Characterization of Antimicrobial Resistance in Escherichia coli Isolated from River Basin of Kathmandu Valley

Abstract

Antimicrobial resistance, a global burden, leads to treatment failures and increased healthcare challenges. Antimicrobial resistance in bacterial isolates from water, poultry feces and human pathological specimens has been published in some scattered small studies in Nepal, without any specific correlation. To understand the commonality between the isolates, their antimicrobial resistance pattern and possible correlation between the isolates from human, animal, and environment, the current study has been conducted during Jan 2020 till Sept 2023. The study aimed to characterize Escherichia coli and ESBL E. coli within the Katmandu valley river basin (Bagmati river water, stone spouts, shallow well), poultry feces, and human urine samples and determine their correlation. A total of 264 water samples from 88 sampling sites: upstream (7), midstream (37), downstream (16) and tributaries (6) of Bagmati river, stone spouts (14) and shallow wells (8); 390 poultry feces from 13 poultry farms spread within 5 clusters all along the Bagmati river basin were analyzed following standard methodology, at Central Department of Microbiology Laboratory; while 1,220 human urine samples from patients visiting National Public Health Laboratory, were analyzed at NPHL following CLSI guideline. Out of the 1,295 bacterial isolates detected from the samples, 48 % (617/1,295) were E. coli; of which 288 were from water, 63 were from human urine and 266 were from poultry feces. Analysis revealed that 6 % (80/1295) were ESBL E. coli. A total of 797 bacteria were isolated from water samples: E. coli (36%), K. oxytoca (16%), C. freundii (21%), C. koseri (14%), K. pneumoniae (9%), and E. aerogenes (4%). A total of 402 bacteria were isolated from Poultry feces: E. coli (66%), C. freundii (18%), C. koseri (8%), P. mirabilis (3%), P. vulgaris (1%), S. Typhi (1%), S. Paratyphi (0.7%), S. dysenteriae (2%), and Acinetobacter spp. (0.3%). A total of 96 bacteria were isolated from urine samples: including E. coli (66%), C. freundii (17%), C. koseri (5%), K. pneumoniae (4%), E. aerogenes (3%), K. oxytoca (2%), P. mirabilis (2%), and P. vulgaris (1%).ESBL E. coli was not detected in upstream, stone spout, and shallow well water samples. The MPN count revealed increasing trend from upstream to tributaries: upstream (31), stone spout (69), shallow well (160), midstream (2,400), downstream (17,000), and tributary (70,000), indicating human activity effects across the human inhabitation. In river water 36 % (288/797) of the isolates were E. coli and 5 % (40/797) were ESBL E. coli. E. coli was not detected from about 3 % (3/88) and ESBL