[미국] 일리노이 연구팀, 유전자 염기서열 분석 통해 홍수 발생지서 병원균 출처 밝혀

헬렌 응우옌 연구팀, 노스 캐롤라이나 해안의 환경 샘플에서 S. enterica 추적

허리케인 플로렌스가 지나간 후 노스캐롤라이나 해안가 수로에서 ‘항생제 내성 병원균’을 포함한 용존 유기물이 존재함을 보여주는 가시광선 및 적외선 데이터를 포함한 NASA 이미지 [사진출처 = University of Illinois Urbana-Champaign]

연구원들은 살모넬라 엔테리카 균(S. enterica)의 근원지가 지역의 돼지 농장이 아닌 2018년 허리케인 이후의 노스캘로라이나 연안의 강과 하천이었다고 『Geohealth』 저널에 보고했다. 

이러한 발견은 특히 열대성 폭풍의 증가로 인해 큰 영향을 받고 있는 개발도상국의 해안 지역에서 홍수 발생 후 ‘항생제 내성 병원균’로 인한 질병의 확산을 통제하는 데 중요한 의미를 갖는다.  

헬렌 응우옌(Helen Nguyen) 토목 및 환경 공학 교수와 대학원생 워칭 마오(Yuching Mao)가 이끄는 이 연구는 유전자 추적을 사용해 노스 캐롤라이나 해안의 환경 샘플에서 S. enterica의 존재와 출처를 추적한다. 

응우옌 교수는 “항생제 내성 병원균에 의한 감염은 미국에서만 매년 약 280만 건의 질병과 3만6천 명의 사망을 초래한다”며 “이러한 감염은 전 세계로 쉽게 확산되지만, 완화를 통해 예방할 수 있다”고 말했다.

 

이 연구는 인간과 동물의 배설물 유전자 표지가 홍수가 난 수역에서 종종 발견되기 때문에 일반적으로 폐수원, 정화조 시스템 및 축산 농장이 항생제 내성 박테리아와 유전 물질을 환경으로 퍼트리는 역할을 한다고 가정한다고 보고한다.

그러나 오염원 지점을 확정적으로 규명한 연구는 알려진 바가 없다.

응우옌은 “노스캐롤라이나 해안은 돼지 농장과 개인 정화조 시스템이 밀집돼 있고 열대성 폭풍으로 인한 해안 홍수가 상당히 흔하기 때문에 훌륭한 사례 연구 지역”이라고 말했다.

허리케인 플로렌스가 휩쓸고 지나간 지 3주 후, 응우옌의 연구팀은 노스캐롤라이나의 농업 생산 지역에 있는 돼지 농장 하류의 수역에서 25개의 물 샘플을 채취했는데, 그 중 23개에는 S. 엔테리카 박테리아가 포함돼 있었다.

응우옌 박사는 “우리는 높은 충실도의 전체 유전체 염기서열 분석을 사용해 염색체와 플라스미드와 같은 자유롭게 떠다니는 유전자 표지자를 분석했고, 허리케인 플로렌스 이후 수집된 샘플에서 S. enterica가 동물이나 분뇨에서 유래한 것이 아니라는 것을 발견했다”고 말했다.

연구팀은 박테리아의 기원을 이 지역의 많은 작은 강과 개울에서 유전적으로 추적했는데, 이는 이러한 병원균이 이미 자연 환경에 자리 잡았다는 것을 의미한다.

응우옌은 “기후 변화로 인해 기온이 더 따뜻해져 박테리아가 번성하기 좋은 환경이 조성되고, 더 빈번한 열대성 폭풍이 발생할 수 있기 때문에 연구자와 정책 입안자들이 우리 발견의 중요성을 깨달아야 한다”고 말했다.

또 “허리케인 이후 병원성 박테리아의 확산을 방지하기 위한 완화 계획을 설계할 때 농업 및 인간 폐수만 고려해서는 안 된다”고 덧붙였다. 

응우옌 박사의 연구팀은 이 연구를 해안 지역을 넘어 확장할 계획이며, 일리노이주의 캐나다 거위 배설물에서 병원균의 확산을 연구하기 위해 다른 캠퍼스 연구원들과 협력하고 있다.

칼 알 우즈 게놈 생물학 연구소, 칼 일리노이 의과 대학, 플로리다 대학의 연구원들 이 이 연구에 기여했으며, IGB, The Grainger College of Engineering, Allen Foundation 및 EPA가 이 연구를 지원했다.

[원문보기]

Genetic sequencing uncovers unexpected source of pathogens in floodwaters

 

Researchers report in the journal Geohealth that local rivers and streams were the source of the Salmonella enterica contamination along coastal North Carolina after Hurricane Florence in 2018 – not the previously suspected high number of pig farms in the region. 

These findings have critical implications for controlling the spread of disease caused by antibiotic-resistant pathogens after flooding events, particularly in the coastal regions of developing countries that are being highly impacted by the increase in tropical storms. 

The study, led by civil and environmental engineering professor Helen Nguyen and graduate student Yuqing Mao, tracks the presence and origin of S. enterica from environmental samples from coastal North Carolina using genetic tracing. 

“Infections caused by antibiotic-resistant pathogens are responsible for approximately 2.8 million human illnesses and 36,000 deaths per year in the U.S. alone,” Nguyen said. “These infections spread easily across the globe and are a major burden on burgeoning health care systems, but they are preventable through mitigation.”

The study reports that because human and animal fecal genetic markers are often found in flood waters, it is commonly assumed wastewater sources, septic systems and livestock farms are responsible for spreading antibiotic-resistant bacteria and genetic material into the environment. However, no known studies have conclusively identified contaminant source points. 

“Coastal North Carolina is a great case study area because there is a high concentration of swine farms and private septic systems, and coastal flooding caused by tropical storms is fairly common,” Nguyen said. 

Three weeks after Hurricane Florence, Nguyen’s team collected 25 water samples from water bodies downstream of the swine farms in agricultural production areas in North Carolina, 23 of which contained the S. enterica bacteria.

“We analyzed free-floating genetic markers – chromosomes and plasmids – using high-fidelity whole-genome sequencing and found that S. enterica in the samples collected after Hurricane Florence were not from animals or manure,” Nguyen said. 

The team genetically traced the bacteria’s origin to the many small local rivers and streams in the area – meaning that these pathogens have already established themselves in the natural environment. 

“With climate change bringing warmer temperatures – in which bacteria thrive – and possibly larger and more frequent tropical storms, the importance of our findings needs to be realized by researchers and policymakers,” Nguyen said. “Agricultural and human wastewater should not be the only source considered when designing mitigation plans to prevent the spread of pathogenic bacteria after hurricanes.”

Nguyen’s team plans to extend this research beyond coastal regions and is collaborating with other campus researchers to study the spread of pathogens from Canada goose feces in Illinois. 

Researchers from the Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, the Carle Illinois College of Medicine and the University of Florida also contributed to this study. 

The IGB, The Grainger College of Engineering, the Allen Foundation and the EPA supported this study. 

[출처 =  University of Illinois Urbana-Champaign(https://news.illinois.edu/view/6367/1942007008?utm_medium=web&utm_term=newsbureau&utm_campaign=yks&utm_source=uihomepage) /2023년 12월 18일]