Caractérisation de la diversité des gènes de résistance à des antibiotiques dans les microbiotes de différents écosystèmes environnementaux

Characterization of antibiotic resistance genes in microbiomes from different ecosystems

• Auteur / Autrice : Concepcion Sanchez-Cid Torres
• Direction : Timothy Vogel, Laurence Delaurière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie du vivant
• Date : Soutenance le 30/03/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Graeme W. Nicol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Timothy Vogel, Michael Gillings, Elizabeth M. H. Wellington, Sabine Favre-Bonté, Kornelia Smalla
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Gillings, Elizabeth M. H. Wellington

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets des médicaments

Écologie des sols

Rhône (cours d'eau)

Écologie des cours d'eau

Microorganismes -- Effets des médicaments

Résistance aux antibiotiques

Mots clés libres

Gènes de résistance aux antibiotiques

Résistome environnemental

Développement de résistances

Concentrations sous-inhibitrices

Concentrations inhibitrices

Métagénomique

QPCR/RT-qPCR

Pollution anthropique

Antibiotic resistance genes

Environmental resistome

Anthropogenic pollution

Resistance development

Sub-inhibitory concentrations

Inhibitory concentrations

Metagenomics

QPCR/RT-qPCR

Résumé

Au cours du XXème siècle, l'antibiothérapie a considérablement réduit la mortalité causée par les bactéries pathogènes. Cependant, au cours des dernières décennies, la communauté humaine est continuellement confrontée à de nouveaux cas cliniques de résistance aux antibiotiques, ce qui peut entraîner l’échec de l'antibiothérapie. Les antibiotiques sont utilisés dans le monde entier non seulement pour traiter les maladies causées par des agents pathogènes humains, mais aussi à des fins thérapeutiques et de stimulation de la croissance dans les fermes, l’aquaculture et l’agriculture. En raison des activités anthropiques, des concentrations résiduelles d'antibiotiques, des gènes de résistance aux antibiotiques et des bactéries résistantes aux antibiotiques atteignent l'environnement. Cela peut entraîner le développement et la sélection de résistance aux antibiotiques dans l’environnement et la dissémination de ces résistances aux microbiomes animaux et humains. Néanmoins, l’amplitude de ce phénomène reste inconnue. L’objectif de cette thèse était d'évaluer la réponse du microbiome et du résistome environnementaux à la pollution chimique par des antibiotiques, ainsi qu'à la pollution biologique causée par les activités humaines. Deux études utilisant des microcosmes ont été menées pour évaluer les effets de la pollution par des antibiotiques sur le microbiome et le résistome d'un sol agricole et de l'eau du Rhône en utilisant une combinaison des cultures et d’approches métagénomiques/qPCR. Les concentrations sous-inhibitrices et inhibitrices de gentamicine pour les bactéries du sol et de l'eau enrichies en milieu de culture ont été déterminées en évaluant la croissance bactérienne. Les microcosmes du sol ont été pollués avec une gamme de concentrations inhibitrices de gentamicine, tandis que les microcosmes de l'eau ont été pollués avec deux concentrations sous-inhibitrices et une concentration inhibitrice, afin d'établir des liens entre la dose de gentamicine et l'ampleur de la réponse dans le microbiome et le résistome environnementaux à différents temps d'exposition. Ces deux études illustrent comment les effets du même antibiotique sur différents environnements sont fortement dépendants des facteurs environnementaux et des propriétés physico-chimiques. Ces résultats supportent la crainte que les concentrations sous-inhibitrices d'antibiotiques puissent sélectionner des résistances dans l'environnement. De plus, cette recherche souligne les limites des termes «sous-inhibiteur» et «inhibiteur» dans des environnements complexes et l'importance d’effectuer des études en utilisant des microcosmes et des études de terrain afin d’évaluer les effets de la pollution par des antibiotiques sur le résistome environnemental. Pour terminer, une étude de terrain a été menée sur des échantillons de neige obtenus des Sudety Mountains (Pologne) soumis à différentes expositions aux activités humaines et à différentes quantités de végétation autour, afin d'évaluer l'impact de facteurs anthropiques et environnementaux sur le microbiome et le résistome de la neige en utilisant une approche métagénomique / qPCR. Cette recherche fournit des éléments qui supportent l'hypothèse selon laquelle des facteurs environnementaux et anthropiques induisent des changements dans le microbiome et le résistome de la neige en fournissant aux communautés bactériennes des niveaux plus élevés de carbone organique et d'autres nutriments. Cela favoriserait la croissance d'une communauté bactérienne plus abondante, qui à son tour augmenterait l'abondance des gènes de résistance aux antibiotiques qui pourraient ensuite être disséminée dans l'atmosphère ou à travers la fonte des neiges. Cette recherche surligne la nécessité de faire des études sur le développement de la résistance aux antibiotiques dans des environnements pollués par les activités humaines et la prise en compte des sources organiques de pollution en plus des polluants biologiques.

