Predicting Antibiotic Resistance and Assessing the Risk Burden from Antibiotics: A Holistic Modeling Framework in a Tropical Reservoir

磺胺甲恶唑 甲氧苄啶 抗生素 抗生素耐药性 抗菌剂 大肠杆菌 生物 环境科学 微生物学 生物化学 基因
作者
Xuneng Tong,Shin Giek Goh,Sanjeeb Mohapatra,Ngọc Hân Trần,Luhua You,Jingjie Zhang,Yiliang He,Karina Yew‐Hoong Gin
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (15): 6781-6792 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c10467
摘要

Predicting the hotspots of antimicrobial resistance (AMR) in aquatics is crucial for managing associated risks. We developed an integrated modeling framework toward predicting the spatiotemporal abundance of antibiotics, indicator bacteria, and their corresponding antibiotic-resistant bacteria (ARB), as well as assessing the potential AMR risks to the aquatic ecosystem in a tropical reservoir. Our focus was on two antibiotics, sulfamethoxazole (SMX) and trimethoprim (TMP), and on Escherichia coli (E. coli) and its variant resistant to sulfamethoxazole-trimethoprim (EC_SXT). We validated the predictive model using withheld data, with all Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) values above 0.79, absolute relative difference (ARD) less than 25%, and coefficient of determination (R2) greater than 0.800 for the modeled targets. Predictions indicated concentrations of 1–15 ng/L for SMX, 0.5–5 ng/L for TMP, and 0 to 5 (log10 MPN/100 mL) for E. coli and −1.1 to 3.5 (log10 CFU/100 mL) for EC_SXT. Risk assessment suggested that the predicted TMP could pose a higher risk of AMR development than SMX, but SMX could possess a higher ecological risk. The study lays down a hybrid modeling framework for integrating a statistic model with a process-based model to predict AMR in a holistic manner, thus facilitating the development of a better risk management framework.

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