Ecological approach to evaluate the effects of antibiotic and heavy metal contamination on ecosystems
Author(s)
Narciso, Alessandra
Date Issued
June 5, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Soil contamination (e.g. heavy metals) has been recognized by the EU Soil Strategy as one of the main threats to soil quality. Moreover, since 2004 the Wildlife Conservation Society has defined the “One Health concept” recognizing that the ecosystem, human and animal health are inextricably linked. This approach has been adopted by the World Health Organization for facing the antimicrobial resistance issue (AMR): resistant organisms can spread quickly through health-care facilities, animals, food and the environment (soil and water), making the treatment of certain infections in people and animals more challenging, and increasing the risk of disease spread, severe illness and death.
The assessment of contaminant effects in agroecosystems have to consider the ubiquitous presence of biocide molecules such as antibiotics and heavy metals introduced through agricultural practices, such as the use of organic amendments (e.g. cattle manure) and antifungal products (e.g. copper-based ones). Both copper (Cu) and antibiotics (ABs) are known to show toxic effects on microorganisms, however it depends on their environmental concentration. Currently, scientific knowledge on the combined effects of Cu and ABs is still limited and, in particular, the issue is based on their potential influence on antimicrobial resistance spread. This complex environmental problem can be addressed through an ecological approach, assessing the effects at different biological levels of complexity (e.g. population, community and ecosystem). In this context, the overall purpose of this thesis was to evaluate single and combined effects of antibiotic and heavy metal contamination on a test organism (e.g. A. fischeri), a natural soil microbial community and non-target organism, such as lettuce (Lactuca sativa).
The results obtained in this thesis work were discussed and elaborated through the following scientific production.
The first work (published in the scientific journal Antibiotics doi:10.3390/antibiotics12091471) is a review paper on antibiotic direct and indirect effects on non-target terrestrial organisms, considering potential ecotoxicological effects and possible impacts on associated microbiomes.
The second work (published in the scientific journal Microbiology Ecology doi:10.1093/femsec/fiad125) aimed to evaluate the additive, synergistic and antagonistic effects of mixtures of three antibiotics (sulfamethoxazole, ciprofloxacin and chlortetracycline) and copper on the Aliivibrio fischeri bacterium.
The third work (published in the scientific journal Applied Microbiology and Biotechnology doi:10.1007/s00253-024-13324-x) which evaluated the effects of sulfamethoxazole and copper on a natural microbial community in a soil amended with cattle manure or digestate and on which L. sativa
was grown. The effects were measured in terms of the spread of genes for antibiotic resistance, shifts in natural microbial community structure and plant growth.
The results of the PhD thesis made it possible to determine a scale of toxicity of the various contaminants tested (EC50 copper < EC50 chlortetracycline < EC50 ciprofloxacin < EC50 sulfamethoxazole) and synergistic effects resulting from the interaction between ciprofloxacin and copper even at ambient concentrations. Instead, antagonistic effects were evidenced in the mixture of chlortetracycline and copper and in the mixture of the three antibiotics.
Microcosm experiments proved that manure (and, to a lesser extent, digestate) introduced in soil resistance genes or mobile genetic elements known as antibiotic resistance indicators (e.g. sul1, intI1). However, over time as the lettuce rhizosphere develops, antibiotic resistance tends to decrease in the associated microbiome. Interestingly, copper co-presence contributed to toxicity on microorganisms and displayed a long-term effect in the maintenance of certain resistance genes (co-selection phenomenon).
La contaminazione del suolo (per esempio da metalli pesanti) è stata riconosciuta dalla EU Soil Strategy come una delle principali minacce alla qualità del suolo. Inoltre, dal 2004 la Wildlife Conservation Society ha definito il concetto di “One Health” che considera la salute degli ecosistemi, umana e animale indissolubilmente legate. Quest’ultimo approccio è stato adottato dalla World Health Organization per affrontare il problema della resistenza agli antibiotici. A tal riguardo, è stato evidenziato che microorganismi resistenti si possono diffondere velocemente non solo nelle strutture sanitarie, ma anche tra gli animali trattati, il cibo e l’ambiente (terrestre e acquatico) rendendo inefficace il trattamento di molte infezioni e aumentando il rischio di diffusione di malattie mortali.