E. coli was not detected from 70 % (62/88) of water sampling sites. Among non ESBL E. coli, 99 % (246/248) were resistant to erythromycin; 98 % (244/248) to amoxicillin clavulanic acid and about 98 % (242/248) to ampicillin and 96 % to piperacillin and tetracycline. All ESBL E. coli (40) were resistant to ampicillin, amoxicillin/clavulanic acid, cefotaxime, ceftazidime and piperacillin antibiotics, whereas only about 18 % (7/40) ESBL E. coli were resistant to imipenem. From urine samples, significant growth of Enterobacteriaceae was detected in 8 % (96/1,220) of the samples, with 96 bacterial isolates detected; among which 66 % (63/96) were E. coli and 19 % (18/96) were ESBL E. coli. All ESBL E. coli (18) isolates were resistant to cefotaxime, ceftazidime and ciprofloxacin whereas about 17 % (3/18) ESBL E. coli were resistant to imipenem. Among the poultry feces isolates, 66 % (266/402) were E. coli and 5 % (22/402) were ESBL E. coli. ESBL E. coli was not detected in fecal samples from 15 % (2/13) of the poultry farms. All ESBL E. coli (22) were resistant to amoxicillin/clavulanic acid, cefepime, ceftazidime and piperacillin tazobactam antibiotics whereas about 23 % (5/22) of ESBL E. coli were resistant to imipenem. The ESBL gene bla CTX M-1 was detected in 90 % (72/80), bla TEM was detected in 40 % (32/80) and bla SHV was detected in 15 % (12/80) of the ESBL E. coli isolates. A bla CTX M-9 gene was detected only in ESBL E. coli from one river water sample, while bla SHV gene was not detected in E. coli from human urine samples. The correlation coefficient showed low to moderate correlation between ESBL E. coli in urine and water (r = 0.3), water and feces (r = 0.17) and urine and feces (r = 0.13). The similarity map based upon antibiotic resistance pattern of ESBL E. coli revealed less distance in ESBL E. coli isolates from water and human urine in comparison to water and poultry fecal isolates. The study unveils low but significant correlation in the antibiotic resistance profiles of ESBL E. coli isolates from river water, human urine, and poultry feces, indicating the possible cross-linkage between the bacteria from all 3 sources: human, animal, and environment. The findings of the study clearly indicated the need for strengthening surveillance, monitoring, and containment programs, enhancing sanitation, hygiene, and infection prevention & control practices, and promoting rational use of antibiotics, for public health protection. Addressing the key components of One Health (a healthy environment, healthy humans, and healthy animals) is crucial to reducing the burden of antimicrobial-resistant organisms. जीवाणुले गर्ने सङ्क्रमणको उपचारमा प्रयोग गरिने प्रतिजैविकहरु प्रति जीवाणुले देखाउने प्रतिजैविक प्रतिरोधको