Molecular Characterisation of Biofilm-Forming, Multidrug-Resistant Bacteria from Water Distribution Systems, Choba, Rivers State, Nigeria

기술 요약: 나이지리아 리버스 주 초바, 용수 공급 시스템 내 바이오필름 형성 다제내성 박테리아의 분자적 특성 규명

문제 제기
안전한 식수에 대한 접근은 기본적인 인권이자 제6차 지속가능발전목표의 대상이다. 그러나 용수 공급 시스템은 병원성 박테리아가 지속적으로 생존할 수 있는 환경으로 인식되며, 이들은 종종 소독제와 항생제로부터 자신을 보호하는 바이오필름(생물막)을 형성한다. 이전 연구들이 식수 내 병원성 종을 확인해 왔으나, 격리된 균주의 구체적인 독성 결정 요인과 약물 내성 프로파일을 평가하는 연구에는 공백이 존재한다. 본 연구는 공중 보건 위험을 평가하고 병원성 균주와 비병원성 균주를 구분하기 위해, 나이지리아 리버스 주 초바의 시립 용수 공급 시스템에서 격리된 바이오필름 형성 다제내성(MDR) 박테리아의 특성을 규명하고자 한다.

연구 방법
본 연구는 표준 미생학, 표현형 및 분자 기술의 조합을 활용하였다:

• 시료 채취: 포트하코트 대학교 아부자 캠퍼스에서 12개의 환경 수도꼭지 물 시료를 무균적으로 채취하였다.
• 분리 및 동정: 20개의 박테리아 격리물을 회수하였으며, 생화학적 분석(운동성, 당 발효, 옥시다아제, 카탈라아제, 우레아제 및 인돌 테스트 포함)을 통해 확인하였다.
• 항생제 감수성 테스트: 다양한 항생제에 대한 내성 프로파일을 결정하기 위해 Mueller Hinton 배지에서 Kirby-Bauer 디스크 확산법을 사용하였다.
• 바이오필름 평가: 두 가지 표현형 방법을 사용하였다:
  1. 콩고 레드 배지 (CRA): 바이오필름 생성의 지표인 검은색 색소 침착을 관찰함.
  2. 튜브법 (Tube Method): 링 형성을 시각화하고 크리스탈 바이올렛 염색을 통해 바이오필름을 정량화함.
• 분자 스크리닝: 끓임법(boiling method)을 사용하여 게놈 DNA를 추출하였다. 네 가지 특정 독성 관련 유전자인 fimH (type 1 fimbriae), papC (P fimbriae), afaCc (afimbrial adhesins), rmpA (capsule-associated regulator)를 검출하기 위해 중합쇄 반응(PCR)을 수행하였다.
• 통계 분석: 데이터는 Microsoft Excel 2010을 사용하여 분석되었다.

주요 결과

• 박테리아 동정: 28개의 격리물은 다양한 종으로 구성되었으며, Escherichia coli와 Streptococcus sp.가 각각 21.4%로 가장 흔했다. Chromobacterium violaceum은 3.6%(1개 격리물)를 차지했다.
• 항생제 내성:
  • 그람 음성 격리물은 세 가지 특정 항생제에 대해 높은 내성(>80%)을 보였으나, 세 가지 퀴놀론계(오플록사신, 나리딕산, 레보플록사신)에는 완전히 민감했다.
  • 그람 양성 격리물은 낮은 내성률(테스트된 항생제의 50%에 대해 <15%)을 나타냈다.
  • 전반적으로 그람 음성 격리물의 84.6%가 다제내성(MDR)으로 분류된 반면, 그람 양성 격리물은 33.3%였다.
• 바이오필름 형성: 오직 하나의 격리물인 Chromobacterium violaceum (명칭 PC19)만이 바이오필름 형성 능력을 보여주었다. 이는 CRA에서의 검은색 색소 침착과 튜브 분석에서의 가시적인 보라색 링을 통해 확인되었다.
• 분자적 발견:
  • PC19 (C. violaceum): 낮은 표현형 항생제 내성(세푸록심에 대해서만 내성)에도 불구하고, 이 바이오필름 형성 격리물은 papC 유전자에 대해 양성을 보였다. afaCc, fimH, rmpA 유전자는 검출되지 않았다.
  • PC12 (Klebsiella pneumoniae): 다제내성 상태와 바이오필름 형성 결여를 기준으로 선택되었으며, 이 격리물은 fimH와 papC에 대해 양성을 보였으나 afaCc와 rmpA에 대해서는 음성을 보였다.
  • 주목할 점은, 본 연구에서 반드시 높은 다제내성 표현형을 보이지 않는 격리물에서도 독성 유전자의 존재가 검출되었다는 것이다.

주요 기여

• 새로운 격리: 본 연구는 나이지리아의 특정 맥락에서 이전에 기록되지 않은, 시립 용수 공급 시스템으로부터 Chromobacterium violaceum의 성공적인 격리 및 분자적 동정을 보고한다.
• 표현형-유전자형 상관관계: 본 연구는 항생제 내성과 독성 사이의 복잡한 상호작용을 강조한다. 이는 격리물이 광범위한 다제내성을 갖추지 않았더라도 독성 관련 유전자(특히 C. violaceum의 papC)와 바이오필름 형성 능력을 보유할 수 있음을 입증한다.
• 방법론적 적용: 본 연구는 바이오필름 형성 박테리아의 병원성 잠재력을 평가하기 위한 도구로서 콩고 레드 배지와 튜브법을 PCR 스크리닝과 함께 사용하는 것의 유효성을 검증하였다.

의의 및 주장
저자들은 바이오필름 형성 잠재력을 가진 Chromobacterium violaceum이 식수 네트워크에 존재하는 것은 미생물 지속성과 소독 과정에 대한 저항성 감소를 의미한다고 결론짓는다. 본 연구는 항생제 감수성이 반드시 낮은 병원성 잠재력을 의미하는 것은 아님을 강조한다. 즉, 감수성이 있는 격리물이라 할지라도 관에 부착하여 바이오필름을 형성할 수 있는 독성 결정 요인을 보유할 수 있다.

본 논문은 이러한 연구 결과가 표현형과 분자적 방법을 모두 통합하는 지속적인 미생물학적 감시의 필요성을 뒷받빙한다고 주장한다. 이러한 접근 방식은 해로운 환경 박테리아와 잠재적 병원 능력을 가진 박테리아를 구분함으로써 효과적인 수질 관리와 공중 보건 보호를 위해 필수적이다.