Biofiltration: A breeding ground for antibiotic resistance genes

हर दिन, हमारे घरों, अस्पतालों और उद्योगों से लाखों गैलन पानी एक ही गंतव्य की ओर बहता है: अपशिष्ट जल उपचार संयंत्र (वेस्टवॉटर ट्रीटमेंट प्लांट)। ये सुविधाएं सार्वजनिक स्वास्थ्य के अनसुने रक्षक हैं, जिन्हें हानिकारक पदार्थों को हटाने और हमारे नदियों और झीलों में साफ पानी वापस भेजने के लिए डिज़ाइन किया गया है। दशकों से, प्राथमिक लक्ष्य दृश्य गंदगी, जैविक कचरे और खतरनाक रसायनों को हटाना रहा है। हालाँकि, इन प्रणालियों के भीतर एक शांत, अधिक अदृश्य खतरा उभर कर आया है: एंटीबायोटिक-प्रतिरोधी बैक्टीरिया। ये सूक्ष्म जीव हैं जिन्होंने उन दवाओं के जीवित रहने का तरीका सीख लिया है जिनका उपयोग डॉक्टर उन्हें मारने के लिए करते हैं। जब ये बैक्टीरिया या वे आनुवंशिक निर्देश जो उन्हें प्रतिरोधी बनाते हैं, पर्यावरण में निकल जाते हैं, तो वे लोगों, जानवरों और फसलों तक फैल सकते हैं, जिससे सामान्य संक्रमणों का इलाज करना कठिन हो जाता है। आज वैज्ञानिकों के सामने सवाल केवल यह नहीं है कि उपचार संयंत्र इन कीटाणुओं को हटाते हैं या नहीं, बल्कि यह भी है कि क्या सफाई की प्रक्रिया अनजाने में सबसे कठिन जीवित रहने वालों के लिए प्रजनन स्थल बनाकर समस्या को और खराब कर सकती है।

जर्मनी के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इस संभावना की जांच करने के लिए जर्मनी के सेल (Celle) में एक नगरपालिका उपचार संयंत्र में यह अध्ययन किया। उनका ध्यान सुविधा के एक विशिष्ट भाग पर था जिसे बायोफिल्ट्रेशन (biofiltration) कहा जाता है, यह एक ऐसा चरण है जहाँ पानी मिट्टी के दानों (clay pellets) के बिस्तर से होकर गुजरता है जो जीवित सूक्ष्मजीवों की एक चिपचिपी परत से ढका होता है जिसे बायोफिल्म (biofilm) कहा जाता है। यह बायोफिल्म एक अंतिम पॉलिश के रूप में कार्य करने के लिए है, जो पानी को छोड़ने से पहले बचे हुए किसी भी पोषक तत्व को खा जाती है। भारी बाढ़ के कारण दो महीने तक बंद रहने के बाद इस संयंत्र ने हाल ही में इस बायोफिल्ट्रेशन चरण को फिर से शुरू किया था। शोधकर्ताओं ने इस पुनरारंभ को एक प्राकृतिक प्रयोग के रूप में उपयोग करने का निर्णय लिया, यह देखने के लिए कि जैसे-जैसे सिस्टम सामान्य संचालन में वापस आता है, बैक्टीरिया का समुदाय कैसे बदलता है। वे विशेष रूप से दो खतरनाक प्रकार के प्रतिरोधों में रुचि रखते थे: एक जो एक्सटेंडेड-स्पेक्ट्रम बीटा-लैक्टामेस (extended-spectrum beta-lactamases) नामक सामान्य एंटीबायोटिक्स के एक व्यापक वर्ग को विफल करता है, और दूसरा जो यहाँ तक कि ज्ञात सबसे मजबूत "अंतिम विकल्प" दवाओं, कार्बैपेनेम्स (carbapenems) को भी विफल कर देता है।

