کشف اثر انگشت میکروبی در لوله‌کشی خانه‌ها توسط دانشمندان

تحقیقات درباره میکروبیوم‌های آب در خانه‌ها

سیستم‌های لوله‌کشی در خانه‌ها می‌توانند مملو از زندگی میکروبی عموماً بی‌ضرر باشند، اما دانشمندان هنوز فرصت کاملی برای مستند کردن جوامع باکتریایی در خانه‌های مردم نداشته‌اند. قانون آب شرب ایالات متحده نظارت بر آب‌های عمومی را الزامی می‌کند، اما نمونه‌برداری‌ها معمولاً در خارج از مرزهای ملک‌های فردی انجام می‌شود. به محض ورود به یک خانه، جوامع میکروبی می‌توانند تغییر کرده و به شیوه‌هایی تکامل یابند که عموماً تحت نظارت یا حتی درک قرار ندارند.

فانگیونگ لین، استادیار مهندسی انرژی، محیط زیست و شیمی در دانشکده مهندسی مک‌کلووی دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، در حال تلاش برای تغییر این وضعیت است، به همراه همکاران و دانشجویانش در گروه پژوهشگران کیفیت آب این دانشکده. در مقاله‌ای که در تاریخ ۱۰ دسامبر در نشریه Nature Water منتشر شد، لین و همکارانش نتایج نمونه‌برداری از شیرهای آب حمام هشت خانه در منطقه مترو سنت لوئیس را به اشتراک گذاشتند. آن‌ها به مدت هفت روز از خانه‌ها نمونه‌برداری کردند تا جریان و تغییرات جمعیت‌های مختلف باکتری‌ها را بررسی کنند.

آن‌ها دریافتند که اگرچه خانه‌ها به طور کلی دسته‌های اصلی باکتری را به اشتراک می‌گذارند، اما در سطح گونه‌ها، تفاوت‌های زیادی بین خانه‌ها وجود دارد. لین گفت: “خانه‌ها امضای منحصر به فرد خود را نسبت به بقیه دارند.” تمام آب‌های عمومی تحت درمان و ضدعفونی‌های سختگیرانه قرار می‌گیرند، بنابراین تعداد سلول‌های میکروبی که آن‌ها شناسایی کردند، بسیار کم بود که این خود چالشی برای نظارت است. اما بازماندگان میکروبی که آن‌ها پیدا کردند، مقاوم هستند.

محققان انتظار داشتند که ژن‌های مقاومت به آنتی‌بیوتیک‌ها را در میکروبیوم‌های آب شیر ببینند و واقعاً این الگو را پیدا کردند. استفاده از همان ضدعفونی‌کننده‌های رایج به این معنی است که یک گروه قابل شناسایی از میکروب‌ها می‌تواند به طور بالقوه مقاومت به آن ضدعفونی‌کننده را کسب کند. محققان الگوی این “مقاومت‌نامه” را در بین خانه‌ها یافتند. اما چه چیزی باعث این تنوع گسترده در گونه‌ها می‌شود؟ مدل‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهد که میکروب‌ها در ابتدا جوامع خود را از طریق فرآیندهای قطعی و تصادفی ایجاد می‌کنند، به این معنا که رویدادهای تصادفی می‌توانند دلیل تنوع زیاد در سطح گونه‌ها از خانه‌ای به خانه دیگر باشند.

برای آب خانگی، این فرآیندها می‌توانند شامل زمان‌بندی تصادفی ورود میکروب‌ها به خانه، دینامیک رشد آن‌ها و مجموعه‌ای از عواملی باشند که هنوز به خوبی درک نشده‌اند. هدف این تحقیق این است که بتواند شیوع پاتوژن‌های فرصت‌طلب و باکتری‌هایی که بیماری را گسترش می‌دهند، را نظارت، پیش‌بینی و جلوگیری کند. این نوع نظارت برای ساختمان‌های بزرگ و نهادهایی مانند بیمارستان‌ها در حال توسعه است، اما برای خانه‌های فردی نادر است. لین گفت: “خانه‌ها هنوز جایی هستند که اکثر تعاملات ما با آب در آنجا انجام می‌شود، بنابراین ما می‌خواهیم خانه‌ها را مطالعه کنیم.”

