Geographical perspective on antibiotic resistance in a metropolitan sewershed

Abstract

Antibiotic resistance is a serious global health threat, driven by the inadequate and excessive use of antibiotics. Environmental compartments, particularly wastewater, occupy a pivotal role in the spread of antibiotic-resistant bacteria. Wastewater treatment plants reduce the bacterial load significantly but cannot remove everything.<br /> Reducing the input of antibiotics and antibiotic-resistant bacteria into wastewater at the source, this doctoral thesis focused on the sewershed of a wastewater treatment plant and the role of the general population. The goal was to investigate socio-spatial hotspots of antibiotic use in the community and antibiotic-resistant bacteria in untreated municipal wastewater. Three working packages formed the core of this work: a systematic literature review on the determinants of antibiotic use, a cross-sectional household survey in the general population and culture-based laboratory analyses of untreated municipal wastewater in three socio-spatially different urban areas within a metropolitan sewershed.<br /> Findings from the systematic literature review emphasise the importance of considering both individual- and space-related factors as determinants of antibiotic use in the community. Compositional variables, i.e. the characteristics of individuals living in a specific area, predominated, but potential area effects of contextual (i.e. opportunity structures in the local environment) and collective (i.e. socio-cultural and historical features) factors also showed some influence.<br /> The cross-sectional household survey revealed small-scale area differences in antibiotic use, and related knowledge, attitudes and practices between communities. Study participants in the socio-spatially disadvantaged area were less knowledgeable, reported more often attitudes contrary to common recommendations and displayed more often antibiotic use and potential mishandling practices.<br /> Untreated municipal wastewater from the three areas was tested for the occurrence of extended-spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing <em>Escherichia coli</em> (<em>E. coli</em>). This work demonstrated that the general community is an essential source of phenotypic ESBL-producing <em>E. coli</em> in wastewater and revealed spatial variations. ESBL-producing <em>E. coli</em> counts and proportions of multidrug-resistant isolates were higher in the socio-spatially disadvantaged area.<br /> Integrating the results, self-reported antibiotic use and the counts of phenotypic ESBL-producing <em>E. coli</em> were higher in the socio-spatially disadvantaged area pointing towards a possible spatial association. This doctoral thesis highlights the importance of considering higher spatial resolutions and the local spatial context and thereby demonstrates the benefit of applying a geographical perspective by explicitly considering the spatial dimension of antibiotic resistance.

Antibiotikaresistenzen sind eine schwerwiegende Gesundheitsbedrohung, verursacht durch unsachgemäßen und exzessiven Antibiotikaeinsatz als einer der treibenden Hauptfaktoren. Umweltkompartimente, insbesondere Abwasser, spielen eine wichtige Rolle bei der Verbreitung von antibiotikaresistenten Bakterien. Konventionelle Kläranlagen können die bakterielle Fracht erheblich reduzieren, aber nicht restlos entfernen.<br /> Diese Dissertation fokussiert sich auf das Abwassereinzugsgebiet einer Kläranlage und die Rolle der allgemeinen Bevölkerung. Das Hauptziel der Arbeit war die Analyse möglicher sozialräumlicher Hotspots von Antibiotikanutzung in der allgemeinen Bevölkerung und von antibiotikaresistenten Bakterien im Abwasser. Dazu wurden drei Arbeitspakete konzipiert: eine systematische Literaturanalyse zu den Determinanten von Antibiotikanutzung, eine Querschnittserhebung in der allgemeinen Bevölkerung und kulturbasierte Laboranalysen von unbehandeltem kommunalen Abwasser in drei sozialräumlich unterschiedlichen Stadtgebieten innerhalb eines großstädtischen Abwassereinzugsgebiets.<br /> Die Ergebnisse der systematischen Literaturanalyse unterstreichen die Wichtigkeit von individuellen als auch raumbezogenen Determinanten von Antibiotikanutzung in der allgemeinen Bevölkerung. Während kompositorische Variablen, d. h. Merkmale der in einem Gebiet lebenden Personen, überwogen, wurden potenzielle räumliche Auswirkungen kontextueller (d. h. Gelegenheitsstrukturen im lokalen Umfeld) und kollektiver (d. h. soziokulturelle und historische Merkmale) Faktoren auf Antibiotikanutzung identifiziert.<br /> Der Antibiotikaverbrauch und das damit verbundene Wissen sowie die Einstellungen und Praktiken variierten zwischen den drei Stadtgebieten. Studienteilnehmende aus dem sozialräumlich benachteiligten Gebiet waren weniger gut informiert, berichteten häufiger über Einstellungen, die im Widerspruch zu gängigen Empfehlungen stehen, und von möglichen Fehlhandhabungen als auch einen höheren Antibiotikaverbrauch.<br /> Unbehandeltes kommunales Abwasser aus den drei Gebieten wurde auf Beta-Laktamasen mit erweitertem Spektrum (ESBL)-produzierende <em>Escherichia coli</em> (<em>E. coli</em>) untersucht. Diese Arbeit zeigte, dass die allgemeine Bevölkerung eine wichtige Quelle von ESBL-produzierenden <em>E. coli</em> im Abwasser ist. Räumliche Variationen wurden ebenfalls beobachtet. Die Anzahl von ESBL-produzierenden <em>E. coli</em> und der Anteil von multiresistenten Isolaten waren höher im sozialräumlich benachteiligten Gebiet.<br /> Eine Integration der Ergebnisse zeigt, dass der Antibiotikaverbrauch und die Anzahl von ESBL-produzierenden <em>E. coli</em> jeweils höher im sozialräumlich benachteiligten Gebiet waren, was auf einen möglichen räumlichen Zusammenhang hindeutet. Die Dissertation unterstreicht somit die Bedeutung einer hohen räumlichen Auflösung und des lokalen räumlichen Kontexts und demonstriert den Mehrwert einer geographischen Perspektive durch die explizite Berücksichtigung der räumlichen Dimension von Antibiotikaresistenz.