Do antibiotics have environmental side-effects? Impact of synthetic antibiotics on biogeochemical processes

International audienceAntibiotic use in the early 1900 vastly improved human health but at the same time started an arms race of antibiotic resistance. The widespread use of antibiotics has resulted in ubiquitous trace concentrations of many antibiotics in most environments. Little is known about the impact of these antibiotics on microbial processes or “non-target” organisms. This mini-review summarizes our knowledge of the effect of synthetically produced antibiotics on microorganisms involved in biogeochemical cycling. We found only 31 articles that dealt with the effects of antibiotics on such processes in soil, sediment, or freshwater. We compare the processes, antibiotics, concentration range, source, environment, and experimental approach of these studies. Examining the effects of antibiotics on biogeochemical processes should involve environmentally relevant concentrations (instead of therapeutic), chronic exposure (versus acute), and monitoring of the administered antibiotics. Furthermore, the lack of standardized tests hinders generalizations regarding the effects of antibiotics on biogeochemical processes. We investigated the effects of antibiotics on biogeochemical N cycling, specifically nitrification, denitrification, and anammox. We found that environmentally relevant concentrations of fluoroquinolones and sulfonamides could partially inhibit denitrification. So far, the only documented effects of antibiotic inhibitions were at therapeutic doses on anammox activities. The most studied and inhibited was nitrification (25–100 %) mainly at therapeutic doses and rarely environmentally relevant. We recommend that firm conclusions regarding inhibition of antibiotics at environmentally relevant concentrations remain difficult due to the lack of studies testing low concentrations at chronic exposure. There is thus a need to test the effects of these environmental concentrations on biogeochemical processes to further establish the possible effects on ecosystem functionin

Environmental Controls on Nitrogen and Sulfur Cycles in Surficial Aquatic Sediments

Enhanced anthropogenic inputs of nitrogen (N) and sulfur (S) have disturbed their biogeochemical cycling in aquatic and terrestrial ecosystems. The N and S cycles interact with one another through competition for labile forms of organic carbon between nitrate-reducing and sulfate-reducing bacteria. Furthermore, the N and S cycles could interact through nitrate (NO3-) reduction coupled to S oxidation, consuming NO3-, and producing sulfate (SO42-). The research questions of this study were: (1) what are the environmental factors explaining variability in N and S biogeochemical reaction rates in a wide range of surficial aquatic sediments when NO3- and SO42- are present separately or simultaneously, (2) how the N and S cycles could interact through S oxidation coupled to NO3- reduction, and (3) what is the extent of sulfate reduction inhibition by nitrate, and vice versa. The N and S biogeochemical reaction rates were measured on intact surface sediment slices using flow-through reactors. The two terminal electron acceptors NO3- and SO42- were added either separately or simultaneously and NO3- and SO42- reduction rates as well as NO3- reduction linked to S oxidation were determined. We used redundancy analysis, to assess how environmental variables were related to these rates. Our analysis showed that overlying water pH and salinity were two dominant environmental factors that explain 58% of the variance in the N and S biogeochemical reaction rates when NO3- and SO42- were both present. When NO3- and SO42- were added separately, however, sediment N content in addition to pH and salinity accounted for 62% of total variance of the biogeochemical reaction rates. The SO42- addition had little effect on NO3- reduction; neither did the NO3- addition inhibit SO42- reduction. The presence of NO3- led to SO42- production most likely due to the oxidation of sulfur. Our observations suggest that metal-bound S, instead of free sulfide produced by SO42- reduction, was responsible for the S oxidation

Exposure to vancomycin causes a shift in the microbial community structure without affecting nitrate reduction rates in river sediments

International audienceAntibiotics and antibiotic resistance genes have shown to be omnipresent in the environment. In this study, we investigated the effect of vancomycin (VA) on denitrifying bacteria in river sediments of a Waste Water Treatment Plant, receiving both domestic and hospital waste. We exposed these sediments continuously in flow-through reactors to different VA concentrations under denitrifying conditions (nitrate addition and anoxia) in order to determine potential nitrate reduction rates and changes in sedimentary microbial community structures. The presence of VA had no effect on sedimentary nitrate reduction rates at environmental concentrations, whereas a change in bacterial (16S rDNA) and denitrifying (nosZ) community structures was observed (determined by polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis). The bacterial and denitrifying community structure within the sediment changed upon VA exposure indicating a selection of a non-susceptible VA population

