blaSCO, blaOXA e blaNPS), carbapenemi (blaTHIN, blaJOHN, e blaCAU), cefalosporine (blaMOX), macrolidi, lincosamidi e streptogramina B o MLSb, cloramfenicolo e chinoloni. L’exDNA era diffuso soprattutto nei campioni provenienti dai sistemi di depurazione – con un totale di 388 ARG tra effluenti e affluenti (acque in ingresso) – rispetto ai campioni fluviali – 84 ARG a impianti e 94 a valle. Quasi tutti i geni erano sovrapponibili tra i due campioni: solo sei che erano esclusivi dei campioni fluviali, in cui tra l’altro erano più abbondanti. Inoltre, alcuni canali ricevevano effluenti da più impianti, evidenziando il potenziale di trasferimento genico tra gli ambienti acquatici.
Le caratteristiche degli impianti influenzano i modelli di AMR
I ricercatori hanno analizzato gli ARG associati all’exDNA negli affluenti e negli effluenti provenienti da impianti di varie dimensioni e basati su diverse tecnologie di trattamento (ASP e sistemi combinati ASP-biofiltro), rilevando una diffusione indipendente. Ad esempio, i campioni fluviali a valle collegati a tre impianti (due basati su sistemi combinati ASP-biofiltro e un altro solo su ASP) hanno mostrato un numero maggiore di ARG rispetto ai siti a monte che hanno riportato la presenza di geni resistenti solo a due classi (aminoglicosidi e cefalosporine). Inoltre, sei impianti, rappresentativi di tutte le dimensioni e tecnologie di trattamento, hanno mostrato un numero maggiore di ARG negli effluenti rispetto agli affluenti.
Gli impianti basati solo su ASP mostravano un accumulo di geni resistenti a otto classi di antibiotici: aminoglicosidi, beta-lattamici, carbapenemi, cefalosporine, chinoloni, sulfonamidi, streptotricina e rifamicina. L’impiego di ASP-biofiltro riduceva il numero di geni resistenti a diversi farmaci (aminoglicosidi, cefalosporine, MLSb, chinoloni e rifamicina), ma non a beta-lattamici, carbapenemi, cloramfenicolo, streptotricina e trimetoprim.
Pseudomonadota e Bacteroidota dominano la comunità microbica
L’analisi del resistoma associato all’exDNA ha rivelato una forte prevalenza di Pseudomonadota e Bacteroidota – noti per il loro ruolo nell’AMR – in entrambi gli ambienti, implicati nella resistenza a classi di antibiotici clinicamente importanti come carbapenemi e MLSb. Due geni derivanti da Bacteroidota e classificati nel genere Emticicia, presentavano l’uno resistenza a due farmaci e l’altro multiresistenza (MDR). I ricercatori hanno riscontrato anche la presenza di Bacillota, Campylobacterota e virus come Caudoviricetes. Tuttavia, l’elevato numero di ARG non classificabili suggerisce che la loro abbondanza e diversità possa essere ancora sottostimata. Infine, l’exDNA può fungere da vettore per un discreto numero di ARG, poiché negli impianti spesso si procede alla sola rimozione fisica delle cellule.
I plasmidi rappresentano il principale vettore per la diffusione di ARG associati all’exDNA
Molti geni di resistenza agli antibiotici (ARG) spesso si trovano su elementi genetici mobili (MGE), quali plasmidi e batteriofagi, che amplificano il rischio di diffusione dell’AMR. In questo studio, 140 ARG erano associati a MGE, pari a 45 geni distinti e al 25% degli ARG associati all’exDNA. Il 90% era presente su sequenze plasmidiche, che coinvolgevano 11 classi di antibiotici – inclusi carbapenemi e cefalosporine – e il 92% delle classi di resistenza identificate nel resistoma. Gli ARG associati ai batteriofagi comprendevano, invece, tre geni di resistenza aMLSb e uno agli aminoglicosidi. Ancora una volta i campioni fluviali ospitavano la maggiore presenza di ARG associati a MGE rispetto agli impianti di trattamento delle acque reflue, indipendentemente dalla tecnologia di trattamento e dal numero di ARG mobili negli effluenti. Una variabilità che sottolinea il potenziale ruolo di fattori come la fonte dell’affluente e le condizioni ambientali locali.
Conclusioni
Sebbene ancora poco studiato, l’exDNA emerge tra gli attori dominanti che plasmano i modelli di AMR all’interno delle strutture di depurazione e degli ambienti d’acqua dolce. La ricerca in questione sottolinea l’urgenza di implementare l’analisi delle acque di ecosistemi ancora sottorappresentati, come quelli africani, e strategie più efficaci di trattamento delle acque reflue.