अवस्था विश्वव्यापी चुनौतीको रुपमा देखा परेको छ । नेपाल भित्र वातावरण, पशुपंक्षी र सङ्क्रमित मानिसहरुको नमुनाबाट भेटिएका जीवाणुहरुले प्रतिजैविक प्रतिरोध गर्ने पुष्टि गरेका छन् । यो अध्ययन जनवरी, २०२० देखि सेप्टेम्बर, २०२३ सम्म काठमाडौं उपत्यका भित्र वागमती जलधार क्षेत्रमा गरिएको थियो । वागमती नदी अन्तर्गत उपल्लो नदी खण्ड (७)‚ मध्य नदीखण्ड (३७)‚ र तल्लो नदीखण्ड (१६)‚ सहायक नदीहरु (६)‚ तथा ढुंगेधाराहरु (१४), र इनार (८) बाट पानीका तेहोरो नमुनाहरु ;ª\sng गरिएका थिए । राष्ट्रिय जन स्वास्थ्य प्रयोगशालाबाट मूत्रनलीमा शंकास्पद सङ्क्रमण देखिएका विरामीहरुको मूत्रको नमुनाहरु (१‚२२०) र १३ वटा कुखुराको फार्मबाट ३९० कुखुराको सुलीको नमुना पनि ;ª\sng गरिएको थियो । पानीका नमुनाहरुबाट सर्वाधिक संभावित संख्या गणना विधिको प्रयोग गरी तथा उपयुक्त जीवाणु वृद्धि माध्यमको प्रयोग गरेर मानिसको मूत्रको नमुना र कुखुराको सुलीबाट जीवाणुहरु अलगाव गरिएका थिए । जीवाणुहरुलाई उचित जैवरासायनिक परीक्षण गरी प्रजातिको पहिचान पश्चात् E. coli हरुको प्रतिजैविक संवेदनशीलता परीक्षण गरिएको थियो, जसमा १७ वटा प्रतिजैविकहरुलाई ११ वटा श्रेणी र ५ वटा परिक्षण प्रतिवेदन समुहमा विभाजित गरिएको थियो (CLSI, 2020) । विस्तारित स्पेक्ट्रम बिटा ल्याक्टामेज उत्पन्न गर्ने क्षमता भएका E. coli को लक्षण प्रारुप पुष्टिका लागि संयोजन डिस्क र जीव प्रारुप पुष्टिका लागि वहुसंयुक्त पोलिमरेज शृंखला प्रतिक्रिया विधिको प्रयोग गरिएको थियो । माथि उल्लेखित सबै नमुनाहरुको विश्लेषण कार्य त्रिभुवन विश्वविद्यालय अन्तर्गतको सुक्ष्मजीवविज्ञान केन्द्रीय विभागको प्रयोगशालामा गरिएको थियो । यसरी ;ª\slnt नमुनाहरुको विश्लेषण गरी इन्टेरोब्याक्टेरिएसी परिवार भित्र १२ र मोरग्जेलेसी परिवार भित्र १ प्रकारका गरी १,२९५ जीवाणुहरु पहिचान गरीयो । पानीबाट २८८, कुखुराको सुलीबाट २६६ तथा मानवमूत्रबाट ६३ गरी कुल ६१७ E. coli पहिचान भए । यस अध्ययनमा E. coli बाहेक Acinetobacter spp.‚ Citrobacter freundii‚ Citrobacter koseri‚ Enterobacter aerogenes‚ Klebsiella pneumoniae‚ Klebsiella oxytoca‚ Proteus mirabilis‚ Proteus vulgaris‚ Salmonella Typhi‚ Salmonella Paratyphi‚ Shigella dysenteriae जीवाणुहरु पनि भेटिए । कुल १,२९५ जीवाणुहरु मध्ये करिब ६ % (८०/१,२९५) ESBL E. coli को रुपमा पहिचान भए । विशेषतः वागमती नदीको उपल्लो नदी खण्ड, ढुंगेधारा र इनारबाट ;ª\sng गरिएका नमुनाहरुमा ESBL E. coli भेटिएनन् । सय मिलिलिटर पानीको नमुनामा; उपल्लो नदी खण्डमा सबैभन्दा कम (३१) र सहायक नदीहरुका संगमस्थलहरुमा (७०,०००) सबै भन्दा बढी कोलिफर्म्स पाइयो । पानीका नमुनाहरुमा ७९७ वटा जीवाणुहरु फेला परेका थिए, जसमध्ये करीब ३६ % (२८८/७९७) E. coli र करिब ५ % (४०/७९७) ESBL E. coli थिए । E. coli हरु मध्ये करिब १४ % (४०/२८८) ESBL E. coli भेटिए । पानीका नमुनाको विश्लेषण हेर्दा करिब ९७ % (८५/८८) नमुना संग्रहस्थलहरुमा E. coli भेटिए भने करिब ३० % (२६/८८) नमुना संग्रहस्थलहरुमा ESBL E. coli पाइए । प्राप्त E. coli र ESBL E. coli हरुको प्रतिजैविक प्रतिरोध परीक्षण गर्दा परीक्षणमा प्रयोग गरिएका १७ वटा प्रतिजैविक औषधिहरु मध्ये ९५ % भन्दा बढी non ESBL E. coli