Whole genome sequencing of ESBL-producing bacterial isolates from Norwegian aquatic environmental samples

Abstract

Beta-lactams are among the most used antibiotics in Norway and have several associated resistance mechanisms. Among the most concerning is the production of extended-spectrum beta-lactamases (ESBLs) and carbapenemases. Antibiotic resistance is intricate, complexed by evolution and dissemination of resistance genes and mechanisms. Research prospects include studying antibiotics and how they work (modes of actions) and studying bacteria´s ability to fight back (resistance mechanisms). Surveillance gives insight into resistance mechanisms, bacteria that harbour them and their dissemination. While Norwegian surveillance provides insight into ESBL prevalence in clinical settings and agriculture, environmental studies are not as vast. The aim here was to investigate ESBL-containing and carbapenem-resistant strains from Norwegian aquatic environmental samples, applying micro- and molecular biological methods including selective screening, 16S rRNA Sanger sequencing, MIC tests and multiplex PCR. ESBL, carbapenem and other resistance genes were characterized utilizing Illumina and Nanopore whole genome sequencing. Complete hybrid assemblies were obtained for isolates KA0, KA5 and KB3 which were characterized as non-identical but very similar Rahnella variigena strains (100%) and Herbasprillium huttiense (82%), respectively. Nanopore assemblies were obtained for isolates KA4, KA7 and KB8 which were characterized as R. variigena (100%), Pseudomonas laurentiana (100%) and Herbsapirillum aquaticum (70%), respectively. Class A beta-lactamase genes were found in all isolates except Pseudomonas isolate KA7. blaRAHN was plasmid harboured in all Rahnella isolates, which may be further environmentally disseminated. This study indicated that ESBL-encoding genes are prevalent in the Norwegian aquatic environment and pose the risk of spreading.

B-laktamer er blant de mest brukte antibiotikaene i Norge og har flere tilknyttede resistensmekanismer. Blant de mest bekymringsfulle er produksjonen av utvidet spektrum Elaktamaser (ESBLS) og karbapenemaser. Antibiotika resistens er innviklet og blir mer komplisert ved evolusjon og spredning av resistensgener og mekanismer. Forskningsmuligheter inkluderer studier av antibiotika og hvordan de virker (modus for handlinger), i tillegg til bakteriens evne til å bekjempe de (resistensmekanismer). Overvåkning gir innsikt i resistensmekanismer, bakterier som bærer dem og hvordan de sprer seg. Norsk overvåkning gir innsikt i ESBL-prevalens klinisk og i landbruk, men der er færre miljøtestudier. Målet her var å undersøke ESBL-inneholdende og karbapenemresistente stammer fra norske akvatiske miljøprøver ved bruk av mikro- og molekylærbiologiske metoder inkludert selektiv screening, 16S rRNA Sanger-sekvensering, MIC prøver og Multiplex PCR. ESBL, karbapenem og andre resistensgener ble karakterisert ved å benytte Illumina og Nanopore helgenomsekvensering. Komplett hybrid assemblies ble oppnådd for isolater KA0, KA5 og KB3 som ble karakterisert som to ikke-identiske men svært liknende Rahnella variigena stammer (100%) og Herbasprillium huttiense (82%), respektivt. Nanopore-assemblies ble oppnådd for isolater KA4, KA7 og KB8 som ble karakterisert som R. Variigena (100%), Pseudomonas Laurentiana (100%) og Herbasprillium aquaticum (70%), respektivt. Klasse A E-laktamasegener ble funnet i alle isolater unntatt Pseudomonas isolat KA7. blaRAHN var plasmid lokalisert i alle Rahnella isolater, som kan være ytterligere spredd i miljøet. Denne studie viser at ESBL-kodingsgener er utbredt i det norske akvatiske miljøet og kan spre seg.