Projet Seine-Aval 6 PHARESEE « Productivité microphytobenthique des HAbitats intertidaux en lien avec la dynamique sédimentaire, biogéochimique et les ingénieurs d'écosystème de la faune benthique : implication pour des enjeux de modélisation et de REhabilitation des vasières de la SEine Estuarienne »

L'estuaire de la Seine est soumis à divers stress anthropiques et hydro-climatiques. Cet écosystème côtier perd son caractère estuarien à cause d'aménagements qui ont eu comme conséquence de voir disparaître de vastes surfaces de vasières intertidales. Ces habitats fonctionnels jouent un rôle majeur dans le fonctionnement écologique des estuaires, car ils abritent des communautés méio- et macro-benthiques très diversifiées et représentent la principale zone d’alimentation de nombreux vertébrés dont certains d’intérêt écologique ou commercial majeur (e.g. poissons, oiseaux). La dynamique des vasières intertidales est fortement influencée par les processus hydro-sédimentaires estuariens, étant tantôt source, tantôt puits de sédiment. Elles constituent ainsi un élément essentiel des cycles biogéochimiques se déroulant au sein des estuaires. Les caractéristiques morphologiques et biogéochimiques de ces zones vont directement influencer les échanges de matière et d’énergie qui s’y déroulent. Il est donc impératif d'avoir une approche pluridisciplinaire pour comprendre leur fonctionnement. Le projet PHARE-SEE avait pour objectif (i) de mieux comprendre le rôle des bioturbateurs et leur effet sur le microphytobenthos, les paramètres hydrosédimentaires et biogéochimiques dans les vasières de l’estuaire de Seine et (ii) de développer un modèle de production primaire microphytobenthique couplant l’ensemble des paramètres susmentionnés. Le premier objectif du projet a été réalisé en couplant expériences sur le terrain et en laboratoire. Ainsi, des expériences d’exclusion/ensemencement de faune ont été menées sur la vasière Nord, à l’aval de l’estuaire de Seine, et sur 2 faciès sédimentaires contrastés, avec un suivi de la dynamique saisonnière du microphytobenthos et de l’ensemble des paramètres biogéochimiques et hydrosédimentaires. De plus, des expériences en laboratoire ont été réalisées, avec une évaluation des flux diffusifs de nutriments à 2 saisons contrastées (hiver/été) en fonction du mélange sablo-vaseux et de l’intensité de la bioturbation par la macrofaune benthique dominante de la vasière (le ver Hediste diversicolor et le bivalve Scrobicularia plana). Les expériences de terrain ont montré que l’effet saisonnier était plus prononcé que celui des bioturbateurs sur l’ensemble des paramètres biogéochimiques dans le sédiment (matière organique sédimentaire, processus et biomasse microbiens). Contrairement à la matière organique sédimentaire, principalement d’origine terrigène, la matière organique dissoute présente dans les eaux interstitielles, majoritairement d’origine autochtone, est réactive et influencée par l’activité des bioturbateurs. Ces derniers ont une influence prononcée sur l’érodabilité, avec un rôle biostabilisateur efficace pour Hediste diversicolor en été comme en hiver et un rôle déstabilisateur pour Scrobicularia plana exclusivement en été. Malgré des processus de consommations primaires très élevés et des pertes par érosion, le niveau de production primaire microphytobenthique reste par ailleurs très important sur la vasière. Les analyses réalisées ont également révélé le rôle majeur du microphytobenthos dans le réseau trophique pour H. diversicolor, S. plana et la méiofaune (analyses isotopes stables, collaboration projet SA6 SENTINELLES). Les expériences en mésocosme, complémentaires de celles réalisées sur le terrain, ont montré que l’activité de bioturbation des deux ingénieurs d’écosystème diffère quelle que soit la saison. Ainsi, le processus de transport d’eau et des composés dissous (bioirrigation) domine chez H. diversicolor, alors que l’activité de S. plana est dominée par le remaniement sédimentaire. Les flux biogéochimiques à l’interface eau-sédiment sont principalement influencés par la bioirrigation. Enfin, il a été observé que S. plana consomme très activement les biofilms microphytobenthiques et limite fortement leur capacité de développement, alors que la biomasse microphytobenthique n’est pas affectée par les activités de Hediste. Cela démontre que la consommation herbivore est totalement compensée par des effets positifs liés probablement à la bioirrigation, activée de manière générale plus de 40 fois par Hediste. Dans un second temps, ce projet proposait de modéliser la production primaire microphytobenthique en relation avec la dynamique sédimentaire et les processus biogéochimiques. Les données acquises via expériences en laboratoire et sur le terrain ont servi à développer ce modèle. Ainsi, le modèle MARS3D en version Cross-shore 2DV a été implémenté sur la vasière intertidale étudiée avec une très bonne qualité des simulations des processus hydrosédimentaires et des variations altimétriques. L’intégration de l’effet de la bioturbation et de la régulation de l’érodabilité des sédiments a permis d’améliorer encore la qualité des simulations. Un modèle de diffusion thermique a été intégré, testé et amélioré en termes d’interaction avec la composition sédimentaire. Le modèle biogéochimique BLOOM a été intégré également dans le modèle MARS3D avec une dynamique biogéochimique saisonnière bien représentée. Le modèle prend en compte le rôle des bioturbateurs sur les flux diffusifs, mais une perspective d’amélioration doit être envisagée pour mieux reproduire les flux à l’interface eau-sédiment et l’assimilation du NH4 + par le microphytobenthos en surface. Enfin, le modèle de la production primaire microphytobenthique a été implémenté dans le code MARS3D et fournit des simulations de la dynamique spatio-temporelle des biomasses microphytobenthiques intéressantes, même si les flux sont encore sous-estimés dans le modèle et les interactions avec la faune doivent encore être améliorées. Au final, les très nombreuses données issues du projet PHARESEE et le modèle associé serviront à comprendre et relier les nombreux facteurs influençant le fonctionnement des vasières et leurs rôles écosystémiques essentiels – rôle physique, de régulation sur les cycles biogéochimiques et rôle de productivité biologique et soutien au réseau trophique. Des travaux de synthèse ont été engagés en particulier pour tenter d’expliquer le haut niveau de productivité actuel du système en lien avec la bonne santé des espèces sentinelles (ingénieurs d’écosystèmes) de la macrofaune benthique

