Assessment of the impact of wastewater and sewage sludge treatment methods on antimicrobial resistance. Scientific opinion of the Panel on Microbial Ecology of the Norwegian Scientific Committee for Food and Environment

Abstract

The request from NFSA and NEA: Antimicrobial agents and microorganisms are introduced to sewage systems by different human activities, from private homes, institutions such as schools and hospitals, office buildings, industrial and commercial activities, i.e., from everywhere where people work and live. The Norwegian Food Safety Authority (NFSA) and Norwegian Environment Agency (NEA) asked the Norwegian Scientific Committee for Food and Environment (Vitenskapskomiteen for mat og miljø, VKM) for an extension of the 2009 VKM report “Risk assessment of contaminants in sewage sludge applied on Norwegian soils” regarding the impact of wastewater (WW)- and sewage sludge treatment methods used in Norway, on the fate and survival of antimicrobial resistant bacteria, fate of antimicrobial resistance genes, and main drivers for resistance (e.g. antibiotics, antifungal agents, heavy metals, disinfectants). The request addressed by VKM: VKM appointed a working group, consisting of three members of the Panel on Microbial Ecology, four external members and VKM staff to prepare a draft Opinion document. The Panel on Microbial Ecology has reviewed and revised the draft prepared by the working group and approved the Opinion document “Assessment of the impact of wastewater and sewage sludge treatment methods on antimicrobial resistance”. The antimicrobial resistance cycle: Exposure to antimicrobial agents is regarded as the most important driver for development and dissemination of AMR in microorganisms. Consequently, an important location for the development of AMR is the gut of humans or animals receiving antimicrobial drug therapy. As ARB, ARG, resistance genes and antimicrobial agents will end up in the WW system, this system could be regarded as a potential hot spot for interactions between different microorganisms, between different antimicrobial agents, and between microorganisms and antimicrobial agents. Hospitals and pharmaceutical companies are regarded as being an important source for antimicrobial drug residues released in WW. At the wastewater treatment plant (WWTP), bacteria and genes end up either in the effluent wastewater fraction or in the sludge fraction. When ARB and ARG are distributed with the WW sludge, they may reach arable land when the sludge is used as soil improver and fertilising product, and thus be recycled into the food-production chain. When following the effluent WW fraction, ARB and ARB will be released into WW recipients, such as lakes, rivers or fjords, and may, from these environments, also be recycled into food production. In each step of these cycles, ARB and ARG will be introduced into new environmental compartments to which they must adapt, and to microbial communities with which they must compete for survival and growth. Depending on the bacterial species, these new environmental compartments will be more or less hostile, but they will also provide opportunities for microbial interactions, like dissemination of ARG due to horizontal gene transfer (HGT) within and between bacterial species. Findings: It is challenging to deliver a general assessment of the nature of as well as the probability for direct discharge of ARB and ARG into effluent WW and applied sludge. This is due to the combined complexity of resistance carriers, traits, various sources of variation, and the WW systems. Moreover, there is currently a lack of harmonized methods and protocols to compare studies from different systems. However, there are no strong indications that there is a significant enrichment of ARB in WWTP operated under European conditions, which, on a general level, also applies to the Norwegian situation. Although some studies indicate a slight increase in the fraction of ARB, the absolute reduction in bacterial load during WW treatment (WWT) is significant; removal of between 99 % to 99.9 % of faecal indicator bacteria is generally achieved by secondary treatment, including biological and physicochemical treatment steps. Effluent WW is often released into water recipients, and there are many mechanisms (physical, mechanical, and chemical) that will limit the extent that ARB of faecal origin are transferred to the food-production chain. However, there are different views on the significance of this release for the development of AMR. Results from single studies indicate that WWTP effluents contribute little to the total AMR exposure of micro – and macro organisms in aquatic and marine environments. On the other hand, freshwater environments in general are regarded as an important reservoir of novel antibiotic resistance