Uptake and metabolization of antibiòtics in crops

Abstract

The discovery of antibiotics (ABs) and their mass production brought a revolution in medicine worldwide during the middle of the XX century. Infectious diseases with high morbidity and mortality suddenly become treatable. In the years that followed ABs were widely (mis) used in human and veterinary applications, consequently ABs become the victims of their own success. AB bacterial resistance, although an ancient phenomenon, become one of the biggest threats to global health and food safety. AB pollution has been reported worldwide and in different environmental compartments. The presence of ABs has been reported in wastewaters (WW), surface waters, groundwater, manure, agricultural soils, animal food (meat and dairy products) and more recently in vegetables. In recent years several studies conducted in greenhouse conditions showed that ABs can be taken up and translocated in crops. The base of this Thesis is analytical methodology development and its application for the determination of several classes of incurred antibiotics in crops. Namely, analysis of ABs is a challenging task due to the complexity of vegetable matrices that entangle their quantification, especially if they are present at a relatively low ng g-1 level. Thus Chapter II presents an analytical method for the target analysis of 10 ABs and 6 of their metabolites. The developed method relies on liquid chromatography coupled to mass spectrometry in combination with liquid extraction and cleanup workflows. Strikingly, in 73% of all samples analysed, the concentration of a transformation product (TP) was higher than the concentration of its parent compound. Despite the numerous studies reporting the uptake and translocation of ABs by vegetables in controlled conditions or simulated real field scale conditions, there is a lack of data regarding the occurrence of ABs and its transformation products in vegetables under real field-scale conditions to assess the potential risk associated with their consumption. Thus, holistic sampling campaigns were performed (Chapter III) where four different vegetable types were included. Moreover different agricultural practices were involved and all collected samples represent real, commercially available vegetables intended for human consumption. Farming plots where manure was applied as fertilizer and water from Llobregat River was used for irrigation showed the highest ABs loads. Crop type was another important factor that determined the level of ABs occurrence. In real agricultural environments variations of many different factors are creating complex and specific interactions, thus have to be observed as such. Another unknown and poorly studied area that draws attention is related to ABs bio transformation pathways in pore water-plant systems. An innovative workflow for non-target screening allowed us annotation and identification of 11 metabolites of ofloxacin (OFL), of which five metabolites were reported for the first time in plants, suggesting the need to be included in surveys if they possess antimicrobial activity and/or toxicity (Chapter IV). Major transformation pathways were tentatively proposed revealing the major OFL metabolization pathways in lettuce. Finally, in Chapters V and VI, general discussion of all results and conclusions is given summing up the main ideas and hypothesis validation.

El descobriment d’antibiòtics (AB) i la seva producció a gran escala va donar lloc a una revolució de la medicina a mitjans del segle XX a escala mundial. Tot seguit, les malalties infecciones amb alta morbiditat i mortalitat es van tornar tractables. A partir de llavors, els AB es van fer servir excessivament (malament) i, conseqüentment, es van tornar en víctimes del seu propi èxit. La resistència bacteriana als AB, tot i que és un fenomen antic, s'ha convertit en una de les majors amenaces per a la salut a escala mundial i la seguretat alimentaria. La contaminació per AB s'ha registrat en tot el món i en diversos entorns. També s'ha detectat la presencia d'AB en aigües residuals, aigües superficials, aigües subterrànies, fems, sòls agrícoles, aliments d'origen animal (carn i productes làctics) i verdures. Els últims anys, diversos estudis realitzats en hivernacles han demostrat que els AB es poden absorbir i translocar a cultius. En aquesta Tesi s'ha desenvolupat i aplicat una metodologia analítica per la detecció d'ABs i els seus productes de transformació en cultius vegetals. Se sap que l'anàlisi d'AB és una tasca complexa degut a la composició de les matrius vegetals implicades en la seva quantificació, especialment si els AB són presents a un nivells de concentració relativament baixos, inferior a ng g-1. Per tant, el Capítol II presenta un mètode analític perla determinació de 10 ABs diana i 6 dels seus metabòlits. El mètode es basa en la cromatografia líquida acoblada a l'espectrometria de masses en combinació amb fluxes de treball que incorporen l’aïllament i purificació dels extractes. Sorprenentment, en el 73% de les mostres analitzades, la concentració d'un producte de biotransformació va ser superior que la del compost original. Tot i que hi ha nombrosos estudis que confirmen l'absorció i la translocació d'AB en vegetals en condicions controlades o condicions de camp simulades, falten dades sobre la seva presencia en vegetals en condicions de camp a escala real. Per tant, es va realitzar una campanya de mostreig integral (Capítol III) on es van incloure quatre tipus diversos de verdures. A més, es van considerar diverses practiques agrícoles i totes les mostres recol·lectades representen verdures reals disponibles comercialment i destinades al consum humà. Les majors càrregues d'AB es van quantificar en les parcel·les agrícoles on es van aplicar fems com a fertilitzant i es va fer servir aigua del riu Llobregat per regar. El tipus de cultiu va ser un altre factor important que va determinar el nivell d'AB. En entorns agrícoles reals, les variacions de diversos factors creen interaccions complexes i especifiques, que s'han d'observar com a tals. Una àrea poc coneguda que necessita dedicar-li atenció està relacionada amb les vies de biotransformació d'AB en el sistema aigua instersticial-planta. El flux de treball innovador presentat per a l’anàlisi no dirigida ens va permetre l'anotació i identificació d'11 metabòlits de l'ofloxacina (Capítol IV), dels quals cinc metabòlits es van informar per primera vegada en plantes, que s'haurien d'incorporar en la vigilància si es demostra la seva toxicitat i/o activitat antimicrobiana. Les vies principals de transformació proposades revelen com l'ofloxacina i d'altres productes químics relacionats estructuralment, es metabolitzen en l'enciam. Finalment, als Capítols V i VI, es presenta una discussió general de tots els resultats i conclusions resumint les idees i hipòtesis principals