वैज्ञानिकों ने चार प्रमुख बिंदुओं पर पानी के नमूने एकत्र किए: जब गंदा पानी पहली बार पहुँचा, मुख्य सेटलिंग टैंकों से गुजरने के बाद, सीधे बायोफिल्ट्रेशन इकाई में मिट्टी के दानों से, और अंत में संयंत्र से बाहर निकलने वाले साफ पानी से। उन्होंने इन नमूनों को लैब में विशेष प्लेटों पर उगाया जो केवल प्रतिरोधी बैक्टीरिया को बढ़ने की अनुमति देती हैं, फिर जीवित बचे बैक्टीरिया की जांच की कि उनमें कौन से विशिष्ट प्रतिरोध जीन मौजूद हैं। जो उन्होंने पाया उसने इस धारणा को चुनौती दी कि उपचार संयंत्र केवल फिल्टर के रूप में काम करते हैं जो खतरे को कम करते हैं। जबकि संयंत्र कुल बैक्टीरिया की संख्या को कम करने में बहुत अच्छा था—कुल आबादी को 99 प्रतिशत से अधिक कम कर दिया—लेकिन यह प्रतिरोधी बैक्टीरिया को उसी अनुपात में हटाने में विफल रहा। वास्तव में, जैसे-जैसे पानी सिस्टम के माध्यम से आगे बढ़ा, प्रतिरोधी बैक्टीरिया का अनुपात वास्तव में बढ़ गया। मई तक, जब पानी संयंत्र के अंतिम निकास तक पहुँचा, तो सामान्य एंटीबायोटिक दवाओं के प्रति प्रतिरोधी बैक्टीरिया की मात्रा संयंत्र में प्रवेश करने की तुलना में लगभग चार गुना बढ़ गई थी, और सबसे मजबूत दवाओं के प्रति प्रतिरोधी बैक्टीरिया की मात्रा लगभग सात गुना बढ़ गई थी।

सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि बायोफिल्ट्रेशन चरण, जिसे सुरक्षा कवच के रूप में बनाया गया था, वास्तव में इन प्रतिरोधी कीटाणुओं के लिए एक हॉटस्पॉट के रूप में कार्य कर रहा था। जैसे ही पानी सेटलिंग टैंकों से बायोफिल्ट्रेशन इकाई में गया, प्रतिरोधी बैक्टीरिया की संख्या में उल्लेखनीय वृद्धि हुई। मिट्टी के दाने और उनका बायोफिल्म इन बैक्टीरिया के एक साथ चिपकने, खुद को सुरक्षित रखने और अपने आनुवंशिक निर्देशों को साझा करने के लिए एक आदर्श वातावरण प्रदान करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि बायोफिल्म न केवल प्रतिरोधी बैक्टीरिया को थामे रख रहा था, बल्कि सक्रिय रूप से उन्हें बढ़ने और अपने प्रतिरोध गुणों को एक-दूसरे के साथ साझा करने में मदद कर रहा था। यह प्रक्रिया, जिसे हॉरिजॉन्टल जीन ट्रांसफर (horizontal gene transfer) कहा जाता है, ने बैक्टीरिया को सिस्टम के माध्यम से यात्रा करते समय अधिक खतरनाक बनने में मदद की। अध्ययन ने दिखाया कि बायोफिल्ट्रेशन चरण केवल समस्या को आगे नहीं भेज रहा था; बल्कि यह उसे बढ़ा रहा था, एक प्रबंधनीय जोखिम को सुपर-प्रतिरोधी बैक्टीरिया के एक केंद्रित भंडार में बदल रहा था।

