Fate and impact of antibiotics and pesticides used in marine aquaculture: An emergent threat to the coastal ocean = Destino e impacto de antibióticos y pesticidas utilizados en acuicultura marina: potencial amenaza para el océano costero.

Abstract

Chile, as the second largest salmon farming country in the world, reports the highest use of antibiotics and pesticides, which can be harmful to both the environment and humans. These compounds tend to be sequestered by suspended particles, transported by currents and finally deposited in sediments, where they are later consumed by the benthic community. Changes in the bacterial community, emergence of resistance genes and impacts at the ecological level have been described for antibiotics and pesticides, although most focus on the local impact of salmon farming. This study sought to understand the dynamics and fate of antibiotics throughout the Puyuhaupi Fjord and to understand the partitioning behavior of the antibiotics florfenicol and flumequine through adsorption experiments that simulate the average temperature of the fjord. In addition, the occurrence of deltamethrin and cypermethrin in total suspended solids and filtering benthic organisms (bivalves and sponges) in the Puyuhuapi Fjord was evaluated. Finally, an experiment of respiration in the water column and marine sediments obtained in an area without aquaculture activity (Banyuls Bay, France) was developed to evaluate if the presence of antibiotics and pesticides can affect the degradation process of organic material, through changes in community respiration and remineralized components. Our results show low concentrations of florfenicol (from trace to 23.1 ng L-1 ) and flumequine (trace level) detected after 180 and 360 days (respectively) since their last medication at a distance between 2 and 23 km from the culture sites. The fugacity model used in our study area, together with the decay model, predicts that flumequine can remain in sediments for more than two months at sub-minimum inhibition concentrations (sub-MIC). This condition may promote bacterial selection for antibiotic resistance and eventually pose a risk to human health from the consumption of seafood products. The values of the partition constants Kd and KOC, obtained by bacth experiments, suggest that the adsorption capacity of flumequine is twice that of florfenicol (Table 2, section 3.2), implying that flumequine has a greater tendency to be adsorbed and absorbed by sediments. From an environmental point of view, our results may imply that the fate of flumequine will be related to processes affecting particles, suspension transport and seafloor deposition, whereas florfenicol concentration be controlled by hydrodynamic processes such as dilution and transport by currents. In turn, a higher fraction of flumequine may be stored in the sediments in coastal areas housing salmon farming centers.

Chile, como segundo país con mayor producción en el cultivo de salmones a nivel mundial, reporta el mayor uso de antibióticos y pesticidas, lo que puede ser perjudicial tanto para el medioambiente como para el hombre. Estos compuestos tienden a ser secuestrados por las partículas suspendidas, transportados por las corrientes y, finalmente son depositadas en los sedimentos, donde eventualmente son consumidos por la comunidad bentónica. Cambios en la comunidad bacteriana, aparición de genes de resistencia e impactos a nivel ecológico han sido descritos para antibióticos y pesticidas, aunque la mayoría se enfocan en el impacto local de la actividad salmonera. Este estudio buscó entender la dinámica y el destino de los antibióticos en todo el fiordo Puyuhaupi y conocer el comportamiento particional de los antibióticos florfenicol y flumequina a través de experimentos de adsorción que simular la temperatura promedio de fiordo. Junto con esto se buscó evaluar la ocurrencia de deltametrina y cipermetrina en los sólidos totales suspendidos y los organismos bentónicos filtradores (bivalvos y esponjas) en el fiordo Puyuhuapi. Finalmente se desarrolló un experimento de respiración en columna de agua y sedimentos marinos obtenidos, una zona sin actividad acuícola (bahía Banyuls, Francia), para evaluar si la presencia de antibióticos y pesticidas pueden afectar el proceso de degradación del material orgánico, a través de cambios en respiración comunitaria y en las componentes remineralizadas. Nuestros resultados muestran bajas concentraciones florfenicol (desde traza a 23.1 ng L-1 ) y flumequina (nivel traza) detectados después de 180 y 360 días (respectivamente) desde su la última medicación a una distancia de entre 2 y 23 km de los centros de cultivo. El modelo de fugacidad utilizado en nuestra área de estudio, junto con el modelo de decaimiento, predicen que flumequina puede permanecer en los sedimentos más de dos meses a concentraciones de inhibición sub-Mínima (sub-MIC). Esta condición puedo promover la selección bacteriana por resistencia a los antibióticos y, eventualmente representar un riesgo para la salud humana por el consumo de productos marinos. Los valores de constantes de partición Kd y KOC, obtenidos experimentalmente en nuestro estudio, sugieren que la capacidad de adsorción de flumequina es dos veces mayor que la de florfenicol (Tabla 2, sección 3.2), lo que implica que flumequina tiene una mayor tendencia a ser adsorbido por los sedimentos. Desde el punto de vista ambiental, nuestros resultados pueden implicar que el destino de la flumequina estará más asociado a procesos como el transporte de partículas y la deposición en el fondo marino, mientras que el florfenicol debería estar más relacionado con procesos acuáticos como la dispersión y el transporte por las corrientes, lo que sugiere que, eventualmente, una mayor fracción de flumequina puede quedar almacenada en los sedimentos en la zona con centros de cultivo de salmones. Los pesticidas deltametrina y cipermetrina se incorporaron a través de baños para controlar brotes de infección por caligus (Caligus rogercresseyi). Concentraciones muy bajas de deltametrina se detectaron en los sólidos totales suspendidos (0.01 a 0.05 ng L-1 ), cuyo valor no tendría un efecto sobre los organismos (NOEC, LC50 y EC50) o a nivel ecológico (NOEAEC), los que pueden provenir de la resuspensión de sedimentos o por aporte externo de áreas adyacentes con centros de cultivo activos. A pesar de no ser utilizada cipermetrina en fiordo Puyuhuapi, bajas concentraciones se detectaron en bivalvos y esponjas (0.04 y 0.05 ng g-1 , respectivamente) valores comparables a salmones silvestres capturados para consumo humano (0.04 ng g-1 ). Estos resultados sugieren una exposición indirecta del compuesto puede estar asociado al ingreso externo desde fiordos adyacentes o bien tratamientos no reportados, debido a que cipermetrina puede permanecer más de dos años en sedimentos con alto material orgánico y bajo contenido de oxígeno. Resultados preliminares de los experimentos respiración comunitaria sugieren disminución en la actividad y/o cambios en la componente biológica, especialmente en la comunidad bacteriana, dado que se observan algunas diferencias en parámetros como carbono orgánico disuelto, amonio y los nutrientes. Sin embargo, los posibles cambios en la diversidad bacteriana no has sido analizados debido a las condiciones de pandemia. En futuras investigaciones es necesario incluir en el estudio los fiordos y canales adyacentes a nuestra área de estudio, con a sin actividad acuícola, lo que permitirá a las autoridades evaluar de mejor manera los descansos sanitarios considerando la interconexión barrios de cultivo. También se sugiere utilizar tanto esponjas como bivalvos para evaluar el estado de una zona con actividad acuícola o adyacente a ella. Por otro lado, es necesario realizar modificaciones al modelo de fugacidad utilizado en nuestro estudio, incorporando la presencia de al menos dos capas en la columna de agua.