När orkanen Maria kom i land, förödande Dominica, St Croix, och Puerto Rico i september 2017, översvämningar och strömavbrott orsakade förödelse på det försvagade landet, vilket leder till förorening av vattendrag med obehandlat mänskligt avfall och patogena mikroorganismer.

Sex månader efter den dödliga kategori 5-orkanen, Virginia Tech civil- och miljöteknikprofessor Amy Pruden ledde ett team av Virginia Tech-forskare, inklusive Maria Virginia Riquelme och William Rhoads, då postdoktorala forskare, som packade sina väskor och laboratoriematerial och begav sig till Puerto Rico.

Förenta staternas öterritorium som ligger i nordöstra Karibiska havet hade ödelagts, kastar sina 3,4 miljoner invånare i kris. Massförstörelsen innebar en avgörande möjlighet för forskarna att studera hur skador på avloppsvatteninfrastrukturen kan bidra till spridningen av antibiotikaresistens – ett växande globalt hot mot folkhälsan.

I en studie publicerad i American Chemical Society's Journal of Environmental Science &Technology, Virginia Tech-forskare och internationella samarbetspartners har vidareutvecklat en innovativ metod för övervakning av antibiotikaresistens genom att tillämpa DNA-sekvenseringstekniker för att upptäcka spridning av sjukdomar i vattendelar som påverkas av storskaliga stormar.

"Denna studie är ett kritiskt steg mot att etablera en enhetlig och omfattande övervakningsmetod för antibiotikaresistens i vattendelar, sade Pruden, W. Thomas Rice professor i civil- och miljöteknik. "Helst, den kan användas som en baslinje för att spåra störningar och folkhälsoproblem i samband med framtida stormar."

Under det senaste decenniet, Pruden, en mikrobiolog och miljöingenjör, har arbetat med sina elever med hjälp av nästa generations DNA-sekvensering, en specialitet av Prudens, att undersöka Legionella-stammar som de fungerar tidigare, under, efter, och utanför legionärssjukdomsutbrott i olika städer över hela landet, inklusive Flint, Michigan.

Med RAPID-finansiering från National Science Foundation och i samarbete med huvudutredaren Christina Bandoragoda, forskare vid University of Washington med expertis inom modellering av vattendelar och geospatial analys, Virginia Tech-forskare slog sig ihop med Graciela Ramirez Toro, professor och chef för Centro de Educación, Conservación e Interpretación Ambiental, och hennes forskargrupp vid det lokala Interamerican University i San German, Puerto Rico. Tillsammans, de identifierade tre provtagningsplatser i vattendelar med distinkta markanvändningsmönster och nivåer av avloppsvattentillförsel som var idealiska för att spåra geospatiala mönster i förekomsten av bakteriegener som orsakar antibiotikaresistens.

Prudens doktorand och första författare till tidningen Benjamin Davis använde en metod som kallas shotgun metagenomic DNA-sekvensering för att detektera antibiotikaresistensgener i flodvattenprover från tre vattendelar, inklusive prover som samlats in genom att vandra till långt uppströms orörda delar av vattendelare och nedströms tre avloppsreningsverk. Metagenomics är studiet av genetiskt material som utvinns direkt från miljöprover.

Analys av data visade att två antropogena antibiotikaresistensmarkörer - DNA-sekvenser associerade med mänsklig påverkan på vattendelaren - korrelerade med en distinkt uppsättning antibiotikaresistensgener, relativt de som korrelerade specifikt med mänskliga fekala markörer.

En tydlig avgränsning av avloppsreningsverkens inverkan på genprofilerna för antibiotikaresistens var uppenbar och nivåerna höjdes nedströms avloppsreningsverken, vilket resulterar i en stor mångfald av gener som påverkar resistens mot kliniskt viktiga antibiotika, såsom betalaktamer och aminoglykosider, i vattendelareproverna. Några av de beta-laktamresistensgener som upptäckts var associerade med dödliga antibiotikaresistenta infektioner i regionen och visade tecken på att kunna hoppa över bakteriestammar. Beta-laktamresistensgener noterades också vara mer exakt förutsägda av antropogena antibiotikaresistensmarkörer än mänskliga fekala markörer.

Även om baslinjenivåer av antibiotikaresistensgener i Puerto Ricans vattendelar före orkanen Maria är okända, övervakningsmetoder som dessa skulle kunna användas för att bedöma framtida effekter av stora stormar på spridningen av antibiotikaresistens, sa forskarna.

Många internationella samfund kommer sannolikt inte att ha tillgång till sofistikerade metagenomiska övervakningsverktyg inom en snar framtid, men identifieringen av enstaka genmål, såsom antropogena antibiotikaresistensmarkörer, göra vattendelareövervakning av antibiotikaresistens mycket mer tillgänglig. Och sådana gener kan kvantifieras direkt genom kvantitativ polymeraskedjereaktion, ger kostnadseffektiv, snabba resultat på mindre än en dag.