Η παραγωγή βιομάζας μικροφυκών με χρήση λυμάτων μειώνει την εξάπλωση της αντίστασης στα αντιβιοτικά στο περιβάλλον

Η σύγχρονη κοινωνία μας αντιμετωπίζει αυξανόμενες προκλήσεις που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας και τη διαχείριση απορριμμάτων. Σε αυτό το πλαίσιο, ζητούνται τεχνολογίες που αξιοποιούν τα ρεύματα αποβλήτων ως πόρους για την παραγωγή ενέργειας. Ένα πολλά υποσχόμενο παράδειγμα μιας τέτοιας προσέγγισης είναι η χρήση αστικών λυμάτων για παραγωγή βιοενέργειας μέσω της ανάπτυξης βιομάζας μικροφυκών σε φωτοβιοαντιδραστήρες.

Η χρήση λυμάτων ως υπόστρωμα σε φωτοβιοαντιδραστήρες έχει αποδειχθεί οικονομικά εφικτή καθώς μεγάλες ποσότητες νερού και θρεπτικών ουσιών που απαιτούνται για την παραγωγή βιομάζας μικροφυκών είναι άμεσα διαθέσιμες σε αυτό το ρεύμα αποβλήτων. Με τη σειρά του, η ανάπτυξη φυκών έχει ως αποτέλεσμα την ενισχυμένη απομάκρυνση των θρεπτικών ουσιών από τα λύματα και μειώνει την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την οξυγόνωση των λυμάτων.

Σε αυτόν τον τύπο συνδυασμένου συστήματος επεξεργασίας λυμάτων/παραγωγής βιοενέργειας, τα φύκια και τα βακτήρια είναι αμοιβαία ωφέλιμα:τα φύκια παράγουν οξυγόνο, το οποίο τα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να διασπάσουν οργανικές ενώσεις σε διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο τα φύκια μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν στη φωτοσύνθεση για να παράγουν περισσότερο οξυγόνο . Η αποτελεσματικότητα των φωτοβιοαντιδραστών τόσο για την παραγωγή βιομάζας από φύκια όσο και για τον καθαρισμό των λυμάτων εξαρτάται από τις βιώσιμες συνθήκες διαβίωσης των μικροβίων. Για το λόγο αυτό, τα λύματα υψηλής αντοχής (πολύ πλούσια σε θρεπτικά συστατικά) πρέπει να αραιώνονται για να διασφαλιστεί ότι δεν υπάρχουν αρνητικές επιπτώσεις στο σύστημα. Συνηθέστερα, είτε νερό από σύστημα πόσιμου νερού είτε νερό από φυσικό υδάτινο σώμα που βρίσκεται σε βολική τοποθεσία, χρησιμοποιείται για αυτόν τον σκοπό.

Ενώ η μοίρα των κύριων θρεπτικών συστατικών στους φωτοβιοαντιδραστήρες είναι αρκετά γνωστή, η γνώση των αναδυόμενων μολυσματικών ουσιών όπως τα φαρμακευτικά προϊόντα, τα νανοϋλικά ή τα ανθεκτικά στα αντιβιοτικά βακτήρια και τα γονίδια που κωδικοποιούν την αντοχή στα αντιβιοτικά είναι περιορισμένη. Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (2014) έχει αναγνωρίσει την εμφάνιση της ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά ιδιαίτερα ως παγκόσμια ανησυχία για την υγεία του 21ου αιώνα. Τα αστικά λύματα αποτελούν σημαντική πηγή καθοριστικών παραγόντων αντοχής στα αντιβιοτικά. Συγκεκριμένα, τα συμβατικά συστήματα επεξεργασίας λυμάτων που βασίζονται σε διεργασίες ενεργού ιλύος είναι καλά αναγνωρισμένες δεξαμενές που χρησιμεύουν ως σταθμοί μεταφοράς γονιδιακού υλικού και κόμβοι διάδοσης μεταξύ ανθρωπογενών και φυσικών περιβαλλόντων. Ωστόσο, δεν υπάρχουν επίσημα πρότυπα για τις συγκεντρώσεις καθοριστικών παραγόντων αντοχής στα αντιβιοτικά στις απορρίψεις μονάδων επεξεργασίας λυμάτων. Κατά συνέπεια, αντιμετωπίζουμε την κατάσταση όπου εκατομμύρια γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά εγκαταλείπουν τη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων σε κάθε χιλιοστόλιτρο καθαρού νερού και εισέρχονται στο φυσικό περιβάλλον ή, στη χειρότερη περίπτωση, στα αποθέματά μας γλυκού νερού.

Μπορέσαμε να δείξουμε σε φωτοβιοαντιδραστήρες εργαστηριακής κλίμακας ότι αυτή η τεχνολογία επεξεργασίας λυμάτων μπορεί να είναι πιο αποτελεσματική σε σύγκριση με τις συμβατικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων στον έλεγχο της αντοχής στα αντιβιοτικά που εξαπλώνονται μέσω των επεξεργασμένων αστικών λυμάτων σε φυσικά περιβάλλοντα.

Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν έναν διαφορετικό μηχανισμό μείωσης της αντίστασης των αντιβιοτικών σε φωτοβιοαντιδραστήρες σε σύγκριση με τις συμβατικά ενεργοποιημένες μονάδες επεξεργασίας λυμάτων με βάση την ιλύ. Ο ρυθμός μείωσης των ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων και των γονιδίων ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά στα συμβατικά συστήματα επεξεργασίας λυμάτων εξαρτάται από τη γενική μείωση της αφθονίας ολόκληρης της βακτηριακής κοινότητας κατά την επεξεργασία των λυμάτων. Στους φωτοβιοαντιδραστήρες, η μείωση της αποτελεσματικότητας των καθοριστικών παραγόντων αντοχής στα αντιβιοτικά συνδέεται με τις αλλαγές στη σύνθεση της μικροβιακής κοινότητας κατά την επεξεργασία των λυμάτων. Ένας σημαντικός παράγοντας που οδήγησε σε αλλαγές στη σύνθεση της μικροβιακής κοινότητας ήταν η αύξηση του επιπέδου του pH που προκλήθηκε άμεσα από την έντονη ανάπτυξη φυκών. Με άλλα λόγια, φαίνεται ότι όσο περισσότερα φύκια μπορούμε να παράγουμε στους φωτοβιοαντιδραστήρες, τόσο καλύτερη απομάκρυνση των καθοριστικών της αντοχής στα αντιβιοτικά επιτυγχάνεται.

Αξιολογήθηκαν επίσης τα αποτελέσματα δύο κοινώς χρησιμοποιούμενων αραιωτικών για τη ρύθμιση της συγκέντρωσης αστικών λυμάτων, δηλαδή του νερού της βρύσης από το σύστημα πόσιμου νερού και του νερού της λίμνης από ένα τοπικό υδάτινο σώμα. Το νερό της λίμνης προήλθε από ένα τοπικό λιμάνι γιοτ και, μετά από ανάλυση, αποκάλυψε σημάδια βαριάς ανθρώπινης επίδρασης. Στην πραγματικότητα, η αφθονία των γονιδίων αντίστασης στα αντιβιοτικά στο νερό της λίμνης ξεπέρασε σημαντικά τα επίπεδα που συναντώνται συνήθως σε φυσικά υδάτινα σώματα και ήταν αντίθετα παρόμοια με τις απορρίψεις σταθμών επεξεργασίας λυμάτων. Αν και το νερό της λίμνης συνεισέφερε ποικίλη και άφθονη αντίσταση στα αντιβιοτικά (προσθέτοντας τα επίπεδα αντίστασης των λυμάτων) στους φωτοβιοαντιδραστήρες, αποδείχθηκε ότι είναι πιο ωφέλιμο για την αραίωση των λυμάτων από το νερό της βρύσης. Η προσθήκη νερού στη λίμνη προώθησε την ανάπτυξη φυκιών περισσότερο από το νερό της βρύσης, το οποίο με τη σειρά του οδήγησε σε υψηλότερη ικανότητα μείωσης των καθοριστικών παραγόντων αντοχής στα αντιβιοτικά.

Στα πιο αποτελεσματικά μείγματα νερού λιμνών και αστικών λυμάτων που χρησιμοποιούν φωτοβιοαντιδραστήρες, η μείωση της αντίστασης στα αντιβιοτικά ήταν τόσο σημαντική που οι αντιστάσεις των εκκενώσεων του αντιδραστήρα ήταν πιο παρόμοιες με υδάτινα περιβάλλοντα με ελαφρά ανθρώπινη επίδραση παρά με τις απορρίψεις συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων ή ακόμα και του ίδιου του νερού της λίμνης χρησιμοποιείται για αραιώσεις. Το τελευταίο παρουσιάζει κάπως απροσδόκητο πρόσθετο όφελος από τη χρήση φωτοβιοαντιδραστήρων για την επεξεργασία λυμάτων, καθώς επιτρέπει ταυτόχρονα τη μείωση της αντιβιοτικής αντίστασης των αστικών λυμάτων και των φυσικών υδάτων με ισχυρή ανθρωπογενή επίδραση.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Reduction of antibiotic resistome and integron-integrase genes in εργαστηριακής κλίμακας φωτοβιοαντιδραστήρες που επεξεργάζονται δημοτικά λύματα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Water Research . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Hiie Nõlvak, Marika Truu, Kristjan Oopkaup, Kärt Kanger και Jaak Truu από το Πανεπιστήμιο του Tartu, Εσθονία, και τους Ivo Krustok και Emma Nehrenheim από το Πανεπιστήμιο Mälardalen, Σουηδία.