항생제 내성: 폐수 처리 시설의 역할

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/antibiotic-resistance-the-role-of-wastewater-treatment-plants

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항생제 내성 증가

현대 공중 보건 시스템의 기적 중 하나는 수백만 명에게 깨끗하고 마실 수 있는 물을 제공하는 폐수 처리 시설입니다. 게다가 항생제 내성 박테리아에 대한 방어선을 제공합니다. 하지만 현장에서 항생제와 박테리아가 섞이기 때문에 이러한 처리 시설에 대한 의문이 제기되었습니다. 최근 수십 년 동안 항생제가 폐수에 크게 축적되었고, 처리 시설에서는 독소를 분해하기 위해 박테리아가 대량으로 증식합니다.

항생제 내성 증가로 인한 항생제 실패는 전 세계적으로 공중 보건에 대한 위협이 되었습니다. 미국 질병통제예방센터(CDC)는 항생제 내성 세균 감염 사례가 빠르게 증가하고 있다고 보고했습니다. 2013년에 미국에서만 200만 건의 사례가 발생했고 2만 3천 명이 사망했습니다[1]. 2019년까지 이러한 사례는 280만 건으로 급증했고 3만 5천 명이 사망했습니다. 전 세계적으로 항생제 내성으로 인해 매년 최소 70만 명의 생명이 손실됩니다[2].

시간이 지남에 따라, 세계는 인류가 지난 70~80년 동안 스스로를 보호하기 위해 사용해 온 중요한 항생제에 대한 항생제 내성이 점점 더 커지고 있는 것을 보고 있습니다. 세계보건기구(WHO)는 여러 항생제에 상당한 내성을 보이는 황색포도상구균을 포함하여 우선 병원균이라고 부르는 것을 기록했습니다 . 이러한 항생제 내성 박테리아(ARB)와 항생제 내성 유전자(ARG)는 치명적인 감염으로 이어질 수 있으며 의료 시술 중 합병증 위험을 증가시킬 수 있습니다.

이러한 내성 증가의 주요 원인은 일반적인 항생제의 광범위한 사용 및 심지어 과용입니다. CDC는 매년 처방되는 약 2억 5천만 건의 항생제 처방 중 최대 30%가 불필요하다고 보고합니다.

항생제는 또한 가축 사료 생산에 광범위하게 사용됩니다. 가축 농업에서 가장 일반적으로 사용되는 항생제는 테트라사이클린입니다 . 농부들은 소와 돼지에게 테트라사이클린을 충분히 먹여 극심한 과밀과 같은 불리한 환경에서 키우는 동안 건강을 유지합니다.

2009년부터 미국 식품의약국(FDA)은 인간 건강 보호에 중요한 것으로 간주되는 각 항생제가 동물 농업에 얼마나 많이 판매되는지 추적했습니다. 판매된 전체 양은 2009년에서 2015년까지 매년 증가했으며, 당시 총량은 970만 kg(2,160만 파운드)으로 정점을 찍었습니다. 과도한 사용을 억제할 필요성을 인식한 FDA는 그 이후로 이러한 양을 줄이기 위해 노력했습니다. 2020년 12월에 발표된 이 기관의 최신 보고서는 개선된 모습을 보여주며 전체 판매량은 약 620만 kg(1,360만 파운드)으로 감소했으며, 2015년에서 2019년 사이에 36% 감소했습니다(그러나 2018년 대비 3% 증가 포함). 이 감소가 일시적인 변동인지 아니면 장기적인 긍정적인 추세의 신호인지는 아직 알 수 없습니다.

폐수 처리 및 항생제 내성

ARB와 ARG는 여러 가지 수단을 통해 환경 전체에 퍼질 수 있습니다. 여기에는 바람, 토양 및 물 이동, 동물 매개체가 포함됩니다. 떠오르는 연구 분야 중 하나는 물, 특히 폐수에서 ARB와 ARG의 이동입니다.

항생제는 인간의 건강, 농업 및 기타 장소에서 널리 사용됩니다. 결국, 그들은 폐수 처리 시설에 모입니다. 항생제는 우리 몸에 오래 머물지 않습니다. 약으로 섭취하든 음식을 통해 섭취하든, 항생제는 결국 배출되어 폐수에 흘러들어갑니다. 그리고 항생제가 제조될 때, 생성된 폐수도 처리 시설로 보내집니다. 처리되면, 이 물은 결국 지표로 방출되어 지하수와 식수 공급원으로 유입될 수 있습니다. 또는, 처리된 폐수는 우리가 먹는 식물을 관개하고 재배하는 데 사용될 수 있습니다.

