[論文レビュー] A Model of the Number of Antibiotic Resistant Bacteria in Rivers

Bonita Lawrence, Anna Mummert+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2010

Pharmaceutical and Antibiotic Environmental Impacts参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、陸上からの細菌流入、遺伝子喪失、河川の環境収容能力を組み込んだ非線形な数学的モデルを提案し、河川内の耐性および非耐性細菌のダイナミクスを模擬する。シミュレーションの結果、陸上からの頻繁な細菌流入は耐性株の優勢をもたらすが、間欠的な流入では遺伝子喪失によって回復が可能となる。これは、河川周辺での抗生物質使用を減らすことで環境内での耐性の拡散を緩和できる可能性を示唆する。

ABSTRACT

The large reservoir of antibiotic resistant bacteria in raw and treated water supplies is a matter of public health concern. Currently, the National Antimicrobial Resistance Monitoring Systems, a collaborative effort of the Centers for Disease Control, the US Department of Agriculture, and the US Food and Drug Administration, does not monitor antimicrobial resistance in surface waters. Given the serious nature of antibiotic resistance in clinical settings, and the likelihood that antibiotic resistant bacteria can be transmitted to humans from large environmental reservoirs via drinking water, explanations for the distribution of antibiotic resistant bacteria and tools for studying this distribution must be found. Here we focus on mathematical modeling of cultivable bacteria in a river, which will be used to study the distribution of antibiotic resistant bacteria in the environment. We consider both antibiotic resistant and non-antibiotic resistant bacteria in the model, and, taking into account the strong correlation between land use and antibiotic resistant bacteria in rivers, we include a function for the influx of bacteria into the river from the shore. We simulate the model for two different time scales and show that if there is too many bacteria from the land entering the river, the river entirely fills with antibiotic resistant bacteria, while less frequent influxes allows time for the bacteria to lose the antibiotic resistant gene. This mathematically verifies that reduction in antibiotic use near the banks of rivers, will reduce the counts of antibiotic resistant bacteria in rivers.

研究の動機と目的

• 臨床および食品衛生監視の対象外である、特に表層水における耐性細菌の環境モニタリングの不足に対処すること。
• 河川系における培養可能な耐性細菌の分布およびダイナミクスをモデル化し、環境的貯留源に焦点を当てる。
• 河川周辺の土地利用および河川岸からの細菌流入が、河川内での耐性の広がりに与える影響を調査すること。
• 耐性ダイナミクスを予測する数学的フレームワークを提供し、公衆衛生対策に貢献すること。

提案手法

• 常微分方程式の連立系を用いて、河川内における耐性および非耐性細菌の個体群ダイナミクスをモデル化する。
• 農業、都市、工業的源からの寄与を表す時間に依存する流入関数 F_S(t) および F_I(t) をモデルに組み込む。
• 耐性細菌が時間経過とともに耐性遺伝子を喪失する動的メカニズムをモデル化し、回復は流入イベントの間隔に依存する。
• 河川の環境収容能力 K(t) を、時間および位置に依存する要因として導入し、全細菌個体群の制限要因とする。
• 河川内の細菌が均一に混合されると仮定し、一様な条件を有する一次元の流れとして扱う。
• 短期的な流入効果と長期的な回復ダイナミクスを評価するために、2つの時間スケールでシミュレーションを実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陸上からの細菌流入の頻度および大きさは、河川内における耐性細菌の割合にどのように影響するか？
• RQ2 十分な時間の間隔を空けて流入が発生すれば、耐性細菌の高濃度状態から河川は回復可能か？
• RQ3 農業や都市開発などの土地利用様式は、河川系内での耐性の増加とどの程度相関しているか？
• RQ4 河川の環境収容能力は、耐性細菌の持続および拡散にどのように影響するか？
• RQ5 流入イベント後の河川細菌集団の回復に、耐性遺伝子の喪失が果たす役割はどの程度か？

主な発見

• 陸上からの頻繁な細菌流入は、耐性細菌による完全な優占を引き起こし、河川が耐性株に支配されることになる。
• 十分な流入間隔があれば、耐性細菌が耐性遺伝子を喪失し、非耐性株が再確立されるため、河川は回復可能である。
• モデルは、河川周辺での抗生物質使用を減らすことで、耐性細菌の環境的貯留源を顕著に低減できる可能性を示している。
• モデルの予測は、流入関数 F_S(t) および F_I(t) の形式およびタイミングに敏感であるため、土地利用に基づく正確な入力データの必要性が強調される。
• モデルは、現在の監視システム（例：NARMS）が、便中インジケーターバイオームでは捉えきれない、主要な環境的耐性貯留源を逃している可能性を示唆している。
• 空間的・遺伝的複雑性（例えば、水平遺伝子転移や耐性レベルの差異）は十分に捉えられていないため、今後のモデルの洗練化が求められる。