determinants, and in some areas, relative abundance of resistance determinants in effluents has been observed to be considerably higher than in pristine natural water sources. Some imprint of AMR in recipient waters, compared to pristine waters, is unavoidable. During WWT, bacteria largely adhere to particles that are aggregated and precipitated to form a solid sludge. The mandatory hygienisation of sludge kills a large proportion of these bacteria, notably all thermosensitive faecal bacteria. However, the resulting hygienised sludge is still rich in bacteria, some of which are carriers of ARGs. The current Norwegian regulations on use of sludge on soil contribute to prevent contamination of food with antimicrobial resistant bacteria and antimicrobial resistance genes from sludge. Yet, soils do contain a pool of both natural and sludge-derived antimicrobial resistance. The contribution of sludge to this antimicrobial resistance pool is probably temporally limited to a period after soil amendment with sludge. A recent, comprehensive study from Sweden showed that longterm application of sewage sludge on farmland only resulted in minor changes of soil bacterial community composition. No evidence could be found for enrichment of antimicrobial resistant bacteria or antimicrobial resistance genes in soil amended with digested and stored sewage. Hospital WW contains more ARB, ARG, and antibiotic residues than municipal sewage, but the difference is not large for ARB and the impact may be minimal in large WW systems. In smaller WW infrastructures, a hospital or similar institution may have a higher impact on the effluent water from the WWTP, and this might suggest that local treatment of the WW at the hospital could be advantageous. A recent Norwegian study monitored bacterial diversity in different WW in the Oslo area, and found the highest concentration of AMR (ARB and/or ARG) in hospital WW. But surprisingly, high concentrations were also found in the studied community wastewater. The relative contribution of hospital effluents seemed low in terms of dissemination of antimicrobial resistant bacteria to the wastewater treatment plant. All measures that can be taken at source to avoid dissemination of antimicrobial agents, ARB, and ARG should be evaluated for their contribution towards combatting AMR emergence. Concentrations of antimicrobial agents, ARB, and ARG are highest in the sewage system and at the inlet to WWTPs. Separation of the different fractions of antimicrobials, ARB, and ARG for individual treatment may therefore reduce the total load reaching the WWTPs. Due to the high concentrations of ARB and ARG in the sewage system, risks from sewage pipe leakages are of concern. Intrusion of contaminated water into the drinking water distribution system should also raise concern. Rehabilitation of the sewage and drinking water networks will considerably mitigate risks. The level of sewage treatment in Norway is rather low, and upgrading will decrease the concentration of bacteria discharged. However, WWTPs are generally not designed for removal of AMR. Membrane processes seem to be the most promising option for increasing such removal rates. Future perspectives: The opinion discusses how the “concept of sensitive recipients” for requirements of the level of WWT could be revisited. This concept is currently based on controlling nutrient loads to the environment, rather than on trace contaminants or contaminants such as ARB and ARG that develop in the stressed environment. In the future, it might be of value to define requirements for WWT based on the relative increase caused by the discharge to the pollution level. Using such a paradigm, a small load with contaminants to a rather unpolluted environment would be rated as being highly critical and the discharge would require further treatment. In addition to the amount of ARB, the type of resistance and their level of horizontal mobility are also important in this aspect. This opinion also proposes the establishment of a new monitoring programme, parallel to the existing NORM and NORM-VET monitoring programmes; “NORM-ECO”. There is relatively little knowledge on AMR in non-clinical compartments, compared with hospital and other clinical settings, and parameters that would trigger immediate responses from NFAS or NEA are not yet identified. However, establishment of a “NORM-ECO”-system requires clarification of that needs further definition.

