Impact of tetracyclines on microbial communities in agricultural soils

Abstract

Around 30-80% of the antibiotics used in veterinary medicine and in livestock production are excreted in urine and feces, accumulating in manure and slurry, finally passing to the natural environment when spread on soils. Agriculture and livestock production are of great importance in Galicia, but there are no detailed scientific studies on the impact that the use of veterinary antibiotics can have on soil microorganisms. The overall objective of the doctoral Thesis project is to study the presence of 4 veterinary antibiotics (tetracycline, oxitetracycline, chlorotetracycline and sulfodiazine), on soil microorganisms in areas that receive poultry manure (A Limia, Ourense), cattle slurry and pig slurry ( both in Sarria, Lugo). This way, areas of high risk of contamination by antibiotics will be identified. Then, measures to reduce antibiotics concentration in soil could be evaluated, aiding to prevent passage into the food chain and waterbodies. Moreover, the effect of these compounds accumulation in soils over soil microorganisms will be studied. The antibiotics toxicity on soil bacterial communities will be assessed due to its high sensitivity to soil pollution. Also, changes in microbial community structure and functions will be evaluated together with soil bacterial community tolerance (resistance) to antibiotics development to study potential risks for public health. In high risk areas it could be appropriate to use biosorbent materials such as mussel shell, wood ash and pine bark (abundant and inexpensive in Galicia) to reduce the risk of transfer antibiotics to the food chain and avoid damages to soil microorganisms.

The doctoral Thesis project aims to study basically 3 aspects related with the accumulation of veterinary antibiotics in Galicia soils: 1) Potential toxicity of antibiotics for soil microbial communities: it will be performed through the evaluation of antibiotics toxicity on soil bacterial communities; the study of microbial community changes (diversity); and assessment of functional changes is soils polluted with antibiotics. 2) Resistance development to antibiotics: it will be performed via the study of bacterial community tolerance to antibiotics increases in soils polluted with antibiotics and in soils polluted with antibiotics and soils polluted with heavy metals (Co-Tolerance). 3) Use of bioadsorbents for minimizes the negative effects of antibiotics accumulation in soils: it will be performed by vulnerable soil amendment with different doses of pine bark, crushed mussel shell and biomass ash.

O 30-80% dos antibióticos empregados en gandería son excretados pola ouriña e feces, acumulándose nos estercos e xurros, que ao ser aplicados ao solo pasan o medio natural. Galicia posúe unha importante actividade agrícola e gandeira, pero non existen estudos científicos en detalle sobre o impacto que o uso dos antibióticos de uso veterinario poden causar sobre os microorganismos do solo. O obxectivo xeral do proxecto de tese doutoral é estudar o impacto de catro antibióticos (Tetraciclina, Oxitetraciclina, Clorotetraciclina e Sulfodiazina) sobre os microorganismos do solo en áreas que reciben residuos de granxas de polos (A Limia, Ourense), xurros de vacún e xurros de porco (ambos en Sarria, Lugo). Estudarase a toxicidade dos antibióticos sobre as comunidades bacterianas do solo por ser un grupo moi sensible á contaminación; os cambios na estrutura e funcións dos microorganismos do solo; e por último o posible desenvolvemento de tolerancias (resistencia) das bacterias do solo aos antibióticos para estudiar se existen riscos para seguridade alimentaria e a saúde pública. Nas zonas de especial risco de danos por acumulación de antibióticos no solo proponse utilizar materias bioadsorbentes (abundantes en Galicia e de baixo custe) tales como cuncha de mexillón, cinza de biomasa e cortiza de piñeiro, para reducir o risco de danos sobre os microorganismos do solo. No proxecto de tese que se propón estudaranse fundamentalmente 3 aspectos relacionados coa acumulación de antibióticos de uso veterinario nos solos galegos: 1) Danos que os antibióticos poden causar sobre os microorganismos do solo: realizarase mediante a avaliación da toxicidade dos antibióticos sobre as comunidades bacterianas; o estudio de cambios na estrutura das comunidades microbianas (diversidade); e a avaliación de cambios funcionais das comunidades microbianas do solo en solos contaminados con antibióticos. 2) Desenvolvemento de resistencia a antibióticos: realizarase mediante o estudo do incremento da tolerancia das comunidades bacterianas do solo a antibióticos en solos contaminados con antibióticos e en solos contaminados con metais pesados (Co-tolerancia). 3) Uso de bio-adsorbentes para minimizar os efectos negativos da acumulación de antibióticos no solo: realizarase mediante a emenda de solos vulnerábeis con distintas doses de cortiza de piñeiro, cuncha de mexillón triturada e cinza de biomasa.

El 30-80% de los antibióticos empleados en ganadería son excretados por orina y heces, acumulándose en estiércoles y purines, que al ser aplicados al suelo pasan al medio natural. Galicia posee una actividad agrícola y ganadera importante, pero no existen estudios científicos en detalle sobre el impacto que el uso de los antibióticos de uso veterinario pueden causar sobre los microorganismos del suelo. El objetivo general del proyecto de tesis doctoral es estudiar la presencia de cuatro antibióticos (Tetraciclina, Oxitetraciclina, Clorotetraciclina y Sulfodiazina) sobre los microorganismos del suelo en áreas que reciben residuos de granjas de pollos (A Limia, Ourense), purines de vacuno y purines de cerdo (ambos en Sarria, Lugo). Se evaluará la toxicidad de los antibióticos sobre las comunidades bacterianas del suelo por ser un grupo muy sensible a la contaminación; los cambios en la estructura y funciones de los microrganismos del suelo; y por último el posible desarrollo de tolerancias (resistencia) de las bacterias del suelo a los antibióticos para estudiar si existen riesgos para la salud pública. En las zonas de especial riesgo de daños por acumulación de antibióticos en el suelo se propone utilizar materiales bioadsorbentes (abundantes en Galicia y de bajo coste) tales como concha de mejillón, ceniza de biomasa y corteza de pino, para reducir el riesgo de transferencia a la cadena alimentaria y los daños sobre los microorganismos del suelo.

En el proyecto de tesis que se propone se estudiará fundamentalmente 3 aspectos relacionados con la acumulación de antibióticos de uso veterinario en los suelos gallegos: 1) Daños que los antibióticos pueden causar sobre los microorganismos del suelo: se realizará mediante la evaluación de la toxicidad de los antibióticos sobre las comunidades bacterianas; el estudio de cambios en la estructura de las comunidades microbianas (diversidad); y la evaluación de cambios funcionales de las comunidades microbianas del suelo en suelos contaminados con antibióticos. 2) Desarrollo de resistencia a antibióticos: se realizará mediante el estudio del incremento de la tolerancia de las comunidades bacterianas del suelo a antibióticos en suelos contaminados con antibióticos y en suelos contaminados con metales pesados (Co-tolerancia). 3) Uso de bio-adsorbentes para minimizar los efectos negativos de la acumulación de antibióticos en el suelo: se realizará mediante a enmienda de suelos vulnerables con distintas dosis de corteza de pino, concha de mejillón triturada y ceniza de biomasa.