What Antibiotic Threat Do the Heavy Metals Contaminated Sites of Mine Hide?

• Autorzy: Timkova Ivana , Lachka Miroslava , Nosal'ova Lea , Malinicova Lenka , Pristas Peter , Sedlakova-Kadukova Jana

Identyfikatory

DOI

10.29227/IM-2020-01-68

Warianty tytułu

PL

Jakie zagrożenie dla działania antybiotyków stanowią górnicze tereny zanieczyszczone metalami ciężkimi?

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The environment contaminated by antibiotics and heavy metals as a consequence of human activities is of great concern nowadays. Many pieces of research proved that the environment could act as a reservoir of antibiotic resistance determinants allowing them to spread among different bacterial species via the process called horizontal gene transfer. The result is antibiotic resistance even in pathogen microorganisms. Heavy metals act as important factors in this process because of their potential to select antibiotic resistant bacteria thanks to linkage among antibiotic resistance genes and heavy metals resistance genes. Thus, this experiment was conducted to screen the antibiotic tolerance profile of bacteria obtained from heavy metal contaminated environment of mine, dump and the contaminated soil near the entry of mine. Several samples were collected from the only active gold mine in Slovakia in Hodruša – Hámre. The presence of cultivable bacteria was proved via cultivation approaches with subsequent MALDI – TOF MS (Matrix – Assisted Laser Desorption/Ionisation Time of Flight Mass Spectrometry) identification of selected isolates. Representative bacterial isolates were screened for their antibiotic tolerance against chosen antibiotics (ampicillin (AMP), chloramphenicol (CHLOR), tetracycline (TET) and kanamycine (KAN)) with the aim to define their minimal inhibitory concentration (MIC). The cultivable bacteria from studied environments were dominated by Gram-negative protebacteria of Pseudomonas and Rhizobium genera. Among more than 150 isolates the resistance to ampicillin (MIC>100µg/ml – 49% isolates), kanamycine (MIC>100µg/ml - 18% isolates), and chloramphenicol (MIC>20µg/ml – 16% isolates) dominated. The resistance to tetracycline (MIC>20µg/ml) was detected in less than 1% of isolates. Overall counts of antibiotic resistance and multi-resistance were alarmingly high taking in account that industrial environments with no known antibiotic exposure were analysed. Our data indicate that heavy metals contaminated environment could influence the occurrence and the spread of antibiotic resistance. Possibly, metal contaminated environment act as a reservoir of antibiotic resistant bacteria.

PL

Środowisko zanieczyszczone przez antybiotyki i metale ciężkie jako konsekwencja działalności ludzkiej jest obecnie przedmiotem wielu zmartwień. Wiele badań udowodniło, że środowisko może stanowić swoisty zbiornik odporności bakterii na działanie antybiotyków, pozwalając im na swobodne rozprzestrzenianie się wśród różnych bakterii poprzez proces zwany poziomym transferem genów. Wynikiem jest obecność odporności na antybiotyki nawet u mikroorganizmów patogenicznych. Metale ciężkie działają jako ważne czynniki w tym procesie ze względu na swój potencjał wyboru bakterii, która opiera się antybiotykowi ze względu na swego rodzaju połączenie pomiędzy genami opierającymi się antybiotykowi oraz genami opierającymi się metalom ciężkim. Zatem, wykonano eksperyment aby zbadać tolerancję na antybiotyk dla bakterii uzyskanych ze środowiska kopalni, składowiska oraz gleby z pobliża kopalni będących zanieczyszczonymi metalami ciężkimi. Pobrano próbki z jedynej aktywnej kopalni złota w Słowacji, zlokalizowanej w Hodruša – Hámre. Obecność bakterii kultywacyjnych został udowodniony za pomocą badań kultywacji a następnie techniki identyfikacyjnej MALDI – TOF MS (Matrix – Assisted Laser Desorption/Ionisation Time of Flight Spectrometry). Reprezentatywne izolaty bakteryjne zostały zbadane ze względu na ich tolerancję na wybrane antybiotyki (ampicylina (AMP), chloramfenikol (CHLOR), tetracyklina (TET) oraz kanamycyna (KAN) w celu zdefiniowania ich minimalnego stężenia inhibicyjnego (MIC). Bakterie kultywacyjne z badanych środowisk były zdominowane przez Gram-ujemne proteobakterie rodzaju Pseudomonas oraz Rhizobium. Spośród więcej niż 150 izolatów, odporność na ampicylinę (MIC>100 µg/ml- 49% izolatów), kanamycynę (MIC>100 µg/ml – 18% izolatów) oraz chloramfenikol (MIC> 20 µg/ml – 16% izolatów) dominowała. Odporność na tetracyklinę (MIC> 20 µg/ml) został stwierdzony w mniej niż 1% przypadku izolatów. Ogólna liczba odporności na antybiotyki oraz multi-odporności była alarmująco duża, biorąc pod uwagę, że środowiska przemysłowe z nieznanym stopniem wystawienia na antybiotyki była analizowana. Nasze dane wskazały, że środowisko zanieczyszczone metalami ciężkimi może wpływać na obecność i rozwój odporności na antybiotyki. Możliwym jest, że środowisko zanieczyszczone metalami zachowuje się jak zbiornik dla bakterii odpornych na działanie antybiotyków.

