Sulfonamide accumulation and effects on herbaceous and woody plants and microorganisms

One of the main routes through which pharmaceuticals may enter the environment consists in the medication of livestock. In fact, in Europe the annual national sales of active substance for veterinary consumption reach hundreds of tons. After medication, up to 90% of the administered medicine dose may be excreted unaltered and, following the use of manure as fertilizer, soils and waters are contaminated. The present work focuses on the effects and eventual accumulation on woody and herbaceous plants of sulfonamides, a group of antimicrobial agents (from now on called antibiotics) frequently detected in agricultural ecosystems, whose persistence poses a serious risk to soil and water living organisms. The thesis consists of 7 chapters, presenting, in the first one, a general introduction on the antibiotic presence in the environment and its consequences on the growth and development of exposed living organisms. Subsequently, from chapter 2 to chapter 6, various experimental trials are presented, some of them carried out under laboratory conditions and others in greenhouse. More specifically, chapter 2 reports the first study performed, which deals with Salix fragilis L. plant response and the accumulation of sulfadimethoxine antibiotic, added in the nutrient solution at doses ranging from 155 to 620 mg l-1. Such a study highlights the potential of this woody species to absorb and accumulate the active molecule at the level of root apparatus. Chapter 3 retraces the experimental design of chapter 2, with the difference that Salix fragilis L. plants were exposed to environmental relevant sulfadimethoxine doses, from 0.01 up 10 mg l-1. The trial had demonstrated that no adverse effects on the growth of willow plants appeared up to 1 mg l-1 of antibiotic. Conversely, increasing levels of the antibiotic caused important alterations of the willow root architecture. Chapters 4 and 5 consider, respectively, the effects and accumulation of a different sulfonamide on Salix fragilis L. and Zea mays L. plants, grown in a soil spiked with 10 and 200 mg kg-1 of sulfadiazine. Moreover, its impact on the composition of root associated soil microbial community and on the activities of selected enzymes was analyzed. The last study, presented in chapter 6, focuses on alterations induced by about 10 mg l-1 of sulfadimethoxine and sulfamethazine on Hordeum vulgare L. root structure and function. This chapter highlights the strong effects of the antibiotics, not only on the root apparatus morphology, but also on the membrane integrity of root cells. To conclude (chapter 7), it is highlighted that Salix fragilis L. seems to better accumulate and withstand the active molecules tested than Zea mays L. and Hordeum vulgare L., while the herbaceous species are more vulnerable to this kind of pollutant exposure and, therefore, not recommended for eventual remediation purposes. Furthermore, chapter 7 notes the adverse consequences on the functional and structural diversity of the soil microbial community.

Una delle vie principali attraverso cui i farmaci possono entrare nell'ambiente consiste nell’ampio uso che se ne fa in zootecnia. Infatti, in Europa questi principi attivi sono venduti nell’ordine di centinaia di tonnellate annue per singola nazione, per il solo utilizzo in ambito veterinario. In seguito alla somministrazione, fino al 90% della dose utilizzata di farmaco può essere escreta inalterata e, in seguito all'utilizzo del letame come ammendante organico, suolo e acque possono risultare contaminate. Il presente studio si concentra sugli effetti e sull’accumulo in piante legnose ed erbacee di sulfamidici, un gruppo di agenti antimicrobici (d'ora in poi chiamati antibiotici) frequentemente rilevati negli ecosistemi agrari, la cui persistenza rappresenta un serio rischio per gli organismi viventi ad essi connessi. La tesi è articolata in 7 capitoli. Nella prima parte (capitolo 1) è descritta la situazione generale relativa alla presenza di antibiotici negli ambienti agrari e al loro impatto sulla crescita e lo sviluppo di organismi viventi ad essi esposti. Successivamente, dal capitolo 2 al capitolo 6, sono presentate varie prove sperimentali, alcune effettuate in laboratorio ed altre in serra. In particolare, il capitolo 2 si occupa della risposta di piante di Salix fragilis L. all’antibiotico sulfadimetossina, aggiunto alla soluzione nutritiva in concentrazioni da 155 a 620 mg l-1, nonché del potenziale accumulo nei tessuti vegetali. Lo studio mostra la tendenza di questa specie legnosa di assorbire e accumulare la molecola attiva a livello di apparato radicale. Il capitolo 3 ripercorre il disegno sperimentale adottato nella prova descritta nel capitolo 2, con la differenza che, in questo caso, le piante di Salix fragilis L. sono state esposte a dosi di sulfadimetossina che approssimano quelle registrate in alcuni ambientali agrari, ovvero da 0.01 a 10 mg l-1. Lo studio ha mostrato che non appaiono effetti negativi sulla crescita delle piante di salice fino alla dose di 1 mg l-1. Tuttavia, aumentando il livello del principio attivo sono state evidenziate delle importanti alterazioni sull’architettura radicale. I capitoli 4 e 5 considerano, rispettivamente, gli effetti e l'accumulo di un altro sulfamidico in piante di Salix fragilis L. e Zea mays L., coltivate in un terreno arricchito con 10 mg e 200 kg-1 di sulfadiazina e il suo impatto sulle comunità microbiche e sulle attività enzimatiche associate al suolo e alla radice delle due specie vegetali. L'ultimo studio, presentato nel capitolo 6, si concentra sugli effetti indotti da circa 10 mg l-1 di sulfadimetossina e sulfametazina sulla struttura e sulla funzionalità di radici di Hordeum vulgare L. I risultati provano che i sulfamidici causano importanti effetti sulla morfologia dell'apparato radicale e sull’integrità delle membrane delle cellule radicali. Concludendo, si è evidenziato (capitolo 7) che il Salix fragilis L. accumula e tollera meglio di Zea mays L. e Hordeum vulgare L. le molecole attive testate, mentre le specie erbacee sembrano essere più vulnerabili a questi inquinanti, di cui ne viene sconsigliato l’eventuale utilizzo nel campo del fitorimedio. Inoltre, in capitolo 7 rimarca le conseguenze negative sulla diversità funzionale e strutturale delle comunità microbiche del suolo.