Biofiltration: A breeding ground for antibiotic resistance genes

Ogni giorno, milioni di galloni d'acqua fluiscono dalle nostre case, ospedali e industrie verso un'unica destinazione: l'impianto di trattamento delle acque reflue. Queste strutture sono gli eroi invisibili della salute pubblica, progettate per eliminare le sostanze nocive e restituire acqua pulita ai nostri fiumi e laghi. Per decenni, l'obiettivo primario è stato quello di rimuovere lo sporco visibile, i rifiuti organici e le sostanze chimiche pericolose. Tuttavia, una minaccia più silenziosa e invisibile è emersa all'interno di questi sistemi: i batteri resistenti agli antibiotici. Si tratta di organismi microscopici che hanno imparato a sopravvivere ai medicinali che i medici usano per ucciderli. Quando questi batteri, o le istruzioni genetiche che conferiscono loro la resistenza, sfuggono nell'ambiente, possono diffondersi a persone, animali e colture, rendendo le infezioni comuni più difficili da trattare. La domanda che i ricercatori si pongono oggi non è solo se gli impianti di trattamento rimuovano questi germi, ma se il processo di pulizia dell'acqua possa accidentalmente peggiorare il problema creando un terreno fertile per i sopravvissuti più tenaci.

Un team di ricercatori di università tedesche ha recentemente intrapreso un'indagine proprio su questa possibilità presso un impianto di trattamento municipale a Celle. Il loro interesse si è concentrato su una parte specifica della struttura chiamata biofiltrazione, una fase in cui l'acqua passa attraverso un letto di granuli di argilla ricoperti da uno strato viscoso di microrganismi viventi noto come biofilm. Questo biofilm dovrebbe agire come una lucidatura finale, consumando eventuali nutrii residui prima che l'acqua venga rilasciata. L'impianto aveva recentemente riavviato questa fase di biofiltrazione dopo che era stata interrotta per due mesi a causa di gravi inondazioni. I ricercatori hanno deciso di utilizzare questo riavvio come un esperimento naturale, osservando attentamente per tre mesi come cambiava la comunità di batteri mentre il sistema tornava al normale funzionamento. Erano particolarmente interessati a due tipi pericolosi di resistenza: una che sconfigge una vasta classe di comuni antibiotici chiamati beta-lattamasi a spettro esteso, e un'altra che sconfigge persino i farmaci più forti considerati "ultima risorsa", i carbapenemi.

Gli scienziati hanno raccolto campioni d'acqua in quattro punti chiave: quando l'acqua sporca arrivava per la prima volta, dopo il passaggio attraverso i principali serbatoi di sedimentazione, direttamente dai granuli di argilla nell'unità di biofiltrazione e, infine, dall'acqua pulita in uscita dall'impianto. Hanno fatto crescere questi campioni in laboratorio su piastre speciali che permettono la crescita solo di batteri resistenti, per poi esaminare i sopravvissuti per vedere quali geni di resistenza specifici possedessero. Ciò che hanno trovato ha messo in discussione l'assunto che gli impianti di trattamento agiscano semplicemente come filtri che riducono il pericolo. Sebbene l'impianto fosse molto efficace nel rimuovere il numero totale di batteri — riducendo la popolazione complessiva di oltre il 99 percento — non riusciva a rimuovere i batteri resistenti nella stessa proporzione. Infatti, man mano che l'acqua si muoveva attraverso il sistema, la proporzione di batteri resistenti aumentava effettivamente. Al momento in cui l'acqua raggiunse l'uscita finale a maggio, la quantità di batteri resistenti agli antibiotici comuni era aumentata quasi quattro volte rispetto a quella che entrava nell'impianto, e la quantità di batteri resistenti ai farmaci più forti era aumentata quasi sette volte.

