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

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

Diversité microbienne des termitières de Cubitermes (Isoptères, Termitidae) et des sols d'une forêt gabonaise

Nous avons exploré l'impact de termites humivores sur les communautés microbiennes des sols en forêt de la tope (Gabon). Nous observons que la modification de certains paramètres physiques et chimiques s'accompagne dans les termitières par rapport aux sols d'une diminution des activités phosphatases et de la diversité fonctionnelle, conséquences possibles d'inhibitions diverses. Par PCR-clonage-séquençage de loci ubiquistes, 89,4% et 74% des séquences eu bactériennes et ascomycètes restent encore inconnues à ce jour. De plus les sols et les termitières n'ont que 4, 8% pour les eubactéries et 6,3 % pour les ascomycètes de phylotypes communs faible recouvrement souligné par RAPD et SSCP. Les différences observées - fonctionnelles ou structurelles - entre ces termitières et les sols proviennent du comportement trophique et constructeur des termites parce qu'ils modifient I habitat des micro-organismes, leur permettant de se développer, de se diversifier.We explored the impact of soil-feeding termites on the soil microbial communities in the Lope rainforest (Gabon). We observed that the modifications of certain physical and chemical parameters in their nests compared to the soils, were accompanied of a reduction in the phosphatases activities and functional diversity, consequences d'inhibition of various origine. By an approach of PCR-cloning-sequencing of ubiquistous loci, 89.4 I4 and 74 % respectively of the analysed sequences from eubacteria and ascomyceta, respectively remain still unknown to date to date. Moreover, soils and termitaries have few phylotypes in common: 4.8% for the eubacteria and 6.3 % for the ascomyceta, a weak covering underlined by the analyse of microbial communities by RAPD and SSCP. The differences observed - functional or structural - between termitaries and soi1 come from building and trophic behavior of the termites vhich modify the habitat of micro-orgonisms, allowing them in develop, to diversify.PARIS12-CRETEIL BU Multidisc. (940282102) / SudocSudocFranceF

Ascomycete diversity in soil-feeding termite nests and soils from a tropical rainforest

International audienc

Potential of denitrification and nitrous oxide production from agricultural soil profiles (Seine Basin, France)

The denitrification process and the associated nitrous oxide (N2O) production in soils have been poorly documented, especially in terms of soil profiles; most work on denitrification has concentrated on the upper layer (first 20 cm). The objectives of this study were to examine the origin of N2O emission and the effects of in situ controlling factors on soil denitrification and N2O production, also allowing the (N2O production)/(NO3 −-N reduction) ratio to be determined through (1) the position on a slope reaching a river and (2) the depth (soil horizons: 10-30 and 90-110 cm). In 2009 and 2010, slurry batch experiments combined with molecular investigations of bacterial communities were conducted in a corn field and an adjacent riparian buffer strip. Denitrification rates, ranging from 0.30 μg NO3 −-N g−1 dry soil h−1 to 1.44 μg NO3 −-N g−1 dry soil h−1, showed no significant variation along the slope and depth. N2O production assessed simultaneously differed considerably over the depth and ranged from 0.4 ng N2O-N g−1 dry soil h−1 in subsoils (the 90-110-cm layer) to 155.1 ng N2O-N g−1 dry soil h−1 in the topsoils (the 10-30-cm layer). In the topsoils, N2O-N production accounted for 8.5-48.0% of the total denitrified NO3 −-N, but for less than 1% in the subsoils. Similarly, N2O-consuming bacterial communities from the subsoils greatly differed from those of the topsoils, as revealed by their nosZ DGGE fingerprints. High N2O-SPPR (nitrous oxide semi potential production rates) in comparison to NO3-SPDR (nitrate semi potential reduction rates) for the topsoils indicated significant potential greenhouse N2O gas production, whereas lower horizons could play a role in fully removing nitrate into inert atmospheric N2. In terms of landscape management, these results call for caution in rehabilitating or constructing buffer zones for agricultural nitrate removal