Organic Carbon Quality Impacts Benthic Microbial Nitrate Reduction

International audienceMicrobial nitrate reduction in wetland soils and sediments plays an important role mitigating the excess of nitrogen released into the environment. The reduction of nitrate to its reduced gaseous form, i.e. denitrification, is tightly linked to the oxidation of organic carbon. In intertidal wetlands, the organic carbon derived from aquatic or terrestrial primary producers strongly differs in composition, which in turn might affect nitrate reduction rates. In the current study the impact of carbon quality on benthic nitrate reduction in a temperate intertidal wetland sediment was determined. To this end, nitrate reduction rates were determined over a three-week period using an anoxic controlled flow-through reactor approach using sediments amended with carbon from different vegetation types. Organic carbon from algal or plants was mixed with the sediment at the same absolute quantity of carbon. A significant initial increase in nitrate reduction rates was observed in the presence of algal (microphytobenthos) derived organic carbon, most likely due to its labile structure; however, rates decreased rapidly, most likely due to a depletion of the labile source. This indicates the dependence of denitrifiers to the microalgae turnover in non-vegetated sediment. Despite a delay, the addition of plant derived organic carbon, increased nitrate reduction rates with a higher amount of total nitrate reduced over the duration of experiment compared to the microphytobenthos addition. These results highlight that presence of both labile and recalcitrant carbon sources in sediment is essential to support an efficient nitrogen biogeochemical cycle

Effets des antibiotiques sur les processus biogéochimiques et développement de l'antibiorésistance

