Screening of faecal bacteria and antibiotic resistance in urban wastewater and recipient river surface water

One major source of faecal bacteria and antibiotics to surface waters are effluents from sewage treatment plants (STPs) which highlights the importance of efficient sewage treatment for reduction of microorganisms as well as chemicals. In the present study a broad and exploratory screening survey was conducted on water and, fish and caged mussels samples from the sewage treatment plant and the recipient river Fyrisån in Uppsala, Sweden, during the years 2017-2019. The aim was to study the impact of STP effluent discharge on the river water microbial quality measured through the presence of Escherichia coli (E. coli) and Enterococcus spp. as fecal indicator bacteria, antibiotic resistance by extended-spectrum beta-lactamase producing E. coli (ESBL-E. coli), potentially pathogenic bacteria Salmonella spp., as well as presence and levels of antibiotics. In the STP, large reductions of faecal bacteria from influent to effluent sewage water (>90%) was measured, but less reduction was observed for the antibiotics (66%). Measurement of ESBL-E. coli in the STP sewage water revealed increased ratio of ESBL-E. coli isolates in the STP effluent compared with influent samples indicating potential selection for antibiotic resistance during the sewage process. Recipient river water samples revealed increased faecal bacteria and resistant ESBL-E. coli concentrations several kilometers downstream the STP outlet. Salmonella spp were isolated from all samples of STP influent and effluent water and at some sites in the river. Screening of wild fish and caged mussels in the river show that animals in the recipient environment to STPs can be carriers of faecal bacteria and ESBL-E. coli. This highlights the potential risk for transmissions of pathogens and antibiotic resistance from both the water and aquatic animals inhabiting microbial polluted environments. Large variations in concentrations of bacteria as well as antibiotics were observed between the years, which were probably due to annual differences in river discharge flow, indicating that prevailing weather conditions influence the levels of bacteria and antibiotics in the river. Generally, the resistance pattern to the 14 different tested antibiotics were similar in ESBL-E. coli isolated from the STP influent and effluent, river and biota samples. Apart from ampicillin and cefotaxime which were used for selection of ESBL-E. coli, high resistances were detected also for ceftazidime and ciprofloxacin. Large proportions of the isolated ESBL-E. coli were also multidrug-resistant, i.e. resistant to at least three different antibiotic classes. The present study show that the Uppsala STP serves as a major source for faecal bacteria, ESBL-E. coli and antibiotics to surface water of the river Fyrisån, which can remain at considerable levels for several kilometers downstream the outlet. Utsläppsvatten från avloppsreningsverk är en betydande källa för avföringsbakterier och antibiotika till recipienternas ytvatten. Kontaminering av vattendrag med fekala mikroorganismer är ett stort globalt problem då mikroorganismerna kan orsaka sjukdomar och sprida antibiotikaresistens. Antibiotikaresistens är ett av de största hoten mot folkhälsan och modern sjukvård. Ett av de allvarligaste resistensproblemen är så kallade ESBL (Extended Spectrum Beta-Lactamase)-bildande tarmbakterier, vilka påvisas allt oftare inom sjukvården och i samhället. ESBL är ett enzym som kan bildas av olika bakterier, bland annat av Escherichia coli (E. coli) som är en vanligt förekommande tarmbakterie. I Sverige är ESBL-E. coli den vanligaste rapporterade resistenstypen. Enzymet ESBL bryter ner de flesta antibiotika i betalaktamgruppen (penicilliner- och cefalosporiner) vilket gör att dessa antibiotika inte är effektiva vid behandling av infektioner orsakade av ESBL-producerande bakterier. I denna studie genomfördes en screeningundersökning av förekomsten av fekala bakterier och antibiotika i inkommande och utgående vatten från Uppsala avloppsreningsverk, samt i ytvatten, vild fisk och burutsatta musslor från recipienten Fyrisån under åren 2017-2019. Syftet var att studera påverkan av utsläpp av avloppsvatten på den mikrobiella kvalitet i recipienten, vilket mättes genom förekomst av de fekala indikatorbakterierna E. coli och Enterococcus spp., antibiotikaresistenta ESBL-E. coli, potentiellt sjukdomsframkallande bakterier av Salmonella spp., samt även haltbestämning av antibiotika. I reningsverket uppmättes relativt stora reduktioner av de fekala indikatorbakterierna från inkommande till utgående vatten (> 90%), men mindre reduktion observerades för antibiotika (66%). Förekomsten av ESBL-E. coli ökade från inkommande till utgående vatten i reningsverket, vilket kan indikera att selektionstryck för uppkomst av antibiotikaresistens förekommer under avloppsreningsprocessen. I Fyrisån uppmättes förhöjda halter av både indikatorbakterier, resistenta ESBL-E. coli, samt antibiotikahalter flera kilometer nedströms utloppet från reningsverket, jämfört med provlokaler uppströms. Salmonella spp kunde isoleras från alla prover av inkommande och utgående vatten i reningsverket, samt från vissa provlokaler i Fyrisån. Undersökning av vild fisk och burutsatta musslor i Fyrisån visar att akvatiska djur i mottagarmiljön till utsläpp från reningsverk kan vara bärare av fekala bakterier och resistenta ESBL-E. coli. Utvärderingen av resistens mot 14 olika antibiotika hos ESBL-E. coli som isolerats visade att resistensmönstret var liknande i både prover från reningsverket och prover från Fyrisån. Förutom ampicillin och cefotaxim som användes för selektion av ESBL-E. coli, påvisades resistens även för ceftazidim och ciprofloxacin. Många av de isolerade ESBL-E. coli var också multiresistenta (resistenta mot minst 3 olika antibiotikaklasser). Denna studie visar att Uppsala reningsverk fungerar som en källa för avföringsbakterier, resistenta ESBL-E. coli, Salmonella spp. och antibiotika till ytvattnet i Fyrisån, som kan förekomma i betydande nivåer flera kilometer nedströms utloppet. Utsläppen belyser vikten av effektiv avloppsrening för att minska utsläpp av mikroorganismer och kemikalier till omkringliggande miljö. Resultaten indikerar också den potentiella risken för överföring av sjukdomsframkallande- och antibiotikaresistenta bakterier från både ytvattnet och vattenlevande djur som bor i mikrobiellt förorenade miljöer.