Antibiotic resistant e.coli inactivation via sequential UV/PAA disinfection: kinetic modelling, genes removal and control of horizontal gene transfer

The spread of antimicrobial resistance through wastewater treatment plants represents a critical threat to global public health. In this context, sequential disinfection with Ultraviolet (UV) radiation and Peracetic Acid (PAA) constitutes a promising strategy to improve microbial inactivation and mitigate resistance spread. To evaluate the performance of the two disinfection processes, both individually and in sequential configurations, this thesis investigated: (i) the kinetic modelling of the inactivation of an antibiotic-resistant E. coli strain using single (UV, PAA) and sequential treatments (UV-PAA and PAA-UV); (ii) the evaluation of bacterial regrowth potential; (iii) the quantification of the removal of intracellular and extracellular antibiotic resistance genes via qPCR; (iv) the determination of the horizontal gene transfer potential through transformation assays on extracellular DNA and plasmids. Kinetic analysis showed that the PAA-UV sequence exerts a synergistic effect, driven by the intracellular photolysis of PAA, while the UV-PAA sequence remains additive. Regrowth experiments showed that only the UV-PAA sequence guarantees immediate and permanent inactivation. Regarding resistance genes, it was found that cellular shielding protects intracellular genes, while cell lysis causes an increase in extracellular genes; however, the PAA-UV sequence proved superior in the degradation of specific genes. In general, degradation efficiency strongly depends on the gene’s location and the specific nature of the resistance determinant. Finally, it was observed that both sequential treatments completely inhibited the potential for plasmid transformation despite the physical persistence of the gene copies detected by qPCR.

La diffusione dell'antibiotico-resistenza attraverso gli impianti di trattamento delle acque reflue rappresenta una criticità per la salute pubblica. In questo contesto, la disinfezione sequenziale con radiazione ultravioletta (UV) e acido peracetico (PAA) può costituire una strategia promettente per migliorare l'inattivazione microbica e mitigare la dispersione della resistenza. Per valutare le prestazioni dei due disinfettanti, sia singolarmente che in configurazioni sequenziali, questo lavoro di tesi ha previsto: (i) la modellazione cinetica dell'inattivazione di un ceppo di E. coli antibiotico-resistente utilizzando trattamenti singoli (UV, PAA) e sequenziali (UV-PAA e PAA-UV); (ii) la valutazione del potenziale di ricrescita batterica; (iii) la quantificazione della rimozione dei geni di resistenza agli antibiotici, intracellulari ed extracellulari, tramite qPCR; (iv) la determinazione del potenziale di trasferimento genico orizzontale mediante saggi di trasformazione su DNA extracellulare e plasmidi. L’analisi cinetica ha mostrato che la sequenza PAA-UV esercita un effetto sinergico, guidato dalla fotolisi intracellulare del PAA, mentre la sequenza UV-PAA rimane additiva. Gli esperimenti di ricrescita hanno mostrato che solo la sequenza UV-PAA garantisce un’inattivazione permanente. Per quanto riguarda i geni di resistenza, è stato riscontrato che lo shielding cellulare protegge quelli intracellulari, mentre la lisi cellulare causa un aumento di quelli extracellulari; tuttavia, la sequenza PAA-UV si è rivelata superiore nella degradazione di geni specifici. In generale, l'efficienza di degradazione dipende fortemente dalla localizzazione del gene e dalla natura specifica del determinante di resistenza. Infine, è stato osservato che entrambi i trattamenti sequenziali hanno annullato il potenziale di trasformazione plasmidica nonostante la persistenza fisica delle copie geniche rilevate tramite qPCR.