Des effets cocktail d’antibiotiques sur le cycle de l’azote dans les sols



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Article dans Environmental Chemistry Letters

Mise en évidence d’effets cocktail d’antibiotiques sur le cycle de l’azote dans les sols

Céline Roose-Amsaleg et Anniet Laverman (CNRS, Université de Rennes 1, ECOBIO) s’intéressent à l’effet des antibiotiques sur les bactéries environnementales qui réalisent des services écosystémiques comme le recyclage de l’azote. Avec leurs collègues des UMR ECOSYS et METIS, elles viennent de publier un article dans la revue Environmental Chemistry Letters (numéro daté du 8 octobre 2020) sur les effets cocktails des antibiotiques dans les sols.

Sous le terme d’effet cocktail, est décrit l’effet conjoint de plusieurs molécules c’est-à-dire l’effet d’un mélange. Cet effet peut s’avérer différent de l’effet additionné des différentes molécules seules (additivité) en étant soit amplifié (synergie) soit diminué (antagoniste). Or jusqu’à présent les effets des antibiotiques ont surtout été observés molécule par molécule. Cependant, l’extrême diversité de molécules antibiotiques détectées dans tous les environnements a incité ces chercheuses à tester des mélanges d’antibiotiques.

Une autre originalité de l’approche réside dans le fait que l’impact de l’antibiotique a été recherché sur une activité microbienne essentielle du sol : la dénitrification. Cette respiration anaérobie permet la réduction du nitrate, trop souvent en excès dans les milieux naturels, en composés gazeux : N2 et N2O (Figure 1).

 

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Figure 1
 : Résumé graphique de l’étude


Ainsi, quatre antibiotiques parmi les plus rencontrés dans les sols (tétracycline, ofloxacine, sulfamethoxazole, tylosine) ont été appliqués à des solutions de sol enrichies en bactéries dénitrifiantes. C’est la réaction de réduction d’oxyde nitreux en diazote, dernière étape de la dénitrification qui a été ciblée. En effet, si elle est réalisée, elle contribue au retour à l’atmosphère de l’azote ; si elle ne l’est pas, à des émissions d’oxyde nitreux, un puissant gaz à effet de serre. Les enrichissements de sol été exposés soit à un mélange de 3 antibiotiques soit aux antibiotiques seuls. Deux niveaux d’observations ont été effectués : au niveau de la capacité à réduire l’oxyde nitreux et des gènes codant pour l’enzyme réduisant l’oxyde nitreux (quantifications d’abondances gènes nosZ).

Ont été déterminées des concentrations minimales inhibitrices des enrichissements (CMI-E) ainsi que des concentrations effectives à 50% (CE50-exp) expérimentales et modélisées dans le cas où il n’y aurait pas d’effet cocktail soit juste une additivité des effets (CE50-A).

Ces auteurs ont pu confirmer leur hypothèse selon laquelle un mélange d’antibiotiques avait un effet synergique sur la capacité à réduire l’oxyde nitreux. La tétracycline était le seul antibiotique testé seul qui entrainait une inhibition de la capacité à réduire l’oxyde nitreux (CMI-E de 64 mg/L). En revanche, pour tous les mélanges testés, l’inhibition observée surpassait toujours celle estimée en cas d’additivité des effets (CE50-exp < CE50-A).

Ce résultat majeur est illustré en Figure 2 où de plus faibles concentrations en antibiotiques sont nécessaires en mélange (42 mg/L de tetracycline, 7,7 mg/L de sulfamethoxazole et 37,4 mg/L d’ofloxacine) pour inhibiber la capacité à dénitrifier. En effet, la sulfamethoxazole et l’ofloxacine n’avait pas montré d’inhibition quand appliquée individuellement et ce jusqu’à 128 mg/L.

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Figure 2
 :Capacité de dénitrification des enrichissements de sol (ronds vides), observée à la fin du bio-essai, en présence d’un seul antibiotique (A, tetracycline, B, sulfamethoxazole and C, ofloxacine) ou du mélande correspondant (D). Les courbes doses-réponses, les CMI-E et les EC50-exp sont représentées quand ils ont pu être calculés.

 

Afin d’aller plus loin, ces auteurs ont observé si cette inhibition était due à une diminution du nombre de micro-organismes. Ainsi, le nombre de micro-organismes a été estimé en comptant le nombre de gènes codant pour l’enzyme réalisant la réduction de l’oxyde nitreux (N2O). Ces gènes sont de deux types : nosZ I et nosZ II. La distinction en deux types repose sur le fait que les nosZ I sont dans la plupart des cas des dénitrifiants complets c’est-à-dire qui produisent et réduisent le N2O alors que les nosZ II sont généralement uniquement des réducteurs de N2O.

Les micro-organismes dénitrifiants portant le gène nosZ I n’ont pas été affectés (107-108 copies/ng ADN) par les applications d’antibiotique même en mélange au contraire de ceux portant le gène nosZ II. De plus, ceux portant le gène nosZ II ont vu leur nombre diminué à des concentrations en antibiotiques inférieures à celles montrant un effet sur l’activité (Figure 3).



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Figure 3 :
Nombre de copies des gènes nosZ clade I (barres blanches) et clade II (barres grises) (moyenne +/- écart-type, n=6) à la fin du bioessai d’expostion des enrichissements dénitrifiants soit à un antibiotique seul (A tetracycline, B sulfamethoxazole, C ofloxacine) ou à son mélange (D)

 

 

Cette étude apporte un nouvel éclairage sur les effets écotoxicologiques des antibiotiques en mélange sur les communautés dénitrifiantes du sol, des acteurs clés de cycle de l’azote. Des effets inhibiteurs importants ont été observés en mélange alors que les molécules simples n’en montraient pas ou en montraient de plus légers. Les micro-organismes reduisant le N2O de type II ont montré une plus grande sensibilité aux antibiotiques en mélange ou non ; ceci pouvant avoir des conséquences néfastes sur la capacité de puits des sols concernant le N2O.



Référence
Roose-Amsaleg, C., David, V., Alliot, F. et al. Synergetic effect of antibiotic mixtures on soil bacterial N2O-reducing communities. Environ Chem Lett (2020)





Contact OSUR
Céline Amsaleg (CNRS, ECOBIO) / @
Alain-Hervé Le Gall (OSUR multiCOM) / @