जब शोधकर्ताओं ने प्रतिरोध के लिए जिम्मेदार विशिष्ट जीनों की पहचान करने के लिए बैक्टीरिया के भीतर देखा, तो उन्हें एक जटिल और परिवर्तनशील तस्वीर मिली। अध्ययन की शुरुआत में, एक प्रकार का प्रतिरोध जीन आम था, लेकिन जैसे-जैसे महीने बीतते गए, अलग-अलग जीनों ने नियंत्रण कर लिया। NDM नामक एक जीन, जो कार्बैपेनेम्स के प्रति प्रतिरोध प्रदान करता है, विशेष रूप से प्रभावी हो गया। मई तक, संयंत्र से बाहर निकलने वाले अंतिम पानी में पाए गए लगभग 87 प्रतिशत प्रतिरोधी बैक्टीरिया में यह विशिष्ट जीन मौजूद था। यह एक चौंकाने वाली खोज थी क्योंकि NDM को अक्सर अपशिष्ट जल में दुर्लभ माना जाता है, लेकिन यहाँ यह पूरी उपचार प्रक्रिया के दौरान फल-फूल रहा था और बना हुआ था। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि ये बैक्टीरिया न केवल एक प्रतिरोध जीन ले जा रहे थे; कई बैक्टीरिया एक साथ कई जीन ले जा रहे थे। जैसे-जैसे पानी संयंत्र के माध्यम से आगे बढ़ता गया, यह अधिक संभावित होता गया कि जीवित बचे बैक्टीरिया तीन अलग-अलग प्रतिरोध जीनों के संयोजन को धारण करेंगे, जिससे वे इलाज के लिए अविश्वसनीय रूप से कठिन बन जाएंगे।

शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट आनुवंशिक उपकरण का भी पता लगाया जिसे इंटीग्रेस (integrase) कहा जाता है, जो बैक्टीरिया के बीच प्रतिरोध जीनों को स्थानांतरित करने के लिए एक वाहन के रूप में कार्य करता है। उन्होंने पाया कि यह वाहन अध्ययन के अंत तक लगभग सभी बैक्टीरिया में मौजूद था, जो यह सुझाव देता है कि बैक्टीरिया लगातार अपने प्रतिरोध संबंधी निर्देश साझा कर रहे थे। हालाँकि, उन्होंने यह भी खोजा कि यह आदान-प्रदान इस विशिष्ट वाहन के बिना भी हो रहा था, जिसका अर्थ है कि अन्य तंत्र भी काम कर रहे थे। मुख्य निष्कर्ष यह था कि उपचार प्रक्रिया, हालांकि सामान्य प्रदूषण को साफ करने में सफल थी, लेकिन सबसे खतरनाक बैक्टीरिया के विकास और सांद्रता को रोकने में विफल रही। बायोफिल्ट्रेशन चरण, अपने समृद्ध बायोफिल्म के साथ, उस महत्वपूर्ण क्षेत्र के रूप में पहचाना गया जहाँ यह संवर्धन (enrichment) हुआ।

यह अध्ययन यह सुझाव नहीं देता है कि अपशिष्ट जल उपचार संयंत्र बेकार हैं; वे सार्वजनिक स्वास्थ्य और पर्यावरणीय सुरक्षा के लिए अनिवार्य बने हुए हैं। हालाँकि, यह हमारे इन सुविधाओं के प्रबंधन में एक गंभीर कमी को उजागर करता है। वर्तमान विधियाँ थोक बैक्टीरिया को हटाने में प्रभावी हैं, लेकिन वे अनजाने में सबसे कठिन, सबसे प्रतिरोधी जीवित बचे लोगों के लिए चयन कर रही हैं, विशेष रूप से बायोफिल्ट्रेशन चरण में। निष्कर्ष बताते हैं कि यह प्रणाली केवल एक निष्क्रिय फिल्टर नहीं है बल्कि एक सक्रिय वातावरण है जहाँ प्रतिरोध बढ़ सकता है और फैल सकता है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि हमें इन जैविक उपचार चरणों की निगरानी और प्रबंधन करने के तरीके पर पुनर्विचार करने की आवश्यकता है। यदि हम चाहते हैं कि एंटीबायोटिक प्रतिरोध हमारी नदियों और समुदायों में न फैले, तो हमें यह समझना होगा कि पानी को साफ करने के लिए डिज़ाइन किए गए ढांचे ही वे स्थान हो सकते हैं जहाँ सबसे कठिन से मरने वाले बैक्टीरिया जीवित रहना सीख रहे हैं। आगे का रास्ता इन विशिष्ट क्षेत्रों की निगरानी के लिए लक्षित रणनीतियों और शायद उन्हें अगली पीढ़ी के सुपरबग्स के प्रजनन स्थल बनने से रोकने के लिए पुनर्गठित करने की आवश्यकता की मांग करता है।