Fate of fluoroquinolones associated with antimicrobial resistance in circular periurban agriculture

Abstract

Animal antibiotic use contributes to antimicrobial resistance (AMR) in humans. While animal manure benefits soil fertility, it also acts as hotspot for antibiotic residues, antibiotic-resistant bacteria, and their genes. Amending soils with poultry litter is recognized as “magic” among horticulture farmers and it remains a common practice globally. However, this poses a risk especially in countries where prophylactic use of antibiotics is allowed. In Argentina, fluoroquinolones are used in this way besides being listed as essential medicines and classified as “watch” by the World Health Organization. Antibiotic selective pressure can favour AMR in the environment but the fate of antibiotic residues and AMR dissemination from these practices remains poorly understood. Our research addresses this gap with a biological model tracing fluoroquinolones from poultry to soil to lettuce and tracking anthropogenic AMR with the proposed biomarker genes sul1 and intI1. Fresh poultry litter was stored for six months before application in a horticulture field experiment. The experiment included control and manured plots where lettuce was cultivated till harvest. Enrofloxacin concentration was 7.3 μg/kg in fresh poultry litter, while its metabolite ciprofloxacin was 39.22 μg/kg after storage. Although no fluoroquinolones were detected in soils, lettuce from manured plots contained enrofloxacin and ciprofloxacin at 14.97 and 9.77 μg/kg, respectively, providing evidence of fluoroquinolone bioaccumulation in plants. Abundance of sul1 and intI1 in poultry litter was not affected by storage. Manured soils showed better soil quality than controls, but sul1 gene abundance was 1.6 times higher, reaching 7.61 Log sul1/g soil. A less sensitive, but significant effect was registered for intI1. These findings show that static storage is insufficient to stop the transmission of antibiotics and AMR biomarkers from poultry to horticulture. Amending soil with industrial poultry litter contributes to pollution with these emergent contaminants and risks human antibiotic exposure through fresh vegetables.

El uso de antibióticos en animales contribuye a la resistencia antimicrobiana (RAM) en los seres humanos. Si bien el estiércol animal beneficia la fertilidad del suelo, también actúa como un foco de residuos de antibióticos, bacterias resistentes a los antibióticos y sus genes. La modificación de los suelos con estiércol de aves de corral se reconoce como "mágica" entre los agricultores horticultores y sigue siendo una práctica común a nivel mundial. Sin embargo, esto plantea un riesgo, especialmente en países donde se permite el uso profiláctico de antibióticos. En Argentina, las fluoroquinolonas se utilizan de esta manera, además de estar incluidas en la lista de medicamentos esenciales y clasificadas como "de vigilancia" por la Organización Mundial de la Salud. La presión selectiva de los antibióticos puede favorecer la RAM en el medio ambiente, pero el destino de los residuos de antibióticos y la diseminación de la RAM a partir de estas prácticas sigue siendo poco conocido. Nuestra investigación aborda esta brecha con un modelo biológico que rastrea las fluoroquinolonas desde las aves de corral hasta el suelo y la lechuga, y rastrea la RAM antropogénica con los genes biomarcadores propuestos sul1 e intI1 . El estiércol de aves de corral fresco se almacenó durante seis meses antes de su aplicación en un experimento de campo de horticultura. El experimento incluyó parcelas de control y estiércol donde se cultivó lechuga hasta la cosecha. La concentración de enrofloxacina fue de 7,3 μg/kg en la cama de aves fresca, mientras que su metabolito ciprofloxacina fue de 39,22 μg/kg después del almacenamiento. Aunque no se detectaron fluoroquinolonas en los suelos, la lechuga de las parcelas abonadas contenía enrofloxacina y ciprofloxacina a 14,97 y 9,77 μg/kg, respectivamente, lo que proporciona evidencia de bioacumulación de fluoroquinolonas en las plantas. La abundancia de sul1 e intI1 en la cama de aves no se vio afectada por el almacenamiento. Los suelos abonados mostraron una mejor calidad del suelo que los controles, pero la abundancia del gen sul1 fue 1,6 veces mayor, alcanzando 7,61 Log sul1 /g de suelo. Se registró un efecto menos sensible, pero significativo para intI1. Estos hallazgos muestran que el almacenamiento estático es insuficiente para detener la transmisión de antibióticos y biomarcadores de RAM de las aves de corral a la horticultura. La modificación del suelo con excrementos de aves de corral industriales contribuye a la contaminación con estos contaminantes emergentes y aumenta el riesgo de exposición humana a antibióticos a través de verduras frescas.