Élaboration d’un milieu de culture pour Pseudomonas veronii

Rapport de stage de L3 en microbiologi

How mineral induced antibiotic transformation products impact bacterial growth and denitrification activity

International audienceThe abiotic transformations of quinolones and tetracyclines facilitated by redox-active minerals has been studied extensively, however limited information is available regarding the antimicrobial activity and toxicity of their resultant transformation products. In this study, we first investigated the mechanisms underlying the transformation of two commonly used antibiotics, ciprofloxacin (CIP) and tetracycline (TC), by the ubiquitous redox soil mineral, birnessite (MnO2). Subsequently, we evaluated the impact of these transformation products on both the growth and activity of the environmental denitrifier Pseudomonas veronii. Following the reaction with birnessite, four transformation products for CIP and five for TC were identified. Remarkably, the antibacterial activity of both CIP and TC was lost upon the formation of transformation products during their interaction with birnessite. This loss of antimicrobial efficacy was associated with specific chemical transformations, such as the opening of the piperazine ring for CIP and hydroxylation and demethylation for TC. Interestingly, denitrifying activity, quantified in terms of nitrate reduction rates, remained unaffected by both CIP and TC at low concentrations that did not impact bacterial growth. However, under certain conditions, specifically at low concentrations of CIP, the second step of denitrification-nitrite reduction-was hindered, leading to the accumulation of nitrite. Our findings highlight that the transformation products induced by the mineral-mediated reactions of CIP or TC lose the initial antibacterial activity observed in the parent compounds. This research contributes valuable insights into the intricate interplay between antibiotics, redox-active minerals, and microbial activity in environmental systems

Estuarine benthic nitrate reduction rates: Potential role of microalgae?

International audienceThe ecological functioning of the Seine estuary is strongly affected by the input of nitrogen, especially in the form of nitrate, which contributes to the eutrophication of the Seine Bight (France). Elimination of nitrate by benthic denitrification in riparian zones or adjacent wetlands could significantly improve the water quality of the Seine estuary. The goal of this study was to investigate the potential for denitrification and the factors affecting these rates. To this end, we measured nitrate reduction and ammonium production rates using flow-through reactors in contrasted sediments collected along the Seine Estuary. Sediment and organic carbon characteristics (organic C, Corg:N ratio, bioavailable carbon, extracellular polymeric substances (EPS), chlorophyll a and phaeopigments and abundance of nitrogen transforming microorganisms were determined and related to the potential nitrate reduction rates. Nitrate reduction rates showed a large spatial and seasonal variation and showed a significant correlation with sediment phaeopigments, whereas overall microbial activity (ammonium production rates) were highly correlated to chlorophyll a and EPS fractions. Surprisingly, bacterial abundance was not correlated to nitrate reduction nor to ammonium production rates. The presence of microalgae appears to be an important driver for nitrate reduction rates in these riparian sediments and seems to have fueled the benthic nitrate reducing activity

Fate and transport of tetracycline and ciprofloxacin and impact on nitrate reduction activity in coastal sediments from the Seine Estuary, France

International audienceFluoroquinolones and tetracyclines are frequently detected antibiotics in aquatic sediments. In this study, the transport of ciprofloxacin (CIP) and tetracycline (TET) was investigated in sediments from the Seine Estuary (France), under nitrate reducing conditions. Dynamic flow experiments showed that although TET and CIP strongly interacted with the sediment components through adsorption and (bio)-chemical transformation, they kept their antimicrobial activities. Less nitrate reduction was observed during the first period of breakthrough, while TET and CIP were absent in the column effluent. Batch experiments with freeze-dried vs fresh sediments showed that adsorption and abiotic degradation are the major removal processes, while microbe-driven transformation is of less importance. Whereas TET is to a large extent chemically transformed and little adsorbed in the sediment, CIP was less transformed and more adsorbed, most likely due to the great reactivity of TET with redox-active mineral surfaces. Our findings show the strong capacity of natural sediment to retain and transform antibiotics, while still maintaining their antimicrobial activity or inhibitory effect of nitrate reducing activity