Wirusy są wszechobecnym, choć często niedostrzeganym elementem oczyszczalni ścieków, gdzie w sposób ciągły oddziałują z bakteriami podczas procesów oczyszczania i ponownego wykorzystania wody. Nowe badanie pokazuje, że społeczności wirusowe obecne w tych systemach są znacznie bardziej złożone i biologicznie aktywne, niż dotychczas zakładano, co ma istotne implikacje dla bezpieczeństwa wody, narastania oporności na antybiotyki oraz sposobów monitorowania skuteczności procesów oczyszczania.
W pracy opublikowanej w czasopiśmie Biocontaminant naukowcy wykorzystali zaawansowane sekwencjonowanie metagenomiczne do śledzenia wirusów oraz ich gospodarzy mikrobiologicznych w pełnoskalowych oczyszczalniach ścieków w Chinach i Singapurze. Analizując próbki na wszystkich etapach procesu – od ścieków surowych po końcowy odpływ – zidentyfikowano trwałe populacje wirusów, które przetrwały kolejne fazy oczyszczania i pozostawały w ścisłych interakcjach z bakteriami chorobotwórczymi.
„Oczyszczalnie ścieków projektuje się z myślą o usuwaniu zanieczyszczeń i znanych patogenów, natomiast wirusy były w dużej mierze pomijane” – podkreśla autor korespondencyjny badania Shu Hong Gao z Harbin Institute of Technology. „Nasze wyniki pokazują, że wirusy nie są biernymi pasażerami. Aktywnie kształtują procesy mikrobiologiczne i mogą wpływać zarówno na wydajność oczyszczania, jak i na ryzyko zdrowotne”.
Zespół badawczy zidentyfikował łącznie 99 rodzin wirusów w 28 próbkach ścieków i osadów. Dwie grupy wirusów – Peduoviridae oraz Casjensviridae – występowały konsekwentnie na wszystkich etapach procesu technologicznego, od ścieków surowych po ścieki oczyszczone. Ich stała obecność sugeruje, że mogą one pełnić rolę wiarygodnych biologicznych wskaźników efektywności oczyszczania.
Tradycyjnie monitoring mikrobiologiczny oczyszczalni opiera się na wskaźnikach bakteryjnych, takich jak Escherichia coli. Badanie wykazało jednak, że dynamika E. coli słabo odzwierciedlała zmiany w populacjach wirusów. Znacznie lepszą korelację zaobserwowano w przypadku Pseudomonas aeruginosa oraz Aeromonas caviae – oportunistycznych patogenów, których liczebność ściśle odpowiadała zachowaniu dominujących wirusów.
„To podważa przekonanie, że jeden lub dwa standardowe wskaźniki bakteryjne mogą reprezentować całkowite ryzyko biologiczne” – zauważa Gao. „Nasze dane sugerują, że alternatywne wskaźniki powiązane z populacjami wirusów mogą dostarczać znacznie dokładniejszego obrazu skuteczności oczyszczania”.
Autorzy nie ograniczyli się jedynie do identyfikacji wirusów, lecz przeanalizowali również ich potencjalne funkcje biologiczne. Wiele z nich przenosiło tzw. pomocnicze geny metaboliczne, zdolne do modyfikowania metabolizmu bakteryjnych gospodarzy. Geny te były powiązane z metabolizmem węglowodanów, degradacją zanieczyszczeń oraz rozkładem ksenobiotyków, co może wspierać usuwanie kontaminantów w systemach oczyszczania ścieków.
Jednocześnie badanie ujawniło potencjalnie niekorzystny aspekt tej aktywności. Część genów wirusowych może zwiększać konkurencyjność bakterii opornych na antybiotyki, pośrednio sprzyjając rozprzestrzenianiu się genów oporności.
„Funkcje wirusowe działają jak miecz obosieczny” – wyjaśnia Gao. „Z jednej strony mogą wspierać usuwanie zanieczyszczeń, z drugiej – zwiększać ryzyko szerzenia się oporności wśród patogenów”.
Wykorzystując algorytmy uczenia maszynowego do przewidywania relacji wirus–gospodarz, badacze wykazali, że większość wirusów infekowała bakterie należące do typu Pseudomonadota, obejmującego wiele patogenów wielolekoopornych, powszechnie wykrywanych w ściekach. Wskazuje to na oczyszczalnie ścieków jako potencjalne „hotspoty” interakcji wirusowo-bakteryjnych, które mogą wpływać na ewolucję drobnoustrojów jeszcze przed ponownym wprowadzeniem wody do środowiska.
Istotnym wnioskiem pracy jest również fakt, że etapy dezynfekcji nie eliminowały wszystkich funkcji wirusowych. W niektórych oczyszczalniach wirusowe geny metaboliczne utrzymywały się nawet po końcowym etapie uzdatniania, co sugeruje, że obecnie stosowane procesy mogą nie w pełni adresować ryzyko związane z wirusami.
Autorzy podkreślają, że uzyskane wyniki przemawiają za rozszerzeniem nadzoru nad ściekami poza tradycyjne wskaźniki bakteryjne i włączeniem monitoringu wirusowego do rutynowych ocen.
„Zrozumienie sieci powiązań między wirusami a ich gospodarzami daje nam nowe narzędzia do zarządzania ryzykiem biologicznym” – podsumowuje Gao. „Dzięki lepszemu monitorowaniu i ukierunkowanej optymalizacji procesów oczyszczanie ścieków może stać się bezpieczniejsze i bardziej odporne w obliczu narastających wyzwań zdrowia publicznego”.
Badanie stanowi solidną podstawę do poprawy bezpieczeństwa ponownego wykorzystania ścieków oraz do opracowania nowej generacji strategii monitorowania, które lepiej odzwierciedlają rzeczywistą złożoność biologiczną inżynieryjnych systemów wodnych.
Źródło: Biocontaminant, Decoding pathogen-virus-metabolic gene networks in full-scale wastewater treatment: from virus diversity to hosts interaction
DOI: http://dx.doi.org/10.48130/biocontam-0025-0015
