Influence of agricultural practices on the microbiome and the antibiotic resistance gene complement in soils, plants, and crops

Abstract

Antibiotic (AB) Resistance is an increasing global problem for public health, with multi-resistant bacteria persisting and spreading not only in clinical settings but also in the environment. One of the possible vectors of this spread is the use and re-use of waste water (WW) and of manure and sludge from WW treatment plants (WWTPs) in different agriculture practices (irrigation, soil amendment). These practices are becoming widespread in regions with scarcity of water. WWTPs are known as AB resistance hotspots, whereas soil amendment by organic fertilization is known to increase AB resistance in the soil microbiomes. Hence, there is a growing concern about the possible transmission of AB resistance from agricultural soils to crops and, ultimately, to the microbiomes of consumers' guts. In this Thesis, this issue was assessed in commercial fields producing vegetable crops. This strategy allowed us to analyze AB resistance elements in foodstuffs actually reaching the consumers, and to understand the risk their consumption poses. Moreover, this Thesis tackles the alterations in soil, plant and crops bacterial communities due to these agricultural practices. To achieve this, five agricultural fields located in the area of Barcelona (NE Spain) were selected, under different irrigation regimes and soil amendment. The selected crops were lettuce, tomatoes, and broad beans as they represent vegetables with different edible parts, commonly eaten either raw or beans, as cooked. The Thesis is divided into five chapters. Chapter I describes the state of the art of the studies of ABR in food and agricultural fields and presents the objectives of the PhD project. Chapter II and III assess the distribution of ARGs and microbiomes along the soil-plant continuum in Lycopersicum esculentum and, grown in peri-urban and rural agricultural fields under different irrigation regimes and soil amendment. Our data show that field practices influenced the distribution of ARGs and intI1 along the soil-plant continuum in both cases, although the impact on soil and plant microbiomes differed between the two crops. In tomatoes, few abundant bacterial families discriminated the different agricultural fields, including Pseudomonadaceae and Enterobacteriaceae. The predominance of Pseudomonadacea correlated positively with the levels of intI1, blaTEM, blaOXA-58 and sul1 detected in the fruits. In contrast, microbiomes from broad bean plant parts (beans, leaves, roots) were dominated by Rhizobiales, whose predominance inversely correlated with intl1 and ARGs abundances. We concluded that Rhizobiales limits the translocation of ARGs into the crops, as well as the colonization of roots and plant parts by other bacteria. Chapter IV integrates the data from the distribution and abundance of the ARGs in different model crops. The results obtained from the different soils and crops showed that ARGs were detected in all plant compartments, with highest loads in roots and lowest in fruits or beans. ARGs profiles within the crops reflect the soil ARG composition. The analyses also showed positive correlations between certain soil taxa and ARG profiles. The crop type revealed to be determinant for both ARG distribution and microbiome composition. Irrigation water appeared to have a limited influence, suggesting that the soil amendment practices were determinants on ARG distribution and on their abundance in edible crop parts. Chapter V presents a general discussion of the results showed previously, followed in Chapter VI including the main conclusions of the Thesis.

La resistencia a los antibióticos (AB) es un problema mundial cada vez mayor para la salud pública, con bacterias multirresistentes que persisten y se propagan no solo en entornos clínicos sino también en el medio ambiente. Uno de los posibles vectores de esta propagación es el uso y la reutilización de aguas residuales (WW) y de estiércol y lodos de plantas de tratamiento de WW (WWTP) en diferentes prácticas agrícolas (riego, enmienda del suelo). Estas prácticas se están generalizando en regiones con escasez de agua. Las WWTP se conocen como puntos calientes de resistencia AB, mientras que la enmienda del suelo por fertilización orgánica aumenta la resistencia AB en los microbiomas del suelo. Existe una creciente preocupación por la posible transmisión de la resistencia AB de los suelos agrícolas a los cultivos y, en última instancia, a los microbiomas de los intestinos de los consumidores. En esta Tesis, este tema se evaluó en campos comerciales que producen cultivos de hortalizas. Esta estrategia nos permitió analizar los elementos de resistencia AB en los alimentos que realmente llegan a los consumidores, y comprender el riesgo que representa su consumo. Además, esta Tesis aborda las alteraciones en las comunidades bacterianas del suelo, plantas y cultivos debido a estas prácticas agrícolas. Para lograr esto, se seleccionaron cinco campos agrícolas ubicados en el área de Barcelona (NE España), bajo diferentes regímenes de riego y enmienda del suelo. Los cultivos seleccionados fueron lechuga, tomate y habas, ya que representan vegetales con diferentes partes comestibles, que comúnmente se comen crudos o frijoles, como cocidos. La tesis se divide en cinco capítulos. El Capítulo I describe el estado del arte de los estudios de ABR en campos agrícolas y alimentarios y presenta los objetivos del proyecto de doctorado. Los capítulos II y III evalúan la distribución de ARG y microbiomas a lo largo del continuo suelo-planta en Lycopersicum esculentum y, cultivados en campos agrícolas periurbanos y rurales bajo diferentes regímenes de riego y enmienda del suelo. Nuestros datos muestran que las prácticas de campo influyeron en la distribución de ARG e intI1 a lo largo del continuo suelo-planta en ambos casos, aunque el impacto en el suelo y los microbiomas de las plantas difirió entre los dos cultivos. En los tomates, pocas familias bacterianas abundantes discriminaron los diferentes campos agrícolas, incluidas Pseudomonadaceae y Enterobacteriaceae. El predominio de Pseudomonadacea se correlacionó positivamente con los niveles de intI1, blaTEM, blaOXA-58 y sul1 detectados en las frutas. En contraste, los microbiomas de las partes de la planta de frijol ancho (frijoles, hojas, raíces) estuvieron dominados por Rhizobiales, cuyo predominio se correlacionó inversamente con las abundancias intl1 y ARG. Llegamos a la conclusión de que Rhizobiales limita la translocación de ARG en los cultivos, así como la colonización de raíces y partes de plantas por otras bacterias. El Capítulo IV integra los datos de la distribución y abundancia de los ARG en diferentes cultivos modelo. Los resultados obtenidos de los diferentes suelos y cultivos mostraron que se detectaron ARG en todos los compartimentos de las plantas, con cargas más altas en las raíces y más bajas en frutas o frijoles. Los perfiles de ARG dentro de los cultivos reflejan la composición de ARG del suelo. Las análisis también mostraron correlaciones positivas entre ciertos taxones del suelo y perfiles ARG. El tipo de cultivo reveló ser determinante tanto para la distribución de ARG como para la composición del microbioma. El agua de riego parecía tener una influencia limitada, lo que sugiere que las prácticas de enmienda del suelo fueron determinantes en la distribución de ARG y en su abundancia en las partes comestible. El Capítulo V presenta una discusión general de los resultados mostrados anteriormente, y el Capítulo V