El descubrimiento de antibióticos (AB) y su producción masiva trajo una revolución en la medicina mundial a mediados del siglo XX. En ese momento, las enfermedades infecciosas con alta morbilidad y mortalidad fueron tratables. A partir de entonces, se ab-usó de los AB tanto en aplicaciones medicinales como veterinarias y, en consecuencia, se convirtieron en víctimas de su propio éxito. La resistencia bacteriana a los AB, aunque es un fenómeno antiguo, se ha convertido en una de las mayores amenazas para la salud a escala global, así como en la seguridad alimentaria. La contaminación ambiental por AB es ubicua y en diferentes compartimentos. Así pues, se ha detectado la presencia de AB en aguas residuales, aguas superficiales, aguas subterráneas, estiércol, suelos agrícolas, alimentos de origen animal (carne y productos lácteos) y vegetales. En los últimos años, varios estudios realizados en invernaderos mostraron que los AB pueden ser absorbidos y translocados en cultivos. En esta Tesis se aborda el desarrollo y aplicación de una metodología analítica para la determinación de ABs y sus productos de transformación en vegetales. Resulta conocido que el análisis de ABs es una tarea muy compleja debido a la composición de las matrices vegetales implicadas es su cuantificación, especialmente si los ABs están presentes en un nivel relativamente bajo, inferior de ng g-1. Por lo tanto, el Capítulo II presenta un método analítico para la determinación de 10 ABs diana y 6 de sus metabolitos. El método se basa en la cromatografía líquida acoplada a la espectrometría de masas en combinación con un flujo de trabajo que implica la extracción y purificación del extracto obtenido. Sorprendentemente, en el 73% de las muestras analizadas, la concentración de un producto de biotransformación fue mayor que la de su compuesto original. A pesar de que hay numerosos estudios que confirman la absorción y la translocación de AB en verduras bajo condiciones controladas o condiciones de campo simuladas, faltan datos sobre la presencia de AB en condiciones de producción a escala real para evaluar el riesgo a la salud humana que su consumo presenta. Por lo tanto, se realizó una campaña de muestreo integral (Capítulo III) donde se incluyeron cuatro tipos diferentes de vegetales. Además, se utilizaron diferentes prácticas agrícolas y todas las muestras recolectadas representan verduras disponibles comercialmente y destinadas al consumo humano. Las mayores cargas de AB se detectaron en las parcelas agrícolas donde se aplicó estiércol como fertilizante y se utilizó el agua del río Llobregat para riego. El tipo de cultivo fue otro factor importante que determinó el nivel de AB. En entornos agrícolas reales, las variaciones de muchos factores diferentes crean interacciones complejas y específicas, por lo que deben observarse como tales. Otra área desconocida y poco estudiada está relacionada con las vías de biotransformación de AB en el sistema agua intersticial-planta. El flujo de trabajo innovador presentado para el análisis no dirigido, nos permitió la anotación e identificación de 11 metabolitos de ofloxacina (Capítulo IV), de los cuales cinco metabolitos fueron reportados por primera vez en plantas, que deberían incorporarse en la vigilancia si se demuestra su toxicidad y/o actividad antimicrobiana. Las principales vías de transformación revelan cómo la ofloxacina, así como otros productos químicos relacionados se metabolizan en la lechuga. Finalmente, en los capítulos V y VI, se presenta una discusión general de todos los resultados y conclusiones resumiendo las ideas y la confirmación de las hipótesis principales.