La contamination de l environnement par les antibiotiques peut conduire à un risque de perturbation des processus biogéochimiques, en particulier la dénitrification et nitrification, dans les sédiments ou biofilms en station d épuration (STEP). Les effets par les antibiotiques sur les processus biogéochimiques, à des concentrations rencontrées dans le milieu naturel, et à une exposition continue ne sont pas connus. Cette étude vise donc à examiner l activité et les communautés bactériennes de dénitrification et de nitrification dans les sédiments et biofilms en STEP en présence d antibiotiques, afin de déterminer les perturbations de ces processus par ces antibiotiques en présence de concentrations environnementales et thérapeutiques. Nous avons pu en déduire les comportements spécifiques des antibiotiques. La concentration minimale inhibitrice environnementale (CMI-E) des antibiotiques est également déterminée afin d étudier les effets sur les communautés dénitrifiantes. Les résultats obtenus montrent que les antibiotiques étudiés ne modifient pas significativement l activité de dénitrification et nitrification à concentrations environnementales. En présence de concentrations thérapeutiques cependant, les processus sont significativement inhibées bien que pas complétement. Les communautés bactériennes sont affectés par la présence des antibiotiques tant aux concentrations environnementales que thérapeutiques. Les résultats de CMI-E montre une adaptation de la communauté dénitrifiantes en faveur des espèces résistantes aux antibiotiques testés. Par ailleurs, les antibiotiques se comportement différemment dans les sédiments et dans les biofilms.The presence of antibiotics in the environment could affect biogeochemical process, such as denitrification and nitrification in sediment or/and sewage plant, due to their action against bacteria. Studies regarding the effects of environmental relevant concentration antibiotics on resident microbial communities in environment are needed. The aim of this work was therefore to investigate the effects of antibiotics on denitrification and nitrification as well as microbial communities involved in these processes in the presence of environmental and therapeutic concentrations of antibiotics. In addition, antibiotics were determined in the initials and treated sediments and biofilms in order to investigate the fate of antibiotics. Minimal inhibitory concentrations of denitrifying enrichments (MIC-E) were determined in order to investigate effects of antibiotics on the denitrifying community. The results of this work showed that environmental concentrations of antibiotics did not significantly affect denitrification and nitrification activity; however, a significant inhibition, although incomplete, was observed in the presence of therapeutic concentrations. The diversity and structure of bacterial and denitrifying communities changed upon exposure to environmental and therapeutic antibiotic concentrations. Investigation of MIC-E showed that the denitrifying community was able to adapt under high antibiotic exposure which may favor antibiotic resistance. In addition to that, determination of antibiotics concentrations in sediments and biofilms showed that antibiotics behaved differently.PARIS-BIUSJ-Sci.Terre recherche (751052114) / SudocSudocFranceF

Approches isotopiques intégrées du processus de dénitrification

La dénitrification, processus de réduction du nitrate (NO3-) en diazote (N2), est considérée comme un processus d épuration des milieux. Néanmoins, certains des intermédiaires réactionnels, tels que le nitrite (NO2-) et le protoxyde d azote (N2O), lorsqu ils s accumulent, entraînent des effets néfastes sur l environnement. Afin de limiter leur présence, résultant très largement des activités anthropiques, il est nécessaire de mieux comprendre les processus qui les produisent et les réduisent. Ce travail a consisté à tester, avec une approche couplée, les mesures des isotopomères du N2O, des d15N et d18O du N2O et du d15N des NO2- afin de tracer le processus de dénitrification dans son entièreté. L originalité de ce travail repose sur la confrontation d expérimentations menées en laboratoire avec des mesures in-situ. Les mesures in-situ réalisées sur des sites connus pour dénitrifier ont mis en évidence que la mesure seule des abondances isotopiques naturelles ne permet pas d aboutir à la caractérisation de l origine du N2O, si celle-ci n est pas couplée à la détermination des valeurs de SP-N2O. Des expérimentations réalisées sur des communautés bactériennes en milieu contrôlé, ont permis d expliquer la présence de valeurs élevées de SP-N2O dans l environnement. Ainsi, ces valeurs de SP-N2O peuvent résulter (1) d une part de N2O produit par la nitrification ou (2) d autre part, de N2O en cours de réduction en N2 lors de la dénitrification. Enfin, l'étude de l impact des valeurs de d15N du NO2- sur celles du e15N associé à la dénitrification a mis en évidence l'importance de considérer la dénitrification comme un processus à plusieurs étapes, sous peine de le sous-estimer.Denitrification, reducing nitrate (NO3-) to dinitrogen (N2), is considerate like a purification process in environment. However, several intermediates, such as nitrite (NO2-) and nitrous oxide (N2O) lead to negative effects on the environment when accumulated. In order to regulate their production, resulting largely of the anthropic activities, it is necessary to improve understanding of the processes which produce and reduce them. This study aims to test, using a coupled approach, the measurements of N2O isotopomers, d15N and d18O of N2O and d15N of NO2-, in order to trace the total denitrification. The originality of this work lies on the confrontations of experiments lead in laboratory with in-situ measurements. In-situ studies showed that the measurements of the natural isotopic abundances alone does not reveal the N2O origin, and should be coupled to the determination of N2O-SP values. Experiments conducted with benthic denitrifying communities under controlled laboratory conditions explained the occurrence of high N2O-SP values in the environment. Thus, high N2O-SP values can be either the result of (1) N2O production by nitrification, firstly, or (2) N2O reduction to N2 during denitrification, where the N2O reduction to N2 occurs. Finally, the study on the impact of d15N-NO2- values on that of e15N related to denitrification has highlighted the importance to consider denitrification like a process with several steps, otherwise the importance of this process will be underestimated.PARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Benthic nitrate removal capacity in marine mangroves of Guadeloupe, Lesser Antilles

