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): 2023-04-01 – 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

①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
下水道資源を利用したデントコーン畑における薬剤耐性大腸菌の検出とその特徴付けを行った。汚泥コンポスト（基肥）または消化汚泥脱水分離液（追肥）を施用している処理区において，6～9月にかけて30の土壌試料を採取した。対照区として豚ふん堆肥，化学肥料等を施用した処理区から18試料を採取した。採取した計48試料の大腸菌数を測定した結果，作物の生育初期と収穫後の11試料から48株の大腸菌が検出された。分離された大腸菌株について，18薬剤に対する感受性試験を行った結果，シプロフロキサシン（13.2%），アミカシン（13.2%），アンピシリン（7.5%）に高い耐性を示した。MLSTと系統発生群の分類による起源解析を行った結果，畑ごとに主要なST型と系統群が異なり，下水道資源の施用による農地への大腸菌汚染は確認されなかった．

②下水道資源を用いて栽培された飼料が家畜体内の耐性菌に与える影響評価
肥育後期（月齢5～6 ヶ月）に下水処理水栽培米を給餌された肥育豚（試験区）から分離した大腸菌株の薬剤耐性を，同期間に慣行栽培米を給餌された肥育豚（対照区）と比較した。18 頭の肥育豚から43 株（試験区の8頭から21株，対照区の8頭から22株）の大腸菌株が分離された。分離菌株について薬剤感受性試験を行った結果，24株（試験区の5頭から10株，対照区の7頭から14株）がテトラサイクリン，クロラムフェニコール，アンピシリン，スルファメトキサゾール/トリメトプリム，カナマイシンのいずれかの抗菌薬に耐性を示したが，いずれについても試験区と対照区で耐性率に有意差はなかった。耐性菌株のST 型と保有していた耐性遺伝子は両区で類似しており，肥育後期に下水処理水栽培米を給餌した影響は見られなかった。

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

薬剤耐性菌（大腸菌を対象）に注目した調査では，下水道資源の施用による農地への影響は見られなかった。今後は，農地に希薄で存在する耐性菌の検出を試みるとともに，菌種によらず耐性遺伝子の農地への拡散について調査する。

Research Products

• [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] 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）