따라서 중요한 의문이 제기됩니다. 폐수 처리 시설이 항생제 내성 확산으로부터 환경과 인간의 건강을 보호하고 있을까요?

처리 시설의 작동 방식에 따라 처리 시설에서 잠재적인 ARG 생산에 대한 우려가 있습니다. 이러한 시설은 박테리아와 원생동물의 작용을 포함한 자연적 과정을 활용하여 유입되는 물에서 독소를 정화하고 걸러냅니다. 폐수 처리 시설은 지역 사회에 일반적인 유형의 오염 물질을 분해하고 해독할 수 있는 박테리아를 개발합니다. 이는 산업용 화학 물질, 유기 물질, 가정용 세척 화합물 등일 수 있습니다. 이러한 박테리아는 적응하면 식물 환경에서 번성하여 오염을 줄이는 데 중요한 파트너 역할을 하면서 수를 늘립니다.

처리 시설은 이러한 특수한 유용한 박테리아 균주를 개발하고 박테리아, 바이러스 및 원생동물 병원균의 존재를 줄입니다. 처리 시설에서 유해한 병원균을 99% 이상 줄이는 것은 일반적입니다. 염소 화합물이나 자외선 처리를 사용하는 후속 공정은 99.99% 이상의 병원균 감소로 이어질 수 있는 추가 소독을 제공합니다.

이 과정을 이해하면 이런 의문이 생깁니다. 독소를 소화하는 박테리아를 키우도록 설계된 이 식물이 폐수에 존재하는 항생제를 대사하거나 저항하는 박테리아도 키울 수 있을까요?

폐수 처리 시설에서 ARB가 더 많이 생성되거나 처리 시설에서 ARG가 순환계로 다시 방출되지 않도록 하는 것이 중요합니다.

이를 위해 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스의 제 연구팀은 폐수 처리 시설에서 ARG의 존재에 대한 전 세계의 연구를 검토했습니다. 활성 슬러지 및 멤브레인 생물 반응기를 포함한 다양한 처리 공정에 대한 215개의 관찰을 포함하는 25개의 연구에서 관찰의 70%가 ARG가 감소했고, 18%가 증가했으며, 12%가 변화가 없음을 나타 냈습니다 .

그러나 우리는 사용 가능한 데이터에서 몇 가지 문제점을 발견했습니다. 이전 연구의 대부분이 다른 목표를 염두에 두고 수행되었기 때문에 데이터가 항상 우리가 조사한 주요 측정값을 반영하지는 않았습니다. 게다가 어떤 경우에는 다양한 유형의 폐수 처리 시설을 식별하는 세부 정보가 항상 정확하게 보고되지 않았습니다. 이는 많은 연구가 폐수 처리 시설 전문가가 아닌 분자 생물학자와 다른 전문 분야의 과학자에 의해 수행되었기 때문일 가능성이 큽니다. 따라서 최종 보고된 백분율(70, 18 및 12)도 정확하지 않을 수 있습니다.

공장은 서로 다른 방식으로 건설되고 운영 전략도 다릅니다. 설계와 전략의 이러한 차이는 특정 오염 물질을 제거하는 공장의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 석유 정제 폐수의 중금속을 처리하는 시설은 감자 가공 폐수를 처리하는 공장과는 다르게 설계하고 운영해야 합니다.

저희 팀은 현재 현대적이고 잘 운영되는 처리 시스템을 통해 ARG를 추적하는 확장 연구 프로젝트에 착수하고 있습니다. 우리는 폐수 처리 시설에 유입되어 잠재적으로 환경으로 방출되는 ARG의 운명을 이해해야 합니다. 저희의 목표는 이러한 양이 증가하고 있는지 확인하고, 그렇다면 이를 막는 방법을 파악하는 것입니다.

우리는 최근 활성 슬러지 공정을 활용하는 남부 캘리포니아의 일부 처리 시설에서 ARG의 운명에 대한 예비 연구를 완료했습니다. 활성 슬러지는 처리에 사용되는 가장 일반적인 방법이며 특히 대도시와 인구 밀도가 높은 지역에서 유용합니다. 우리는 항생제가 발견되는 대부분의 시립 처리 시설을 대표하는 시설을 대상으로 했습니다. 이러한 시설은 수십만 명의 사람들에게 서비스를 제공하며 특수 폐수를 사용하는 병원도 포함됩니다.