International audienceMangrove sediments are known to be potentially active reducing zones for nitrogen removal. The goal of this work was to investigate the potential for nitrate reduction in marine mangrove sediments along a canal impacted by anthropogenic activity (Guadeloupe, Lesser Antilles). To this end, the effect of nitrate concentration, organic carbon load and the hydraulic retention time was assessed as factors affecting these nitrate reduction rates. Nitrate reduction potential was determined using flow-through reactors in marine mangrove sediments collected along ‘The Canal des Rotours’ in Guadeloupe. Potential nitrate reduction rates, in the presence of indigenous organic carbon, generally increased upon increasing nitrate supply from around 120 nmol cm−3 h−1 (low nitrate) up to 378 nmol cm−3 h−1 (high nitrate). The potential for nitrate reduction increased significantly with the addition of mangrove leaves, whereas the addition of simple, easily degradable carbon (acetate) resulted in an almost five-fold increase in nitrate reduction rates (up to 748 nmol cm-3 h-1). The hydraulic retention time also had an impact on the nitrate reducing capacity due to an increased contact time between nitrate and the benthic microbial community. Marine mangrove sediments have a high potential to mitigate nitrogen pollution, mainly governed by the presence of large amounts of degradable carbon in the form of litter. The mangrove sediments from this Caribbean island, currently exposed to a small tidal effect could increase its nitrate elimination capacities due to prolonged water retention via engineering

Nitrifying Kinetics and the Persistence of Nitrite in the Seine River, France

International audienceAlthough a higher oxidation rate for nitrite than for ammonia generally prevents nitrite accumulation in oxic waters, nitrite concentrations in the Seine River (1-31 mM) exceed European norms. We investigated the kinetics of in situ ammonia-and nitrite-oxidizing communities in river water and wastewater treatment plant (WWTP) effluents to determine the role of pelagic nitrification in the origin and persistence of nitrite downstream of Paris. The main source of nitrite is the major Parisian WWTP, and its persistence, up to tens of kilometers downstream of the plant, is explained by low ammonia and nitrite oxidation rates and high river flow. Furthermore, similar nitrite and ammonia oxidation rates preclude a rapid consumption of both preexisting nitrite and nitrite produced by ammonia oxidation. Maximum ammonia oxidation rates are two to three times higher downstream than upstream of the WWTP, indicating the input of ammonia oxidizers and ammonia from the WWTP. In both river water and WWTP effluents, nitrite oxidizers were unable to oxidize all available nitrite. In the human-impacted Seine River, this phenomenon might be due to mixotrophy. This study highlights the low resilience of the river to nitrite contamination as well as the importance of managing nitrite, nitrifiers, and organic matter concentrations in WWTP effluents to avoid nitrite persistence in rivers