Η διάδοση των ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων και γονιδίων σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων και στο υδατικό περιβάλλον

Νικολινάκου, Μαρία; Nikolinakou, Maria

dc.contributor.author	Νικολινάκου, Μαρία	el
dc.contributor.author	Nikolinakou, Maria	en
dc.date.accessioned	2024-05-17T09:53:11Z
dc.date.available	2024-05-17T09:53:11Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59391
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27087
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βακτήρια Ανθεκτικά στα Αντιβιοτικά	el
dc.subject	Γονίδια Ανθεκτικά στα Αντιβιοτικά	el
dc.subject	Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων	el
dc.subject	Υδατικό Περιβάλλον	el
dc.subject	Προηγμένες Διεργασίες Οξείδωσης	el
dc.subject	Antibiotic Resistant Bacteria	en
dc.subject	Antibiotic Resistance Genes	en
dc.subject	Wastewater Treatment Plants	en
dc.subject	Aquatic Environment	en
dc.subject	Advanced Oxidation Processes	en
dc.title	Η διάδοση των ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων και γονιδίων σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων και στο υδατικό περιβάλλον	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υδατικοί Πόροι και Περιβάλλον	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-11-08
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διάδοση των ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων και γονιδίων σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων και στο υδάτινο περιβάλλον. Στην εργασία αυτή, πραγματοποιήθηκε εκτενής αναζήτηση, διερεύνηση και αξιολόγηση δεδομένων, συλλέχθηκαν πληροφορίες από διαθέσιμη διεθνή βιβλιογραφία κατά βάση και εξετάστηκε το παραπάνω ζήτημα λεπτομερώς. H ανακάλυψη των αντιβιοτικών θεωρείται ένα από τα σημαντικότερα επιστημονικά επιτεύγματα και μία από τις θαυματουργές ανακαλύψεις του 20ου αιώνα, καθώς συνέβαλε στην αντιμετώπιση σοβαρών μικροβιακών λοιμώξεων και ασθενειών που απειλούσαν την δημόσια υγεία. Ωστόσο θα πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στην ανάπτυξη της αντιμικροβιακής αντοχής (Antimicrobial Resistance, AMR), καθώς συνδέεται με την ανεξέλεγκτη χρήση αυτών των ουσιών και την κακή διαχείριση των υγρών αποβλήτων πριν από την απόρριψή τους στο φυσικό περιβάλλον. Τα αντιβιοτικά είναι χημειοθεραπευτικές ουσίες που σκοτώνουν ή αναστέλλουν τη μεταβολική δραστηριότητα διαφόρων μικροοργανισμών, όπως βακτήρια, μύκητες και ασκούν επιλεκτική πίεση στο περιβάλλον υποδοχής, η οποία συμβάλλει στην προώθηση/μεταφορά της ανθεκτικότητας μεταξύ των βακτηρίων. Συναντώνται και μελετώνται διάφορες ομάδες αντιβιοτικών, ανάλογα με τον μηχανισμό δράσης τους και τη χημική τους δομή, εκ των οποίων σημαντικότερες είναι οι β-λακτάμες, οι αμινογλυκοσίδες, τα μακρολίδια, οι κινολόνες, οι σουλφοναμίδες και οι τετρακυκλίνες. Η ανθεκτικότητα στα αντιβιοτικά είναι ένα αυξανόμενο πρόβλημα παγκοσμίως. Η εμφάνιση και η ταχεία εξάπλωση της ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά έχουν οδηγήσει σε συνεχόμενη ανησυχία σχετικά με τον πιθανό κίνδυνο για το περιβάλλον και τη δημόσια υγεία. Η δημιουργία γονιδίων και βακτηρίων ανθεκτικών στα αντιβιοτικά (Antibiotic Resistance Genes (ARGs), Antibiotic Resistant Bacteria (ARB)) επιφέρει αρνητικά αποτελέσματα, καθώς πρόκειται για βιολογικούς ρυπαντές. Να σημειωθεί πως, τα ARB ενεργούν ως φορείς για την εξάπλωση και τον πολλαπλασιασμό των ARGs, ενώ τα τελευταία διαδίδονται μέσω διαφόρων βακτηρίων στο περιβάλλον μέσω οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων. Η εκτεταμένη εφαρμογή των αντιβιοτικών έχει οδηγήσει στην ευρεία εμφάνισή τους στο φυσικό υδάτινο περιβάλλον. Διάφορα βακτήρια που φέρουν γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά (ARGs), μαζί με αντιβιοτικά, απελευθερώνονται συνεχώς στο υδάτινο περιβάλλον μέσω διαφόρων οδών όπως οι απορρίψεις αστικών λυμάτων και τα λύματα ζωικής παραγωγής. Αντιβιοτικά επίσης, εκρέουν από εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων και συνοδευόμενες από ιλύ μεταφέρονται στο υδάτινο περιβάλλον. Η παρουσία αντιβιοτικών σε φυσικά υδάτινα διαμερίσματα δημιουργεί πολλές ανησυχίες, πρώτα απ' όλα λόγω της ανάπτυξης αντιμικροβιακής αντοχής (AMR). Εάν τέτοια φαρμακευτικά προϊόντα απελευθερώνονται συνεχώς σε υδάτινα σώματα, οι βακτηριακοί πληθυσμοί υφίστανται επιλεκτική πίεση και, ως εκ τούτου, αναπτύσσουν αντιμικροβιακή αντοχή προκειμένου να επιβιώσουν και παράλληλα εξαπλώνονται στο φυσικό περιβάλλον βακτήρια και γονίδια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά. Καθώς λοιπόν λύματα προερχόμενα από ανθρωπογενείς, βιομηχανικές και νοσοκομειακές δραστηριότητες εισέρχονται σε σταθμούς επεξεργασίας λυμάτων και στη συνέχεια καταλήγουν μέσω δικτύων απορροής σε υδάτινα περιβάλλοντα και η ποιότητα του νερού είναι πιθανόν να αλλοιώνεται. Οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) δέχονται λύματα που περιέχουν τεράστια ποικιλία ρύπων, συμπεριλαμβανομένων των αντιβιοτικών και χημικών ουσιών από διάφορες πηγές. Διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στο φαινόμενο της ανθεκτικότητας, δεδομένου ότι τα αντιβακτηριακά φάρμακα που εισάγονται στα λύματα μπορούν να ασκήσουν πίεση επιλογής σε βακτήρια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά (ARB) και σε γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά (ARGs). Στις ΕΕΛ, τα βακτήρια συναντούν περιβάλλοντα κατάλληλα για οριζόντια μεταφορά γονιδίων, παρέχοντας την ευκαιρία στα βακτηριακά κύτταρα να αποκτήσουν νέα γονίδια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά. Γι’ αυτό λοιπόν αποτελούν κρίσιμο σημείο ελέγχου για την ανθεκτικότητα στα αντιβιοτικά και κύριες πιθανές πηγές εξάπλωσης των αντιβιοτικών, των ARB και των ARGs στους υδάτινους αποδέκτες αλλά και στο έδαφος κατά την επαναχρησιμοποίηση των επεξεργασμένων λυμάτων για άρδευση. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται συμβατικές διεργασίες επεξεργασίας λυμάτων, όπως πρωτοβάθμια, δευτεροβάθμια και τριτοβάθμια επεξεργασία. Η εφαρμογή ποικίλων μεμβρανών, όπως μικροδιήθησης, υπερδιήθησης, νανοδιήθησης και κοκκώδους ενεργού άνθρακα συμβάλλει στην απομάκρυνση παθογόνων μικροοργανισμών, βιολογικών ρύπων, ARB, ARGs και τοξικών παραπροϊόντων από τα λύματα. Επιπροσθέτως, διάφοροι τύποι τεχνητών υγροβιότοπων (φυσικά συστήματα επεξεργασίας) αποτελούν μια αποτελεσματική βιώσιμη τεχνολογία που στοχεύει στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων και στην αποτελεσματική απομάκρυνση βακτηρίων, γονιδίων, αντιβιοτικών και οργανικής ύλης από τα λύματα. Οι προαναφερόμενες διεργασίες υγρών αποβλήτων ωστόσο επιφέρουν περιορισμένη αποτελεσματικότητα και σε ορισμένες περιπτώσεις οδηγούν στην αύξηση των ARB, ARGs στην τελική εκροή των επεξεργασμένων λυμάτων. Γίνεται λόγος στη συνέχεια για συμβατικές μεθόδους απολύμανσης, όπως χλωρίωση, υπεριώδης ακτινοβολία και οζόνωση. Χλωρίωση είναι η πιο συνηθισμένη μέθοδος απολύμανσης του νερού και των υγρών αποβλήτων παγκοσμίως, λόγω του χαμηλού κόστους της και της αποτελεσματικής απολύμανσης μιας μεγάλης ποικιλίας παθογόνων μικροοργανισμών. Υπεριώδης ακτινοβολία είναι άλλη μία από τις πιο συχνά εφαρμοζόμενες μεθόδους απολύμανσης στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων λόγω του μη άμεσου σχηματισμού παραπροϊόντων απολύμανσης και του μικρού χρόνου επαφής κατά την εφαρμογή. Τέλος, η οζόνωση με ένα διαφορετικό δυναμικό απολύμανσης διαφορετικών βακτηρίων και γονιδίων ανθεκτικών στα αντιβιοτικά αδρανοποιεί τους αναφερόμενους ρύπους και προκαλεί κυτταρικό θάνατο. Προκειμένου όμως να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικότερα τα ανθεκτικά αυτά στελέχη (ARB, ARGs), αναπτύσσονται προηγμένες διεργασίες οξείδωσης (Advanced Oxidation Processes, AOPs), συμπεριλαμβανομένων χημικών, ηλεκτροχημικών, φωτοχημικών και φυσικοχημικών τεχνολογιών, για την απομάκρυνση οργανικών ρύπων από λύματα και οι οποίες αποτελούν ισχυρές