Słowa kluczowe

EN

mines; antibiotic resistance; heavy metals resistance; cross resistance; heavy metals contamination

PL

kopalnie; odporność na antybiotyki; odporność na metale ciężkie; odporność krzyżowa; metale ciężkie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Przeróbki Kopalin
• Czasopismo: Inżynieria Mineralna
• Rocznik: 2020
• Tom: no. 1, vol. 2
• Strony: 205--210
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., wykr.

Twórcy

autor

Timkova Ivana

• Pavol Jozef Šafárik University in Košice, Faculty of Science, Šrobárova St. 2, 041 80 Košice, Slovak Republic

autor

Lachka Miroslava

• Pavol Jozef Šafárik University in Košice, Faculty of Science, Šrobárova St. 2, 041 80 Košice, Slovak Republic

autor

Nosal'ova Lea

• Pavol Jozef Šafárik University in Košice, Faculty of Science, Šrobárova St. 2, 041 80 Košice, Slovak Republic

autor

Malinicova Lenka

• Pavol Jozef Šafárik University in Košice, Faculty of Science, Šrobárova St. 2, 041 80 Košice, Slovak Republic

autor

Pristas Peter

• Pavol Jozef Šafárik University in Košice, Faculty of Science, Šrobárova St. 2, 041 80 Košice, Slovak Republic

autor

Sedlakova-Kadukova Jana

• Pavol Jozef Šafárik University in Košice, Faculty of Science, Šrobárova St. 2, 041 80 Košice, Slovak Republic