During the 20th century, antibiotic therapy has drastically reduced the mortality caused by bacterial pathogens. However, during the last few decades, the human community is continuously facing new cases of antibiotic resistance in clinics, which may result in antibiotic therapy failure. Antibiotics and antibiotic resistance predate the discovery of antibiotics by thousands of years. However, the industrialization and extensive use of antibiotics in humans and animals has imposed a selective pressure without precedents on bacterial communities, accelerating the development of antibiotic resistance at a global scale. Antibiotics are used worldwide not only to treat diseases caused by human pathogens, but also with therapeutic and growth promotion purposes in farms, aquacultures and crops. As a consequence of anthropogenic activities, residual concentrations of antibiotics, antibiotic resistance genes (ARG) and antibiotic resistant bacteria (ARB) may reach the environment. This may result in the development and selection of antibiotic resistance in environmental settings and the dissemination of ARB and ARG from the environment to animal and human microbiomes. Nonetheless, the scope of this phenomenon remains unclear. The goal of this thesis was to evaluate the response of the environmental microbiome and resistome to chemical pollution with antibiotics, as well as to biological pollution caused by anthropogenic activities. Two microcosm studies were carried out to evaluate the effects of antibiotic pollution on the microbiome and resistome of an agricultural soil and of water from the Rhône river using a combination of culture-based and metagenomics/qPCR approaches. Gentamicin sub-inhibitory and inhibitory concentrations in soil and water bacteria enriched in culture media were determined by evaluating bacterial growth. Soil microcosms were polluted with a range of inhibitory concentrations of gentamicin, whereas water microcosms were polluted with two sub-inhibitory concentrations and an inhibitory concentration, in order to establish links between gentamicin dose and the magnitude of the response in the environmental microbiome and resistome at different exposure times. These two studies illustrate how the effects of the same antibiotic on different environments are strongly dependent of environmental factors and physicochemical properties. Our findings support the concern that sub-inhibitory concentrations of antibiotics may select for resistance in the environment. In addition, this research underlines the limitations of the terms “sub-inhibitory” and “inhibitory” in complex environments and the importance of microcosm and field studies for the evaluation of the effects of antibiotic pollution on the environmental resistome. Finally, a field study was carried out in snow samples from the Sudety Mountains (Poland) with a range of exposure to human activities and surrounding vegetation in order to evaluate the impact of both anthropogenic and environmental factors on the snow microbiome and resistome using a metagenomics and qPCR approach. This research supports the hypothesis that both environmental and anthropogenic factors impact snow ecology and induce changes in the snow microbiome and antibiotic resistome by providing bacterial communities with higher levels of organic carbon and other nutrients. This would support the growth of a more abundant bacterial community, which in turn increases the abundance of the antibiotic resistome and could stimulate competition and ARG proliferation in snow. This organic pollution could stimulate the development of antibiotic resistance in the snow microbiome that might be subsequently disseminated through the atmosphere or snow melting. The research carried out in this study highlights the need for survey of antibiotic resistance development in anthropogenic polluted sites and the consideration of organic sources of pollution in addition to biological pollutants (ARB and ARG).