Oppdrag fra Mattilsynet og Miljødirektoratet: Antimikrobielle stoffer og mikroorganismer skilles ut til avløpssystemene gjennom ulike menneskelige aktiviteter; fra private hjem, forskjellige institusjoner inkludert skoler og sykehus, kontorbygg, industriell og kommersiell virksomhet, dvs. overalt hvor mennesker bor og lever. Mattilsynet og Miljødirektoratet ba Vitenskapskomiteen for mat og miljø (VKM) om en utvidelse av VKM-rapporten fra 2009, «Risikovurdering av avløpsslam som jordforbedringsmiddel», angående effekt av behandlingsmetoder for avløpsvann- og slam brukt i Norge på utvikling av bakterier som er resistente overfor antimikrobielle stoffer, spredning av antimikrobielle resistensgener, og drivere for utvikling av resistens (som antibiotika, soppdrepende midler, tungmetaller, desinfeksjonsmiddel, osv.). Slik ble oppdraget utført av VKM: VKM oppnevnte en arbeidsgruppe bestående av tre medlemmer fra faggruppen for mikrobiell økologi, fire eksterne medlemmer og VKM-ansatte, for å svare på spørsmålene i oppdraget. Faggruppen for mikrobiell økologi har gjennomgått og revidert rapportutkastet fra arbeidsgruppen og godkjent rapporten. Den antimikrobielle resistenssyklusen: Eksponering for antimikrobielle stoffer blir sett på som den viktigste pådriveren for utvikling og spredning av antimikrobiell resistens hos mikroorganismer. Tarmen hos mennesker eller dyr som får antimikrobielle medikamenter, er dermed et viktig sted for utvikling av antimikrobiell resistens. Ettersom resistente bakterier, resistensgener og antimikrobielle stoffer skilles ut til avløpssystemet, kan avløpssystemet være en potensiell «hot spot» for interaksjoner mellom forskjellige mikroorganismer, mellom forskjellige antimikrobielle stoffer, og mellom mikroorganismer og antimikrobielle stoffer. Det er særlig risiko for at sykehus og farmasøytisk industri kan tilføre antimikrobielle medikamenter og medikamentrester til avløpsvannet. Fra renseanlegg for avløpsvann vil bakterier og gener havne enten i avløpsvann eller i slam som slippes ut fra anlegget. Når slam brukes som jordforbedringsmiddel og gjødsel, kan resistente bakterier og resistensgener nå dyrkbar jord og dermed resirkuleres til matproduksjonskjedene. Via renset avløpsvann blir resistente bakterier og resistensgener frigjort til resipienter, det vil si elver, innsjøer eller fjorder, og kan resirkuleres til matproduksjonen fra disse miljøene også. I hvert trinn i syklusene som er beskrevet, vil resistente bakterier og resistensgener bli introdusert til nye miljøer som de må tilpasse seg, og til mikrobielle samfunn hvor de må konkurrere om næring for å formere seg og overleve. Avhengig av bakterieart vil disse nye miljøene være mer eller mindre uvennlige, men miljøene vil også gi muligheter for mikrobielle interaksjoner, som spredning av resistensgener, på grunn av horisontal overføring i og mellom bakteriearter. Viktige funn beskrevet i rapporten: Det er vanskelig å foreta en samlet og generell vurdering av sannsynligheten for direkte utslipp av resistente bakterier og resistensgener i avløpsvann og slam, på grunn av kompleksiteten i avløpssystemer og mangelen på harmoniserte metoder og protokoller for å sammenligne data fra forskjellige systemer. Det er imidlertid ingen sterk indikasjon på at det er en betydelig seleksjon av resistente bakterier i renseanlegg for avløpsvann under europeiske forhold (for eksempel endemisk nivå av resistensgener, bruk av teknologi, liten produksjon av antibiotika), noe som generelt også gjelder for situasjonen i Norge. Selv om resultater fra noen enkeltstudier indikerer at behandlingsprosessene kan gi en liten økning i andelen resistente bakterier, er den absolutte reduksjonen gjennom behandlingen betydelig: mellom 99 % og 99,9 % av fekale indikatorbakterier (Mellom 99 % og 99,9 % av fekale indikatorbakterier, dvs. bakterier som stammer fra avføring, vil fjernes gjennom osv.) vil fjernes gjennom en sekundær behandlingsprosedyre, som inkluderer biologiske og fysiskkjemiske behandlingstrinn. Avløpsvann slippes ut i elver, innsjøer og fjorder, og det er mange fysiske, mekaniske og kjemiske mekanismer som begrenser sannsynligheten for at resistente bakterier av fekal opprinnelse blir tilbakeført til matproduksjonskjedene. Imidlertid er det ulike synspunkter på hvilken betydning slike utslipp har for videre utvikling av antimikrobiell resistens. Resultater fra enkeltstudier indikerer at renset avløpsvann bidrar relativt lite til den totale resistenseksponeringen som organismer i vannmiljøer og marine miljøer utsettes for. På den annen side blir ferskvannsmiljøer generelt sett på som et viktig reservoar for nye resistensdeterminanter, og i noen områder har forekomsten av resistensdeterminanter i renset avløpsvann blitt observert å være betydelig høyere enn i uberørte naturlige vannkilder. Det ser ut til å være uunngåelig med et visst omfang av antimikrobiell resistens i resipienter sammenlignet med uberørte vannkilder. Under behandlingsprosessene i renseanleggene fester bakterier seg i stor grad til partikler som aggregerer og deretter felles ut for å danne et fast slam. Ved å fjerne smitte- og giftstoffer fra slammet forskriftsmessig, drepes en stor andel av disse