Modeling evolution and dissemination of resistance under temporally changing antimicrobial concentration

Abstract

Dördüncül amonyum bileşikleri(DABlar) insan ve hayvan sağlık merkezlerinde en çok kullanılan katyonik yüzeyaktif dezenfektanlardandır. Yüksek kullanım oranlarına rağmen minimum inhibisyon konsantrasyonunun altındayken mikroorganizmalarda antimikrobiyal direncinin yaydıkları tespit edilmiştir. Yayılan antimikrobiyal direnci ise antibiyotik direncini tetiklemektedir. DABlar biyolojik olarak parçalanabilirler. Bu nedenle hastahane yüzey alanlarında kullanımlarını takiben konsantrasyonları minimum inhibisyon konsantrasyonunun altına düşmektedir ve dolayısıyla DAB direncinin yayılımı kolaylaşmaktadır. Bu çalışmanın amacı en yaygın kullanılan DABlardan olan benzalkonyum klorürlerin (BAK) biyolojik degradasyonunun, antimikrobiyal direncinin yayılmasına katkısını belirlemektir. BAK a duyarlı ve BAK a dirençli iki mikroorganizma sürekli ve kesikli deney mekanizmalarında gözlemlenmiş ve BAK direncinin yayılımını simüle eden bir model hazırlanmıştır. Deneylerde BAK'a dirençli mikroorganizma olarak Pseudomonas sp. BIOMIG1 suşu, BAC'a duyarlı mikroorganizma olarak ise E. koli kullanılmıştır. Deney sonuçlarında E. Koli'nin BIOMIG1 ile aynı ortama konulduğu zaman, normal şartlarda büyümesini engelleyen DAB konsantrasyonun üzerinde büyüyebildiği tespit edilmiştir. Aynı sistem sürekli bir deney mekanizmasında işletildiğinde ise E. Koli'nin direncinde bir artma gözlemlenmiştir. Tüm bu deney sonuçları kullanılarak yeni bir model geliştirilmiş, kalibre edilmiş ve doğrulanmıştır. Bu çalışmadan elde edilen veriler ile insan sağlığıyla ilişkili ortamlarda, antimikriobiyal direnci oluşumu ve yayılımı ve geçirdiği proseslerle ilgili araştırmalara katkıda bulunmak amaçlanmıştır.

Quaternary ammonium compounds (QACs) are one of the most extensively used cationic biocides in human and animal health care facilities. Along with their many advantages as an antimicrobial agent, one of their biggest disadvantage is that QACs may facilitate development of antimicrobial resistance in bacteria which also promote antibiotic resistance at sub-inhibitory concentrations. Since QACs are biodegradable biocides, their concentrations may decrease substantially after they are applied to surfaces in hospitals. Thus, biodegradation creates environments with QACs at sub-inhibitory concentrations which are hotspots for evolution of QAC resistance. The objective of this study was to elucidate the role of biodegradation on the development of resistance to benzalkonium chlorides (BACs), one of the most extensively used group of QACs, by a BAC susceptible microorganism when a BAC degrader is present. Pseudomonas sp. BIOMIG1 and a strain of E. coli were used as BAC degrader and BAC susceptible model organisms, respectively, in the experiments. E. coli growth was observed above the minimum inhibitory concentrations of BAC when BIOMIG1 was present in the medium. Furthermore, E. coli's BAC resistance increased when this co-culture system was operated in a continuous reactor. Additionally, a model that simulates the dynamics of interactions in such a microbial community was developed, calibrated and verified successfully with the experimental data. Outcomes of this study may be useful to further explore processes involved in the evolution and dissemination of antimicrobial resistance in microbial communities in human health related environments.