La scoperta più sorprendente è stata che la fase di biofiltrazione, intesa come un'ultima rete di sicurezza, stava in realtà agendo come un hotspot per questi germi resistenti. Mentre l'acqua si spostava dai serbatoi di sedimentazione nell'unità di biofiltrazione, il numero di batteri resistenti subiva un salto significativo. I granuli di argilla e il loro biofilm fornivano un ambiente perfetto affinché questi batteri potessero attaccarsi tra loro, proteggersi e scambiarsi istruzioni genetiche. I ricercatori hanno scoperto che il biofilm non si limitava a trattenere i batteri resistenti, ma aiutava attivamente la loro moltiplicazione e la condivisioni dei tratti di resistenza tra loro. Questo processo, noto come trasferimento genico orizzontale, permetteva ai batteri di diventare più pericolosi durante il loro percorso attraverso il sistema. Lo studio ha dimostrato che la fase di biofiltrazione non stava semplicemente trasmettendo il problema, ma lo stava amplificando, trasformando un rischio gestibile in un serbatoio concentrato di batteri super-resistenti.

Quando i ricercatori hanno guardato all'interno dei batteri per identificare i geni specifici responsabili, hanno trovato un quadro complesso e mutevole. All'inizio dello studio, un tipo di gene di resistenza era comune, ma con il passare dei mesi, diversi geni hanno preso il sopravvento. Un gene noto come NDM, che conferisce resistenza ai carbapenemi, è diventato particolarmente dominante. A maggio, quasi l'87 percento dei batteri resistenti trovati nell'acqua in uscita dall'impianto portava questo specifico gene. Questa è stata una scoperta sorprendente perché l'NDM è spesso considerato raro nelle acque reflue, ma qui stava prosperando e persistendo attraverso l'intero processo di trattamento. Lo studio ha anche rivelato che questi batteri non trasportavano solo un gene di resistenza; molti trasportavano più geni contemporaneamente. Più l'acqua si muoveva attraverso l'impianto, più era probabile che i batteri sopravvissuti portassero una combinazione di tre diversi geni di resistenza, rendendoli incredibilmente difficili da trattare.

I ricercatori hanno anche tracciato un particolare strumento genetico chiamato integrasi, che funge da veicolo per il movimento dei geni di resistenza tra i batteri. Hanno scoperto che questo veicolo era presente in quasi tutti i batteri alla fine dello studio, suggerendo che i batteri stessero costantemente scambiando le loro istruzioni di resistenza. Tuttavia, hanno anche scoperto che questo scambio avveniva anche senza questo specifico veicolo, implicando che altri meccanismi fossero all'opera. Il punto chiave è stato che il processo di trattamento, pur essendo efficace nel pulire l'acqua dall'inquinamento generale, falliva nel fermare l'evoluzione e la concentrazione dei batteri più pericolosi. La fase di biofiltrazione, con il suo ricco biofilm, è stata identificata come la zona critica in cui avviene questo arricchimento.

Questo studio non suggerisce che gli impianti di trattamento delle acque reflue siano inutili; essi rimangono essenziali per la salute pubblica e la protezione ambientale. Tuttavia, evidenzia un punto cieco critico nel modo in cui gestiamo queste strutture. Gli attuali metodi sono efficaci nella rimozione dei batteri in massa, ma stanno involontariamente selezionando i sopravvissuti più duri e resistenti, in particolare nella fase di biofiltrazione. Le scoperte indicano che il sistema non è solo un filtro passivo, ma un ambiente attivo dove la resistenza può crescere e diffondersi. I ricercatori concludono che dobbiamo ripensare il modo in cui monitoriamo e gestiamo questi passaggi di trattamento biologico. Se vogliamo impedire alla resistenza agli antibiotici di diffondersi nei nostri fiumi e nelle nostre comunità, dobbiamo comprendere che le stesse strutture progettate per pulire la nostra acqua potrebbero essere i luoghi in cui i batteri più difficili da uccidere stanno imparando a sopravvivere. La strada da seguire richiede strategie mirate per monitorare queste zone specifiche e forse riprogettarle per evitare che diventino terreni di procreazione per la prossima generazione di super-batteri.