Influence of Seasonality and Pollution on the Presence of Antibiotic Resistance Genes and Potentially Pathogenic Bacteria in a Tropical Urban River

Abstract

Background/Objectives: This study examines how seasonality, pollution, and sample type (water and sediment) influence the presence and distribution of antibiotic resistance genes (ARGs), with a focus on antibiotic resistance genes (ARGs) located on plasmids (the complete set of plasmid-derived sequences, including ARGs) in a tropical urban river. Methods: Samples were collected from three sites along a pollution gradient in the Virilla River, Costa Rica, during three seasonal campaigns (wet 2021, dry 2022, and wet 2022). ARGs in water and sediment were quantified by qPCR, and metagenomic sequencing was applied to analyze chromosomal and plasmid-associated resistance profiles in sediments. Tobit and linear regression models, along with multivariate ordination, were used to assess spatial and seasonal trends. Results: During the wet season of 2021, the abundance of antibiotic resistance genes (ARGs) such as sul-1, intI-1, and tetA in water samples decreased significantly, likely due to dilution, while intI-1 and tetQ increased in sediments, suggesting particle-bound accumulation. In the wet season 2022, intI-1 remained low in water, qnrS increased, and sediments showed significant increases in tetQ, tetA, and qnrS, along with decreases in sul-1 and sul-2. Metagenomic analysis revealed spatial differences in plasmid-associated ARGs, with the highest abundance at the most polluted site (Site 3). Bacterial taxa also showed spatial differences, with greater plasmidome diversity and a higher representation of potential pathogens in the most contaminated site. Conclusions: Seasonality and pollution gradients jointly shape ARG dynamics in this tropical river. Plasmid-mediated resistance responds rapidly to environmental change and is enriched at polluted sites, while sediments serve as long-term reservoirs. These findings support the use of plasmid-based monitoring for antimicrobial resistance surveillance in aquatic systems.

Antecedentes/Objetivos: Este estudio examina cómo la estacionalidad, la contaminación y el tipo de muestra (agua y sedimentos) influyen en la presencia y distribución de genes de resistencia a antibióticos (ARGs), centrándose en los genes de resistencia a antibióticos (ARGs) localizados en plásmidos (el conjunto completo de secuencias derivadas de plásmidos, incluyendo ARGs) en un río urbano tropical. Métodos: Se recolectaron muestras de tres sitios a lo largo de un gradiente de contaminación en el río Virilla, Costa Rica, durante tres campañas estacionales (húmedo 2021, seco 2022 y húmedo 2022). Los ARGs en agua y sedimentos fueron cuantificados por qPCR, y se aplicó secuenciación metagenómica para analizar perfiles de resistencia cromosómica y asociada a plásmidos en sedimentos. Se utilizaron modelos Tobit y de regresión lineal, junto con una ordenación multivariante, para evaluar las tendencias espaciales y estacionales. Resultados: Durante la estación húmeda de 2021, la abundancia de genes de resistencia a los antibióticos (ARG) como sul-1, intI-1 y tetA en las muestras de agua disminuyó significativamente, probablemente debido a la dilución, mientras que intI-1 y tetQ aumentaron en los sedimentos, lo que sugiere una acumulación ligada a partículas. En la estación húmeda de 2022, intI-1 permaneció bajo en el agua, qnrS aumentó, y los sedimentos mostraron aumentos significativos en tetQ, tetA y qnrS, junto con disminuciones en sul-1 y sul-2. El análisis metagenómico reveló diferencias espaciales en los ARG asociados a plásmidos, con la mayor abundancia en el lugar más contaminado (lugar 3). Los taxones bacterianos también mostraron diferencias espaciales, con una mayor diversidad de plasmidomas y una mayor representación de patógenos potenciales en el lugar más contaminado. Conclusiones: La estacionalidad y los gradientes de contaminación configuran conjuntamente la dinámica del ARG en este río tropical. La resistencia mediada por plásmidos responde rápidamente a los cambios ambientales y se enriquece en los lugares contaminados, mientras que los sedimentos sirven de reservorios a largo plazo. Estos resultados apoyan el uso de la monitorización basada en plásmidos para la vigilancia de la resistencia a los antimicrobianos en los sistemas acuáticos.