τεχνολογίες για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων και την αποικοδόμηση οργανικών ρύπων και διαφόρων φαρμακευτικών ουσιών. Οι AOPs χρησιμοποιούν ισχυρά χημικά οξειδωτικά, όπως την ρίζα υδροξυλίου, για να μειώσουν το επίπεδο των ρύπων στα λύματα. Στη παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται και αναλύονται η οξείδωση Fenton, η ηλιακή φωτοκατάλυση, η φωτοκαταλυτική και ηλεκτροχημική οξείδωση, η ιονίζουσα ακτινοβολία καθώς και η φωτοκατάλυση συνδυασμένη με υπεριώδη ακτινοβολία. Οι επαγόμενες με υπεριώδη ακτινοβολία προηγμένες διεργασίες οξείδωσης χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και του χαμηλού σχηματισμού παραπροϊόντων, καθώς η υπεριώδης ακτινοβολία έχει βρεθεί ότι έχει περιορισμένες δυνατότητες μείωσης των ARGs στα υγρά απόβλητα. Οι παραπάνω μέθοδοι απολύμανσης συμβάλλουν στην απομάκρυνση βακτηρίων ανθεκτικών στα αντιβιοτικά και γονιδίων ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά και θεωρούνται περισσότερο αποτελεσματικές συγκριτικά με συμβατικές διεργασίες επεξεργασίας.	el
heal.abstract	The subject of this thesis is the spread of antibiotic resistant bacteria and antibiotic resistance genes in wastewater treatment plants and in the aquatic environment. In this thesis, extensive search, investigation and evaluation of data was carried out, information from available international literature was collected and the above issue was examired in detail. The discovery of antibiotics is considered one of the most important scientific achievements and one of the most miraculous discoveries of the 20th century, as it contributed to the treatment of serious microbial infections and diseases, that threatened the public health. However, special attention should be given to the development of Antimicrobial Resistance (AMR), as it is linked to the unregulated use of these compounds and the poor management receiving wastewaters before discharge into natural environment. Antibiotics are chemotherapeutic substances, that kill or inhibit the metabolic activity of various microorganisms such as bacteria, fungi and they exert selective pressure on the host environment, which contributes to the promotion/transfer of resistance among bacteria. Moreover, several groups of antibiotics are encountered and studied, depending on their mechanism of action and the chemical structure, of which the most important are beta-lactams, aminoglycosides, macrolides, quinolones, sulfonamides and tetracyclines. Antibiotic resistance is a growing problem worldwide. The emergence and rapid spread of antibiotic resistance have led to an increasing concern about the potential environmental and public health risk. The creation of antibiotic-resistant genes and bacteria (Antibiotic Resistance Genes (ARGs), Antibiotic Resistant Bacteria (ARB)) has negative results, as they are biological pollutants. It should be noted that, ARB act as vectors for the spread and multiplication of ARGs, while ARGs spread through various bacteria in the environment through horizontal genes transfer. The extensive application of antibiotics has led to their widespread occurrence in the natural aquatic environment. Various bacteria carrying antibiotic resistance genes (ARGs), along with antibiotics, are continuously released into the aquatic environment through various pathways, such as urban wastewater discharges and animal effluents. Also, antibiotics leach from wastewater treatment plants and accompanied by sludge are transported to the aquatic environment. The presence of antibiotics in natural aquatic environments raises many concerns, first of all because of the development of antimicrobial resistance (AMR). If such pharmaceuticals are continuously released into water bodies, bacterial populations undergo selective pressure and therefore develop antimicrobial resistance in order to survive, while antibiotic resistant bacteria and genes spread in the