La valutazione degli effetti dei contaminanti negli agroecosistemi deve tenere conto della presenza ubiquitaria di molecole biocide come gli antibiotici e i metalli pesanti introdotti attraverso l’utilizzo di ammendanti organici (es. letame bovino) e prodotti antifungini (es quelli a base di rame). Sia il rame (Cu) che gli antibiotici (ABs) sono noti per i loro effetti tossici sui microorganismi, che possono variare in base alla loro concentrazione ambientale. Le conoscenze sugli effetti combinati di Cu e ABs sono ancora poche note e ci si chiede se possano interferire anche con la diffusione di resistenza antimicrobica. Questo complesso problema ambientale può essere affrontato attraverso un approccio ecologico, valutando gli effetti a differenti livelli biologici di complessità (es. popolazione, comunità ed ecosistema). In questo contesto, lo scopo generale della seguente tesi è stato valutare gli effetti singoli e combinati della contaminazione da antibiotici e metalli pesanti su un organismo modello (Aliivibrio fischeri) in test ecotossicologici standardizzati ed in una comunità microbica naturale ed un organismo non bersaglio, Lactuca sativa, utilizzando microcosmi di suolo.
I risultati ottenuti in questo lavoro di tesi sono stati discussi ed elaborati attraverso una produzione scientifica quale:
- un paper (pubblicato sulla rivista Antibiotics doi:10.3390/antibiotics12091471) riguardante una review sugli effetti diretti e indiretti degli antibiotici sugli organismi terrestri non bersaglio, considerando i potenziali effetti ecotossicologici e i potenziali impatti sui loro microbiomi associati:
-un secondo paper (pubblicato sulla rivista FEMS Microbiology Ecology doi:10.1093/femsec/fiad125) che ha avuto l’obiettivo di valutare gli effetti additivi, sinergici e antagonistici di miscele di tre antibiotici (sulfametossazolo, ciprofloxacina e clorotetraciclina) e rame, sul batterio Aliivibrio fischeri.
- un terzo paper (pubblicato sulla rivista Applied Microbiology and Biotechnology doi:10.1007/s00253-024-13324-x) che ha valutato gli effetti del sulfametossazolo e del rame su una comunità microbica naturale di un suolo ammendato con letame bovino o digestato e sui è stata fatta
crescere L. sativa. Gli effetti sono stati misurati in termini di diffusione di geni per l’antibiotico-resistenza, shift nella struttura della comunità microbica naturale e crescita delle piante.
I risultati della tesi di dottorato hanno permesso di determinare una scala di tossicità tra i vari contaminanti testati (EC50 rame < EC50 clorotetraciclina < EC50 ciprofloxacina < EC50 sulfametossazolo) ed effetti sinergici derivanti dall’interazione tra ciprofloxacina e rame anche a concentrazioni ambientali. Al contrario, effetti antagonistici sono stati evidenziati nella miscela di clorotetraciclina e rame.
Gli esperimenti in microcosmi hanno evidenziato che il letame (ed in misura minore il digestato) introducono nel suolo geni di resistenza o elementi genetici mobili noti come indicatori di antibiotico-resistenza (es. sul1, intI1). Tuttavia, nel tempo con lo sviluppo della rizosfera della lattuga l’antibiotico-resistenza tende a diminuire nel microbioma associato. Di particolare rilievo il fatto che la co-presenza del rame contribuisce alla tossicità sui microrganismi ed ha un effetto a lungo termine nel mantenimento di alcuni geni di resistenza (co-selezione).
Additional information
Dottorato di ricerca in Ecologia e Gestione Sostenibile delle Risorse Ambientali
Tesi di dottorato. 37. ciclo
Tesi di dottorato. 37. ciclo
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