Spreading potentials of antibiotic-resistant bacteria and genes via agricultural use of resources from municipal wastewater and its treatment

• Project/Area Number: 23K26228
• Project/Area Number (Other): 23H01534 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 22060:Environmental systems for civil engineering-related
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: 渡部 徹 山形大学, 農学部, 教授 (10302192)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西山 正晃 山形大学, 農学部, 准教授 (10802928) ; 松山 裕城 山形大学, 農学部, 准教授 (30414692)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000); Fiscal Year 2025: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2024: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2023: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
• Keywords: 薬剤耐性菌 / 薬剤耐性遺伝子 / 下水道資源の農業利用 / 飼料作物 / 養豚施設

Outline of Research at the Start

下水処理水や汚泥コンポストなどの下水道資源を農業利用することによって耐性菌や耐性遺伝子が農地を汚染するポテンシャルを，実際に飼料作物（米，デントコーン）を栽培する試験を通じて評価する。その結果をもとに，農地を汚染しない下水道資源の利用方法について検討する。農地の汚染を回避することが難しい場合には，下水道資源を利用して栽培された飼料作物を与える養豚試験を実施し，家畜体内で耐性菌が増殖して環境中に拡散するリスクも評価する。

Outline of Annual Research Achievements

【②下水道資源を利用した作物栽培による農地への耐性菌・遺伝子の拡散評価】
山形大学附属農場の３圃場で，下水汚泥コンポストと消化汚泥脱離液を利用してデントコーンを栽培する試験を実施した。試験期間中に計86試料の土壌サンプルを採取し，２種類のふん便指標細菌（大腸菌，腸球菌）の遺伝子，５種類の薬剤耐性遺伝子の定量検出を行った。その結果，ふん便指標細菌の存在量はともに，栽培前と比較して収穫後で増加した。これは，下水道資源を利用した影響または野生動物が侵入した結果と考えらえる。耐性遺伝子ではsul1，blaTEM，blaCTX-M(gr9）が土壌試料から検出され，その相対存在量は収穫後で増加した。ただし，これらは栽培前の土壌や化肥区や無施肥区でも検出されたため，下水道資源の影響と断定できなかった。
【③汚染農地で栽培された飼料が家畜体内の耐性菌に与える影響評価】
②と同じ農場で，下水処理水栽培米（昨年度の実験で使用）に追加して汚泥コンポストで栽培されたデントコーンを与えて豚を肥育する実験を行った。月齢５カ月で導入された豚（n=18）に対し，最初２週間は市販飼料を与えた後，出荷までの６週間に渡って以下の３種類の飼料を与える試験を行った：上記の下水道資源栽培飼料（SR区），慣行栽培飼料（CC区），市販飼料（CF区）。週１回の頻度でふん便試料を採取し，そこから計432株（３処理区から各144株）の大腸菌株を単離した。単離菌株に対して抗菌薬への感受性試験を行った結果，274株（SR区93株，CC区98株，CF区83株）が５種類の抗菌薬のいずれかに耐性を示した。給餌試験中（３～８週目）では，SR区のアンピシリン耐性率がCC区と比較して有意に高かったが，CF区とは差がなかった。これは，下水道資源で栽培された飼料の影響，またはCC区の肥育豚の耐性菌株が保有する耐性遺伝子が欠落した結果かもしれない。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通りに研究を実施している。

Strategy for Future Research Activity

２年目までの研究によって，下水道資源を利用した作物栽培によって農地に耐性菌・遺伝子の拡散する可能性と，汚染農地で栽培された飼料を与えることで家畜体内の耐性菌が増える可能性を示す結果が得られた。しかしながら，どちらともその可能性を断言できる水準には達していない。３年目も引き続き実験を行い，それらの判断の根拠となるデータを蓄積するとともに，２年目までに得られた菌株について，より詳細な遺伝子解析を実施する予定である。