natural environment. Therefore, the enteriry of a wastewater from human, industrial and hospital activities into wastewater treatment plants and its flow through runoff networks into aquatic environments, leads to degration of water quality. Wastewater treatment plants (WWTPs) receive wastewater that contains huge variety of pollutants, including antibiotics and chemicals from various sources. WWTPs play an important role in the phenomenon of resistance, since antibacterial drugs introduced into wastewater can exert a selection pressure on antibiotic-resistant bacteria (ARB) and antibiotic resistance genes (ARGs). In WWTPs, bacteria encounter environments that are suitable for horizontal genes transfer, providing the opportunity to bacterial cells to acquire new antibiotic resistance genes. Therefore, they are considered a critical checkpoint for antibiotic resistance and the main major sources of spread of antibiotics, ARB and ARGs in the water bodies and the soil during the reuse of treated wastewater for irrigation. In this thesis, conventional wastewater treatment processes are presented, such as primary, secondary and tertiary treatment. The application of a variety of membranes such as microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration and granular activated carbon contributes to the removal of pathogenic microorganisms, biological contaminants, ARB, ARGs and toxic by-products from wastewater. In addition, various types of constructed wetlands (natural treatment systems) are an effective sustainable technology, that aims at the treatment of wastewater and the efficient removal of bacteria, genes, antibiotics and organic matter from the wastewater. However, the above mentioned wastewater processes bring limited efficiency and in some cases lead an increase in ARB, ARGs in the final effluent of treated wastewater. Conventional disinfection methods such as chlorination, UV irradiation and ozonation are also discussed. Chlorination is the most common disinfection method of water and wastewater worldwide, because of the low cost and effective disinfection of a wide variety of pathogens. Ultraviolet irradiation is another disinfection method, one of the most commonly applied in wastewater treatment, because of the non-direct formation of disinfection by-products and the short contact time during the application. Finally, ozonation with a different disinfection potential and elimination of different bacteria and antibiotic resistance genes inactivates the mentioned micro-pollutants and causes cell death. However, Advanced Oxidation Processes (AOPs), in order for these resistant strains (ARB, ARGs), to be dealt with more effectively including chemical, electrochemical, photochemical and physicochemical technologies, so as to remove organic pollutants from wastewater. These processes are powerful technologies for wastewater treatment and degradation of organic pollutants and various pharmaceuticals. AOPs use potent chemical oxidants, such as hydroxyl radical, to bring down the contaminant level in the wastewater. In this thesis, Fenton oxidation, solar photocatalysis, photocatalytic and electrochemical oxidation, ionizing radiation and photocatalysis combined with UV radiation are systematically summarized and analysed. UV-induced advanced oxidation processes are widely used due to low energy consumption and low formation of by-products, as UV radiation has been found to have limited potential to reduce ARGs in wastewater. It has been proven that the above disinfection methods contribute to the inactivation of antibiotic resistant bacteria and antibiotic resistance genes and they are considered more effective than conventional treatment processes.	en
heal.advisorName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Ευστρατιάδης, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	225 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false