The potential use of biofilm as a passive sampler of emerging contaminants and antibiotic resistance genes

Abstract

Resumo: A poluição química, causada pelo desenvolvimento da agricultura, indústria, tecnologia e o crescimento da população, afeta profundamente os recursos hídricos, como rios e lagos próximos a centros urbanos. A alta densidade populacional e problemas na coleta e tratamento de efluentes podem causar a contaminação de rios urbanos por grandes quantidades de matéria orgânica, nutrientes e poluentes, como contaminantes emergentes. Contaminantes emergentes fármacos, produtos de cuidado pessoal, plastificantes, hormônios, filtros UV, retardantes de chama, entre outros. Esses compostos podem causar alterações importantes no meio ambiente e nos organismos aquáticos. Além disso, baixas concentrações de fármacos como antibióticos podem causar o aumento e a propagação da resistência a antibióticos no meio ambiente. Por causa dos riscos crescentes, o monitoramento ambiental é de fundamental importância para conscientização e identificação de áreas frágeis e recursos hídricos degradados. O monitoramento de contaminantes emergentes é comum em países desenvolvidos, mas em outros, como em países da América Latina, faltam informações e normalmente apenas áreas próximas a capitais e grandes centros urbanos possuem dados sobre a presença de contaminantes emergentes no meio ambiente. As ferramentas de monitoramento mais frequentemente utilizadas são as análises de amostras ambientais como água e sedimento. No entanto, outras opções, como o biofilme, podem trazer melhores resultados e respostas à constante entrada de poluentes no meio ambiente. Para a parte experimental desta pesquisa, biofilme, água e sedimento coletados de dois diferentes ecossistemas (temperado - sudoeste da Alemanha e subtropical - Sul do Brasil) foram analisados para a detecção e quantificação de plastificantes, alquilfenóis, fármacos, filtros UV e genes de resistência à antibióticos. Um amostrador e uma metodologia para a coleta de biofilme foram propostos e testados. Os resultados mostraram que a coleta de biofilme foi bem-sucedida nas duas áreas estudadas, apesar de condições extremas como baixas temperaturas e eventos de precipitação intensa, que poderiam ter afetado o crescimento do biofilme ou causado o desprendimento do biofilme do amostrador. Quanto a análise de resistência a antibióticos, grandes concentrações de genes de resistência a antibióticos foram encontradas no biofilme, indicando que este meio pode ser uma fonte de resistência a antibióticos no meio ambiente. No entanto, a presença de genes de resistência a antibióticos na água foi mais suscetível a mudanças na qualidade da água e parâmetros que mudavam sazonalmente. O biofilme também mostrou uma forte capacidade de absorver e reter vários poluentes. As concentrações no biofilme alcançaram 2700 µg kg-1 de DEHP, 300 µg kg-1 de bisfenol A e 586 µg kg-1 de octocrileno, enquanto que as concentrações foram menores nas amostras de água e sedimento. Os resultados são preocupantes, uma vez que o biofilme é importante para o meio ambiente e está na base da cadeia alimentar. Isso poderia causar a contaminação de outras espécies, como microinvertebrados e peixes. Nossa conclusão é de que o biofilme é uma importante ferramenta para o monitoramento ambiental, e deveria ser utilizada em conjunto a praticas tradicionais, como a análise de amostras de água e sedimento.

Abstract: Chemical pollution, caused by the development of agriculture, industry, technology and population growth, deeply affects water resources, such as rivers and lakes, mainly near urban centers. High population density and frequent problems in sewage collection and treatment systems can imply in a great load of substances entering urban rivers, such as organic matter, nutrients and a wide variety of pollutants, like emerging contaminants. Examples of emerging contaminants are pharmaceuticals, personal care products, plasticizers, hormones, UV filters, flame-retardants, and others. These compounds can cause important alterations in the environment and in the biota, including reproductive problems, mortality and antibiotic resistance. Due to the increasing risks and concerns, environmental monitoring is very important to raise awareness and identify fragile and degraded areas and water bodies. The monitoring of emerging contaminants is usual in developed countries, but in others, such as in countries from Latin America, there is a lack of information and usually only areas near capitals and big urban centers have data about emerging contaminants pollution in the environment. The countries with more information available are Brazil and Mexico. The usual monitoring tools are the sampling and analysis of water and sediment samples. However, other options, such as biofilm, could bring better results and responses to the constant input of pollutants in the environment. For the experimental part of this research, biofilm, water and sediment samples from two different ecosystems (temperate - southern Germany and subtropical - southern Brazil) were collected and a variety of pollutants was analyzed, such as plasticizers, alkylphenols, pharmaceuticals, UV filters, and antibiotic resistance. A methodology for biofilm sampling and collection, using an artificial sampler, was proposed and tested. The results show that biofilm sampling was successful in both areas, despite low temperatures and intense rain events that could harm biofilm growth or cause biofilm detachment from the samplers. Regarding antibiotic resistance, high abundances of antibiotic resistance genes were found in biofilm, indicating biofilm could act as a sink of antibiotic resistance in the environment. However, the presence of antibiotic resistance genes in water samplers was more influenced by water quality and seasonal parameters. Biofilm also had a very strong capacity of absorbing and retaining several pollutants. The concentrations in biofilm reached 2700 µg kg-1 of DEHP, 300 µg kg-1 of bisphenol A and 586 µg kg-1 of octocrylene, while water and sediment samples presented lower concentrations, indicating bioaccumulation of these pollutants in biofilm. The high concentrations found in biofilm is worrisome, since it is an important matrix for the environment and the food web. This could cause the contamination of other species, such as microinvertebrates and fishes. Our employed for environmental monitoring, together with more traditional practices, such as water and sediment analysis.