Research Products

• [Journal Article] ANTIMICROBIAL RESISTANCE OF <i>ESCHERICHIA COLI</i> ISOLATED FROM FATTENING PIGS FED FORAGE RICE IRRIGATED WITH TREATED MUNICIPAL WASTEWATER (2024)
  • Author(s): 横山律，西山正晃，松山裕城，渡部徹
  • Journal Title: Japanese Journal of JSCE Volume: 80 Issue: 25 Pages: n/a
  • DOI: 10.2208/jscejj.24-25017
  • ISSN: 2436-6021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CONTAMINATION STATUS OF ANTIMICROBIAL RESISTANT <i>ESCHERICHIA COLI</i> IN AGRICULTURAL SOIL TREATED WITH SEWAGE SLUDGE RESOURCES (2024)
  • Author(s): 齋藤静香，Siti Asah Md Ali，Luc Duc Phung，松山裕城，渡部徹，西山正晃
  • Journal Title: Japanese Journal of JSCE Volume: 80 Issue: 25 Pages: n/a
  • DOI: 10.2208/jscejj.24-25020
  • ISSN: 2436-6021
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recommendations of key elements within an integrated monitoring framework of antimicrobial resistance for Asian countries (2024)
  • Author(s): Honda, R., Kumar, M., Mardalisa, Wang, R., Sabar, M. A., Chaminda, T., Sirikanchana, K., Makkeaw, P., Sulfikar, Ju, F., Jiang, G., Li, B., Chiemchaisri, C., Gomi, R., Amarasiri, M., Venter, H., Nishiyama, M., Watanabe, T., Ihara, M., Kasuga, I., Watanabe, K. and Suzuki, S.
  • Journal Title: Environmental Science & Technology Letters Volume: 11 (1) Issue: 1 Pages: 5-8
  • DOI: 10.1021/acs.estlett.3c00820
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ANTIBIOTIC SUSCEPTIBILITY AND MOLECULAR TYPING OF <i>ESCHERICHIA COLI</i> ISOLATED FROM FATTING CATTLE WITH LOW ANTIMICROBIAL USE IN A LIVESTOCK FARM (2023)
  • Author(s): 横山律，西山正晃，松山裕城，渡部徹
  • Journal Title: Japanese Journal of JSCE Volume: 79 Issue: 25 Pages: n/a
  • DOI: 10.2208/jscejj.23-25044
  • ISSN: 2436-6021
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Impacts of feeds cultivated using resources from municipal wastewater and its treatment on antibiotic resistance of Escherichia coli in pigs (2025)
  • Author(s): Ritsu Yokoyama, Masateru Nishiyama, Hiroki Matsuyama, Ichiro Yoneda, Toru Watanabe
  • Organizer: 22nd Health-Related Water Microbiology Conference (Watermicro25)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 下水道資源の施用による薬剤耐性菌の農地土壌への影響 (2025)
  • Author(s): 齋藤静香，Siti Asah Md Ali，Luc Duc Phung，松山裕城，渡部徹，西山正晃
  • Organizer: 令和６年度土木学会東北支部技術研究発表会
• [Presentation] 下水道資源で栽培された飼料の給餌による肥育豚中の大腸菌の薬剤耐性への影響 (2025)
  • Author(s): 横山律，西山正晃，松山裕城，渡部徹
  • Organizer: 第59回日本水環境学会年会
• [Presentation] Impacts of sewage-based fertilizers on antibiotic-resistant Escherichia coli in agricultural fields (2024)
  • Author(s): Shizuka Saito, Siti Asah Md Ali, Luc Duc Phung, Hiroki Matsuyama, Toru Watanabe, Masateru Nishiyama
  • Organizer: Water and Environment Technology Conference 2024 (WET2024)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impacts of treated wastewater irrigation on fecal contamination and antibiotic resistance in paddy field (2024)
  • Author(s): Siti Asah Md Ali, Shizuka Saito, Luc Duc Phung, Masateru Nishiyama, Toru Watanabe
  • Organizer: 17th International Conference on the Challenges in Environmental Science and Engineering (CESE-2024)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 下水道資源を利用した農地土壌における大腸菌の汚染実態とその薬剤耐性 (2024)
  • Author(s): 齋藤静香，Siti Asah Md Ali，Luc Duc Phung，松山裕城，渡部徹，西山正晃
  • Organizer: 令和５年度土木学会東北支部技術研究発表会
• [Presentation] 下水処理水栽培米を給餌された肥育豚からの大腸菌分離株の薬剤耐性 (2024)
  • Author(s): 横山律，西山正晃，松山裕城，渡部徹
  • Organizer: 第58回日本水環境学会年会
• [Presentation] Antibiotic susceptibility and molecular typing of Escherichia coli isolated from beef cattle administered proper antimicrobials in a livestock farm (2023)
  • Author(s): Ritsu Yokoyama, Masateru Nishiyama, Hiroki Matsuyama, Toru Watanabe
  • Organizer: 16th International Conference on the Challenges in Environmental Science and Engineering (CESE-2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Prevalence of antibiotic-resistant Escherichia coli isolated from fatting cattle and dairy cow in a livestock farm, Yamagata, Japan (2023)
  • Author(s): Tumurbaatar Khishigtuya, Hiroki Matsuyama, Toru Watanabe, Masateru Nishiyama
  • Organizer: 16th International Conference on the Challenges in Environmental Science and Engineering (CESE-2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 下水処理水栽培米の給餌によるブタの大腸菌の薬剤耐性に対する影響 (2023)
  • Author(s): 横山律，西山正晃，松山裕城，渡部徹
  • Organizer: 日本水処理生物学会第59回大会（山形大会）