bakteriene, særlig fekale bakterier som er følsomme for høye temperaturer. Imidlertid er det hygieniserte slammet fortsatt rikt på bakterier, og noen av disse er bærere av spesifikke resistensgener. Det norske regelverket om bruk av slam på jord, vil imidlertid bidra til å begrense at mat forurenses med resistente bakterier og resistensgener. Jordsmonn har uansett et variert innhold av resistente bakterier. Mange er naturlig tilstede i jord og noen kan være tilført med slam. Den relativt sett største betydningen av slambakterier er sannsynligvis begrenset til en kortvarig periode etter at slammet er pløyd ned i jorda. En ny og omfattende studie fra Sverige viste at anvendelse av avløpsslam på jordbruksmark over flere år kun resulterte i mindre endringer i populasjonen av jordbakterier. Det ble ikke funnet noen bevis for at bruk av behandlet avløpsslam og noen økning i mengden av resistente bakterier eller resistensgener i jorda. Avløpsvann fra sykehus har gjerne et høyere innhold av resistente bakterier, resistensgener og rester av antimikrobielle stoffer enn avløpsvann fra husholdninger og samfunnet for øvrig. Dersom avløpsvann fra sykehus går til store renseanlegg, betyr det ikke nødvendigvis at renseanlegget vil slippe ut større mengder resistente bakterier eller resistensgener. Derimot kan utslipp fra et sykehus til et mindre renseanlegg ha større innvirkning totalt sett, noe som betyr at man bør vurdere å behandle avløpsvannet ved sykehuset før det slippes ut på det ordinære avløpsnettet. Nylig publiserte resultater fra en norsk studie som undersøkte bakteriepopulasjonene i forskjellige avløpsvann i Oslo-området, viste at de høyeste konsentrasjonene av antimikrobiell resistens ble funnet i urenset avløpsvann fra sykehus. Det ble også funnet overraskende høye konsentrasjoner i urenset avløpsvann fra husholdninger. Det relative bidraget fra sykehusavløpet var av mindre betydning når det gjaldt tilførsel av resistente bakterier til renseanlegget. Antimikrobiell resistens er beskrevet som en av vår tids største folkehelsetrusler. For å bekjempe trusselen, må alle tiltak for å unngå spredning av antimikrobielle stoffer, resistente bakterier og resistensgener vurderes. Konsentrasjonen av antimikrobielle stoffer, resistente bakterier og resistensgener er høyest i ubehandlet kloakk og ved innløpet til renseanleggene. Å separere de forskjellige bestanddelene som har høye konsentrasjoner av antimikrobielle stoffer, resistente bakterier og resistensgener og for å behandle dem separat, kan derfor være et effektivt tiltak for å redusere den totale belastningen som kommer til renseanleggene. På grunn av de høye konsentrasjonene i urenset avløpsvann, er det viktig å være oppmerksom på risikoen for lekkasjer fra rørsystemene for slikt avløpsvann, spesielt når det gjelder risiko for inntrenging av avløpsvann til distribusjonssystemet for drikkevann. Oppgradering og vedlikehold av avløps- og drikkevannsnettverk vil redusere denne risikoen betydelig. Metodene som brukes for rensing av avløpsvann i Norge er generelt relativt enkle. En oppgradering til mer avanserte metoder vil redusere konsentrasjonen av alle bakterier som frigjøres fra anleggene. Imidlertid er ikke renseanlegg for avløpsvann i utgangspunktet designet for å fjerne antimikrobiell resistens. Membranbaserte metoder ser ut til å være de mest lovende alternativene for å forbedre et slikt rensetrinn. Fremtidsperspektiver: I rapporten drøftes hvordan konseptet med «sensitive resipienter» kan inkluderes når det gjelder revisjon av krav til rensing av avløpsvann. I dag er dette konseptet basert på vurdering av tilførsel av næringsstoffer til miljøet, snarere enn på sporforurensninger eller forurensninger som resistente bakterier og resistensgener som utvikler seg i et utsatt miljø. Det kan være fornuftig å definere krav til rensing av avløpsvann i relasjon til den effekten en økning av utslipp vil medføre. Ved å bruke en slik tilnærming, vil en liten forurensingsbelastning til et i utgangspunktet rent miljø bli vurdert som svært kritisk, og utløse krav om ytterligere behandling. I tillegg til å vurdere mengde av forurensing, vil det i dette perspektivet også være nødvendig å vurdere type forurensning. Det vil si type resistens og eventuell lokalisering av resistensdeterminanter på kjente, mobile elementer. I rapporten drøftes også etablering av et nytt overvåkningsprogram som kan gå parallelt med de eksisterende overvåkningsprogrammene NORM og NORM-VET - «NORM-ECO». Det er fremdeles relativt liten kunnskap om antimikrobiell resistens i ikke-kliniske miljøer, og det er ikke identifisert noen målbare parametere som vil utløse umiddelbar respons fra Mattilsynet eller Miljødirektoratet. Imidlertid krever etablering av et «NORM-ECO» -system avklaring av en rekke spørsmål, som må besvares gjennom ny forskningsinnsats.