Bibliografia

• 1. ANA ALONSO, Patrícia Sánchez and José L. Martínez, Ana ALONSO a Patricia SA, 2001. Environmental selection of antibiotic resistance genes. Environmental Microbiology. 2001, roč. 3, s. 1–9.
• 2. ANDERSSON, Dan I. a Diarmaid HUGHES, 2014. Microbiological effects of sublethal levels of antibiotics. Nature Reviews Microbiology [online]. 2014, roč. 12, č. 7, s. 465–478. ISSN 17401534. Dostupné na: doi:10.1038/nrmicro3270
• 3. BAKER-AUSTIN, Craig, Meredith S. WRIGHT, Ramunas STEPANAUSKAS a J. V. MCARTHUR, 2006. Co-selection of antibiotic and metal resistance. Trends in Microbiology [online]. 2006, roč. 14, č. 4, s. 176–182. ISSN 0966842X. Dostupné na: doi:10.1016/j.tim.2006.02.006
• 4. BERG, J., A. TOM-PETERSEN a Ole NYBROE, 2005. Copper amendment of agricultural soil selects for bacterial antibiotic resistance in the field. Letters in Applied Microbiology [online]. 2005, roč. 40, č. 2, s. 146–151. ISSN 02668254. Dostupné na: doi:10.1111/j.1472-765X.2004.01650.x
• 5. BERG, Jeanette, Maja K. THORSEN, Peter E. HOLM, John JENSEN, Ole NYBROE a Kristian K. BRANDT, 2010. Cu exposure under field conditions coselects for antibiotic resistance as determined by a novel cultivation-independent bacterial community tolerance assay. Environmental Science and Technology [online]. 2010, roč. 44, č. 22, s. 8724–8728. ISSN 0013936X. Dostupné na: doi:10.1021/es101798r
• 6. FASHOLA, Muibat Omotola, Veronica Mpode NGOLE-JEME a Olubukola Oluranti BABALOLA, 2016. Heavy metal pollution from gold mines: Environmental effects and bacterial strategies for resistance. International Journal of Environmental Research and Public Health [online]. 2016, roč. 13, č. 11. ISSN 16604601. Dostupné na: doi:10.3390/ijerph13111047
• 7. FOSTER, T.J., 1983. Plasmid-Determined Resistance to Antimicrobial Drugs and Toxic Metal Ions in Bacteria. Microbiology and molecular biology reviews [online]. 1983, roč. 47, č. 3, s. –409. ISSN 0146-0749. Dostupné na: doi:10.1016/s1473-3099(05)70243-7
• 8. GADD, Geoffrey Michael, 2010. Metals, minerals and microbes: Geomicrobiology and bioremediation. Microbiology [online]. 2010, roč. 156, č. 3, s. 609–643. ISSN 13500872. Dostupné na: doi:10.1099/mic.0.037143-0
• 9. GHOSH, Anjali, Amarika SINGH, P. W. RAMTEKE a V. P. SINGH, 2000. Characterization of large plasmids encoding resistance to toxic heavy metals in Salmonella abortus equi. Biochemical and Biophysical Research Communications [online]. 2000, roč. 272, č. 1, s. 6–11. ISSN 0006291X. Dostupné na: doi:10.1006/bbrc.2000.2727
• 10. HOBMAN, Jon L. a Lisa C. CROSSMAN, 2015. Bacterial antimicrobial metal ion resistance. Journal of Medical Microbiology [online]. 2015, roč. 64, č. 2014, s. 471–497. ISSN 00225. Dostupné na: doi:10.1099/jmm.0.023036-0
• 11. HÖLZEL, Christina S., Christa MÜLLER, Katrin S. HARMS, Sabine MIKOLAJEWSKI, Stefanie SCHÄFER, Karin SCHWAIGER a Johann BAUER, 2012. Heavy metals in liquid pig manure in light of bacterial antimicrobial resistance. Environmental Research [online]. 2012, roč. 113, s. 21–27. ISSN 00139351. Dostupné na: doi:10.1016/j.envres.2012.01.002
• 12. ISSAZADEH, Khosro, Nadiya JAHANPOUR, Fataneh POURGHORBANALI, Golnaz RAEISI a Kamileh FAEKHONDEH, 2013. Heavy metals resistance by bacterial strains. Annals of Biological Research. 2013, roč. 4, č. 2, s. 60–63. ISSN 0976-1233.
• 13. PIOTROWSKA-SEGET, Z., M. CYCOŃ a J. KOZDRÓJ, 2005. Metal-tolerant bacteria occurring in heavily polluted soil and mine spoil. Applied Soil Ecology [online]. 2005, roč. 28, č. 3, s. 237–246. ISSN 09291393. Dostupné na: doi:10.1016/j.apsoil.2004.08.001
• 14. RAJAPAKSHA, R. M C P, M. A. TOBOR-KAPŁON a E. BÅÅTH, 2004. Metal toxicity affects fungal and bacterial activities in soil differently. Applied and Environmental Microbiology [online]. 2004, roč. 70, č. 5, s. 2966–2973. ISSN 00992240. Dostupné na: doi:10.1128/AEM.70.5.2966-2973.2004
• 15. SAFARI SINEGANI, Ali Akbar a Nayereh YOUNESSI, 2017. Antibiotic resistance of bacteria isolated from heavy metal-polluted soils with different land uses. Journal of Global Antimicrobial Resistance [online]. 2017, roč. 10, s. 247–255. ISSN 22137173. Dostupné na: doi:10.1016/j.jgar.2017.05.012
• 16. SANDEGREN, Linus, Marius LINKEVICIUS, Birgitta LYTSY, Åsa MELHUS a Dan I. ANDERSSON, 2012. Transfer of an Escherichia coli ST131 multiresistance cassette has created a Klebsiella pneumoniae-specific plasmid associated with a major nosocomial outbreak. Journal of Antimicrobial Chemotherapy [online]. 2012, roč. 67, č. 1, s. 74–83. ISSN 03057453. Dostupné na: doi:10.1093/jac/dkr405
• 17. STEPANAUSKAS, Ramunas, Travis C. GLENN, Charles H. JAGOE, R. Cary TUCKFIELD, Angela H. LINDELL a J. V. MCARTHUR, 2005. Elevated microbial tolerance to metals and antibiotics in metal-contaminated industrial environments. Environmental Science and Technology [online]. 2005, roč. 39, č. 10, s. 3671–3678. ISSN 0013936X. Dostupné na: doi:10.1021/es048468f
• 18. STOKES, Hatch W. a Michael R. GILLINGS, 2011. Gene flow, mobile genetic elements and the recruitment of antibiotic resistance genes into Gram-negative pathogens. FEMS Microbiology Reviews [online]. 2011, roč. 35, č. 5, s. 790–819. ISSN 01686445. Dostupné na: doi:10.1111/j.1574-6976.2011.00273.x
• 19. SUZUKI, Satoru, Midori KIMURA, Tetsuro AGUSA a Habibur M. RAHMAN, 2012. Vanadium accelerates horizontal transfer of tet(M) gene from marine Photobacterium to Escherichia coli. FEMS Microbiology Letters [online]. 2012, roč. 336, č. 1, s. 52–56. ISSN 03781097. Dostupné na: doi:10.1111/j.1574-6968.2012.02653.x
• 20. TOMOVA, Iva, Margarita STOILOVA-DISHEVA, Irina LAZARKEVICH a Evgenia VASILEVA-TONKOVA, 2015. Antimicrobial activity and resistance to heavy metals and antibiotics of heterotrophic bacteria isolated from sediment and soil samples collected from two Antarctic islands. Frontiers in Life Science [online]. 2015, roč. 8, č. 4, s. 348–357. ISSN 21553777. Dostupné na: doi:10.1080/21553769.2015.1044130
• 21. ZHU, Yong-Guan, Timothy A. JOHNSON, Jian-Qiang SU, Min QIAO, Guang-Xia GUO, Robert D. STEDTFELD, Syed A. HASHSHAM a James M. TIEDJE, 2013. Diverse and abundant antibiotic resistance genes in Chinese swine farms. Proceedings of the National Academy of Sciences [online]. 2013, roč. 110, č. 9, s. 3435–3440. ISSN 0027-8424. Dostupné na: doi:10.1073/pnas.1222743110

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).