식물은 가장 중요한 작동 특성인 고형물 보유 시간(SRT)을 식별하기 위해 쌍으로 선택되었으며, 이는 평균 세포 보유 시간 또는 슬러지 연령 이라고도 합니다 . SRT는 폐기물을 처리하는 데 활용된 박테리아 세포의 평균 연령입니다. 이 측정은 1.5일(짧은 SRT)에서 30일(긴 SRT)까지 다양할 수 있습니다. 이러한 식별은 긴 SRT에서만 생존하는 느리게 성장하는 세포가 특정 독소와 오염 물질을 분해하는 데 필요하기 때문에 중요합니다.

짧은 SRT 플랜트는 건설 및 운영 비용이 저렴하지만 개인 관리 제품, 살충제 및 의약품에서 발견되는 많은 것과 같은 미량 또는 신규 오염 물질을 제거하는 데 덜 효율적입니다. 긴 SRT 플랜트는 일반적으로 더 비싸고 더 많은 토지 면적이 필요하지만 질소 종(암모니아, 질산염 및 아질산염)과 같은 미량 유기물 및 영양소를 제거하는 데 훨씬 더 뛰어납니다. 대부분의 고급 처리 플랜트는 긴 SRT를 사용하여 더 높은 품질의 재생수를 생산합니다.

샘플링과 분석을 통해 우리는 우리가 목표로 삼은 다양한 ARG의 전반적인 존재를 측정할 수 있었습니다. 샘플은 유입수, 2차 처리 공정(박테리아가 독소를 소화하는 곳), 유출수에서 수집되었습니다.

결과를 검증하기 위해 더 많은 연구가 필요하지만, 우리의 예비 결과는 유망합니다. 모든 ARG 타겟은 모든 공장에서 활성 슬러지 공정 전후에 일관되게 감지되었지만, 분석 결과 유입수에서 유출수 샘플로의 ARG의 명확한 절대적 감소가 나타났습니다. 더욱이 긴 SRT 유형의 공장은 짧은 SRT 공장보다 ARG 감소가 더 컸습니다. 긴 SRT 기술에 의존하는 물 재생을 향한 현재의 폐수 처리 추세는 이러한 결과를 확인할 수 있다면 격려될 것입니다. 그러나 우리는 상대적인 ARG 풍부함이 우리가 원하는 만큼 감소하지 않았다는 것을 관찰했습니다.

저희의 연구는 현재도 진행 중이며, 수평적 유전자 전이와 중금속 독성이 ARG 제거에 영향을 미치는지 확인하기 위해 박테리아 활동과 폐수 처리 응용 분야의 다른 측면을 추가로 조사할 예정입니다.

그러나 이러한 결과는 아무리 유망하더라도 항생제의 더 나은 관리에 대한 필요성을 전혀 줄이지 않습니다. 항생제 내성이 전 세계적으로 증가하고 있다는 것은 분명합니다. WHO는 세계가 항생제 내성을 발달시킨 질병 및 감염을 유발하는 박테리아에 맞서기 위해 새로운 항생제의 연구 및 개발에 긴급히 투자할 것을 권고합니다.

우리의 예비 결과는 폐수 처리가 ARG의 환경 유입을 줄일 것이라고 시사합니다. 그럼에도 불구하고 사회는 우리가 유통시키는 항생제의 총량을 줄여야 합니다. 이것은 여전히 ​​중요한 우려 사항입니다.

*Michael Stenstrom is a professor of environmental engineering at the University of California, Los Angeles. He has particular expertise in water and wastewater treatment issues.

References:

1. US Centers for Disease Control and Prevention. 2013. “Antibiotic Resistance Threats in the United States, 2013.” US Department of Health and Human Services.

2. Liu, Lin, Chaoxiang Liu, Jiayu Zheng, Xu Huang, Zhen Wang, Yuhong Liu, and Gefu Zhu. 2013. “Elimination of Veterinary Antibiotics and Antibiotic Resistance Genes from Swine Wastewater in the Vertical Flow Constructed Wetlands. Chemosphere 91(8): 1088–1093.