हरुले एम्पिसिलिन, इराइथ्रोमाइसिन, पाइपेरासिलिन, एमोक्सिलिन क्ल्याभुलिनिक एसिडए र टेट्रासाइक्लिनका विरुद्ध प्रतिरोध देखाए भने करिब १०० % (४०/४०) ESBL E. coli हरुले एम्पिसिलिन‚ एमोक्सिलिन क्ल्याभुलिनिक एसिड‚ सेफ्टाजिडाइम‚ सेफोट्याक्जिमी र पाइपेरासिलिनका विरुद्ध प्रतिरोध देखाए । तर इमिपेनेमका विरुद्ध भने करिब १८ % (७/४०) ESBL E. coli हरुले मात्र प्रतिरोध देखाए । त्यस्तै मानवमूत्रका जम्मा १,२२० वटा नमुनाहरुमध्ये करिब ८ % (९६/१२२०) नमुनाहरुमा उल्लेखनीय रुपमा जीवाणुहरु भेटिए जस मध्ये करीब ६६ % (६३/९६) E. coli र करीब १९ % (१८/९६) ESBL E. coli थिए । शत प्रतिशत (१८/१८) ESBL E. coli हरुले सेफोट्याक्जिमी‚ सेफ्टाजिडाइम र सिप्रोफ्लोजासिनका विरुद्ध प्रतिरोध देखाए भने इमिपेनेमका विरुद्ध करिब १७ % (३ / १८) प्रतिरोध देखाए । अर्को तर्फ कुखुरा फार्मबाट ;ª\slnt कुखुराका सुलीका ३९० वटा नमुनाबाट ४०२ वटा जीवाणुका पहिचान गरियो जसमा करिब ६६ % (२६६/४०२) E. coli र करिब ५ % (२२/४०२) ESBL E. coli थिए । कुखुराका सुली ;ª\sng गरिएका कुखुरा फार्म मध्ये करिब १५ % (२/१३) कुखुरा फार्ममा र ९४ % (३६८/३९०) नमुनाहरुमा ESBL E. coli पाइएन । कुखुराका सुलीबाट प्राप्त ESBL E. coli हरुको प्रतिजैविक प्रतिरोध परीक्षण गर्दा परीक्षणमा प्रयोग गरिएका १७ वटा प्रतिजैविक औषधिहरु मध्ये ESBL E. coli हरुले १०० % (२२/२२) एमोक्सिलिन क्ल्याभुलिनिक एसिड‚ सेफ्टाजिडाइम र सेफिपिमिका विरुद्ध प्रतिरोध देखाए तर इमिपेनेमका विरुद्ध भने करिब २३ % (५/२२) मात्र प्रतिरोध देखाए । बहुसंयुक्त पोलिमरेज शृंखला प्रतिक्रियाबाट प्राप्त नतिजा अनुसार कुल ८० वटा ESBL E. coli मध्ये करिब ९० % (७२/८०) मा bla CTX M-1‚ करिब ४० % (३२/८०) मा bla TEM र १५ % (१२/८०) मा bla SHV आनुवनंशिक तत्त्व देखियो । नदीको पानीको एउटा नमुनामा bla CTX M-9 आनुवनंशिक तत्त्व भेटियो तर मानवमूत्रमा bla SHV आनुवनंशिक तत्त्व भेटिएन । नमुना ;ª\sng गरिएका स्रोतहरु (पानीका स्रोत, मानवमूत्र र कुखुराको सुली) का आधारमा ESBL E. coli बिचको सहसम्बन्ध गुणांक विश्लेषण गर्दा मानवमूत्र र पानी (r=0.3), पानी र कुखुराको सुली (r=0.3), र मानवमूत्र र कुखुराको सुली (r = 0.13) मा कमदेखि मध्यमस्तरसम्मको सहसम्बन्ध भेटियो । ESBL E. coli को प्रतिजैविक प्रतिरोध प्रतिशतको आधारमा तयार गरिएको समानता मानचित्रमा पानी र मानवमूत्रमा नमुनमा भेटिएका ESBL E. coli मा पानी र कुखुरोको सुलिको नमुनमा भेटिएका ESBL E. coli भन्दा कम दुरी भेटियो । यस अध्ययनको नतिजाले मानिस, पशुपंक्षी र वातावरणका विभिन्न स्रोतहरुमा व्याप्त जीवाणु बिचको सम्भावित अन्तरसम्बन्धलाई उजागर गरेको छ । त्यसर्थ यस अध्ययनले प्रतिजैविक प्रतिरोधी जीवाणु जुनसुकै क्षेत्रबाट मानिसमा सर्न सक्ने सम्भावनालाई औंल्याएको छ । प्रतिजैविक प्रतिरोधी जीवाणुको सङ्क्रमणबाट जोगिनका लागि सर्वप्रथम आमजनमानसमा प्रतिजैविक प्रतिरोध सम्बन्धी जानकारी k'/\ofpg र नतीजा उन्मुख अध्ययन अनुसन्धानलाई प्राथमिकता दिन आवश्यक छ । यसका साथै उचित सर्भिलेन्सको व्यवस्था हुन जरुरी देखिन्छ । यसका लागि एक स्वास्थ्यका प्रमुख घटक अन्तर्गत पर्ने स्वास्थ्य वातावरण‚ स्वास्थ्य मानिस र स्वास्थ्य पशुपंक्षीको अवधारणालाई मूर्त रुप दिन जरुरी देखिन्छ ।