تحقیقات درباره میکروب‌ها و کیفیت آب خانگی

در حالی که محققان باکتری‌ها یا پاتوژن‌های بیماری‌زا را (در مقادیر کم) در خانه‌ها شناسایی کرده‌اند، این به معنای ناامن بودن آب خانگی نیست. اما به گفته او، ناظران بهداشت عمومی باید نظارت بیشتری داشته باشند. لین ژانگ، دانشجوی دکتری لینگ و نویسنده اصلی مقاله‌ای در نشریه Nature Water، روشی برای جمع‌آوری نمونه‌ها از طریق جلب همکاری دانش‌آموزان دبیرستانی به عنوان “دانشمندان جامعه” ایجاد کرده است. این دانش‌آموزان نمونه‌هایی از حدود ۱۰۰ خانه در منطقه مترو سنت لوئیس جمع‌آوری کردند که داده‌های آن را ژانگ برای پروژه نهایی دکتری‌اش تحلیل می‌کند.

اگرچه باکتری‌های مرتبط با لوله‌کشی معمولاً بی‌ضرر هستند، اما ژن‌های مقاومتی که حمل می‌کنند می‌توانند به پاتوژن‌ها منتقل شوند، به ویژه زمانی که افراد تحت درمان آنتی‌بیوتیکی قرار دارند. از آنجا که مردم به طور مکرر از طریق فعالیت‌هایی مانند دوش گرفتن و استفاده از آب با این باکتری‌ها در تماس هستند، انگیزه قوی برای درک بهتر میکروبیوم و مقاوموم در سیستم‌های لوله‌کشی وجود دارد و همچنین اینکه چگونه این‌ها با انسان‌ها تعامل دارند.

در این میان، ژانگ از اینکه می‌تواند تحقیقاتی انجام دهد که می‌تواند به نفع محلی باشد و با دانش‌آموزان کار کند، خوشحال است. او گفت: “دوست دارم که توانستیم به دانش‌آموزان دبیرستانی نگاهی به تحقیقات واقعی و روش علمی بدهیم. امیدوارم این موضوع آن‌ها را به دنبال کردن آینده‌ای در مهندسی محیط زیست ترغیب کند.”

تعویض لوله‌ها

این پاییز، آژانس حفاظت از محیط زیست قانونی را وضع کرد که بر اساس آن، تمامی شهرداری‌هایی که آب تأمین می‌کنند، موظف به تعویض لوله‌های سربی در دهه آینده خواهند بود. با تغییرات در زیرساخت‌ها، ممکن است فرصت‌هایی برای بهبود نظارت فراتر از فلزات و اجرای تدابیر کاهش میکروپلاستیک‌ها و میکروبیوم‌ها نیز فراهم شود. این همه “در دسترس” است برای دن جیامار، استاد مهندسی محیط زیست، که رهبری چندین پروژه برای نظارت و بهبود منابع آب شرب در سال‌های آینده را بر عهده دارد.

جیامار گفت: “جنبه‌های کیفیت آب شرب که می‌تواند بین تصفیه‌خانه و شیر آب مشتری تغییر کند، به طرز ناامیدکننده‌ای دشوار برای نظارت بوده است. این کار نوآورانه بینش‌های جدیدی درباره چگونگی رشد میکروب‌ها و اینکه چه میکروب‌هایی در لوله‌کشی‌های داخلی وجود دارند، ارائه می‌دهد.”

با ادامه تحقیقات لینگ و ژانگ در زمینه بهبود آزمایش‌های لوله‌کشی خانگی، احتمالاً سوالات بیشتری مطرح خواهد شد، زیرا وقتی صحبت از زندگی میکروبی می‌شود، هیچ چیز به آن سادگی که به نظر می‌رسد نیست. لینگ گفت: “هر چه خانه‌های بیشتری را نمونه‌برداری کنیم، تنوع بیشتری را مشاهده می‌کنیم.”

این کار با حمایت از صندوق راه‌اندازی مدرسه مهندسی مک‌کلووی و جایزه تقویت اعضای جوان هیئت علمی رالف ای. پاوه از دانشگاه‌های وابسته به اوک ریج انجام شده است. این تحقیق همچنین به‌طور جزئی توسط بخش مهندسی شیمی، بیوتکنولوژی، محیط زیست و سیستم‌های حمل و نقل (CBET) بنیاد ملی علوم تحت جایزه ۲۰۴۷۴۷۰ به F.L. حمایت شده است.