Impact of Fish Farming on Antibiotic Resistome and Mobile Elements in Baltic Sea Sediment

Antibiotic resistance has become a serious threat to the efficacy of antibiotics used in human and veterinary medicine. Understanding the abundance and prevalence of antibiotic resistance genes (ARGs) in the environmental resistome is important for maintaining the efficacy of antibiotics and predicting a risk of the ARGs spreading in the environment and moving into previously non-resistant bacteria, including human pathogens. Fish farms are an environmental reservoir of ARGs due to the treatment of fish with antibiotics that also are important for human medicine. The two main topics of this thesis are (1) determining the abundance and diversity of ARGs and mobile elements in sediments impacted by fish farming and (2) investigating the major source of ARGs in the farm sediments in the Northern Baltic Sea. In addition, correlations between ARGs and mobile elements were examined to estimate the potential risk of ARG mobilization in the environment. This study employed a high-throughput qPCR array, which permits quantifying hundreds of ARGs and genes associated with mobile elements in the environmental resistome in a single experiment. Fish farming impacts the composition of ARGs in sediments below fish farms in the Northern Baltic Sea. However, the impact is local and mostly limited to enrichment of ARGs associated with antibiotics used at the farms. In the current conditions, the risk of ARG spread from the farm sediments to the surrounding sediments is low in the Northern Baltic Sea. However, the enriched ARGs persist in the farm sediments during the 6-year observations even when the selection pressure of the antibiotics is negligible. Moreover, significant correlations between mobile elements and ARGs may imply the persistence of certain ARGs in the fish farming environments and their potential for mobilizing the ARGs to other bacteria including pathogens. The persistence of ARGs at the farm facilities is a threat to the efficacy of the antibiotics against fish diseases, potentially leading to fish production losses. We provide indirect evidence suggesting that certain ARGs are being constantly introduced by feces of the farmed fish into the sediments below the fish farms. Further studies could focus on investigating the development of ARGs in juvenile fish before they are introduced into the Baltic Sea open-cage farms. We conclude that a high throughput qPCR array is a powerful tool that provides unprecedented insights into the ARG composition in the environmental resistome associated with fish farming.

Bakteerien vastustuskyky antibiooteille eli antibioottiresistenssi uhkaa heikentää ihmisten ja eläinten lääkinnässä käytettävien antibioottien tehoa. Bakteerien vastustuskyky aiheutuu antibioottiresistenssigeeneistä, joita bakteerit kantavat perimässään. Antibioottiresistenssigeenien määrien seuraaminen on keskeistä antibioottien tehon säilyttämiseksi sekä riskien ymmärtämiseksi. Kalankasvattamoilla käytetään antibiootteja kalojen sairauksien hoitamiseksi, minkä seurauksena kasvattamoiden ympäristössä havaitaan resistenssigeenejä keskimääräistä enemmän. Tämän väitöskirjan kaksi aihetta ovat (1) antibioottiresistenssigeenien sekä liikkuvien geneettisten elementtien määrien ja monimuotoisuuden selvittäminen Itämerellä sijaitsevien kalankasvatuslaitosten pohjasedimenteissä sekä (2) resistenssigeenien alkuperän selvittäminen. Tutkimuksissa käytettiin uudenlaista qPCR-pohjaista analyysimenetelmää, joka mahdollistaa satojen resistenssigeenien ja liikkuvien geneettisten elementtien samanaikaisen mittaamisen näytteistä. Kalankasvatus vaikuttaa paikallisesti antibioottiresistenssigeenien määriin ja monimuotoisuuteen kalankasvattamoiden pohjasedimenteissä Itämerellä. Tulostemme perusteella resistenssigeenien leviäminen kasvattamoiden lähiympäristöön on melko vähäistä. Toisaalta resistenssigeenit säilyvät sedimenteissä kuuden vuoden seurantajakson ajan, vaikka antibioottien aiheuttama valintapaine on ollut heikko. Tämä on uhka kalankasvatuksessa käytettävien antibioottien teholle ja saattaa johtaa kasvaneisiin kustannuksiin tuotannon laskun vuoksi. Tutkimus antaa epäsuoraa näyttöä siitä, että tietyt resistenssigeenit saapuvat kasvattamoille kasvatettavan kalan ulosteen mukana. Jatkotutkimuksissa olisi syytä mitata nuorten kalojen kantamia antibioottiresistenssigeenejä ennen kalojen saapumista kasvattamoille.

ei saavutettava