DCA Nationalt Center for Jordbrug og Fødevarer 23. maj 2017

Transkript

1 DCA Nationalt Center for Jordbrug og Fødevarer 23. maj 2017 Risiko for udvikling og udbredelse af antibiotikaresistens i miljøet og landbrugsjordens økosystemfunktion Bent T. Christensen og Lars Elsgaard, Aarhus Universitet, Institut for Agroøkologi, Foulum Baggrund Hovedparten af det kobber (Cu) og zink (Zn), som produktionsdyr indtager med foderet, udskilles med husdyrgødningen og transporteres efter opbevaring til jorden, når gødningen udbringes på marken. Mængden af Cu og Zn, der tilføres med husdyrgødning, overstiger afgrødernes behov for disse elementer. Da elementerne i langt overvejende grad tilbageholdes i jorden sker der derfor over tid en akkumulering af Cu og Zn i dyrket jord, specielt på ejendomme med intensiv svineproduktion. Akkumulering af kobber og zink kan betragtes som en irreversibel forringelse af jordens kvalitet, idet høje niveauer af disse elementer udgør en økotoksikologisk trussel mod jordlevende organismer og den fødekæde, som de danner grundlag for. Det er desuden vist, at tilsætning af høje koncentrationer af Cu og Zn salte til jord kan fremme forekomsten af antibiotika resistens (AR) gener i jordens mikroorganismer. Jordens økosystemfunktion Danmarks Miljøundersøgelser publicerede i 1996 en monitering af Cu og Zn indholdet i jord (0-25 cm) med udgangspunkt i det danske Kvadratnet (Larsen et al., 1996). Resultatet af 393 prøver (indsamlet i 1992/93) viste en median koncentration på 7 mg Cu kg -1 og 26,8 mg Zn kg -1. Senere publicerede undersøgelser (Gräber et al., 2005) viste en stigning i Cu indholdet fra 1986 (median: 8,1 mg kg -1 ) til 1998 (median: 9,5 mg kg -1 ) i dyrket jord tilført svinegylle (n = 47); for dyrket jord tilført handelsgødning (n = 11) var stigningen mindre (fra median 6,6 til 7,5 mg kg -1 ) og ikke statistisk sikker. I samme undersøgelse var median koncentrationen for Zn uforandret i perioden fra 1986 til 1998 med niveauer på mg Zn kg -1 i jord tilført svinegylle (n = 47) og niveauer på mg Zn kg -1 i jord tilført handelsgødning (n = 11). Målinger fra 2014 i dyrket jord fra Kvadratnettet (n = 70) viste median koncentrationer på 11,6 mg Cu kg -1 og 50,1 mg Zn kg -1 (Bak et al., 2015). Udviklingen i median koncentrationerne i overjorden fra de nævnte studier er vist i Figur 1. Der er i undersøgelserne generelt fundet en sammenhæng mellem landbrugsdrift og udviklingen i jordens Cu og Zn indhold. Jord på bedrifter med tildeling af svinegylle har generelt et højere indhold af Cu og Zn end jord på bedrifter med anvendelse af handelsgødning. 1

2 Total Cu (mg/kg) Total Zn (mg/kg) Cu Zn Year Year Figur 1. Data for median koncentrationer af Cu og Zn i jordprøver udtaget fra det danske Kvadratnet i 1986 (Gräber et al., 2005), 1992/93 (Larsen et al., 1996; Bak et al., 1997), 1998 (Gräber et al., 2005) og 2014 (Bak et al., 2015; Jensen et al., 2016). Resultater for prøver indsamlet i 1986 og 1998 er rapporteret separat for bedrifter med tildeling af handelsgødning (hvide cirkler) og svinegylle (grå cirkler). Stiplede linjer viser de årlige stigningstakter på 0,16 mg Cu kg -1 og 0,96 mg Zn kg -1, som er rapporteret af Jensen et al. (2016) på baggrund af data fra 1998 og Stigende Cu og Zn indhold i jord er et potentielt miljømæssigt problem, idet Cu og Zn kan have en skadelig effekt på plantevækst og jordens fauna og mikroorganismer, når koncentrationen overstiger en vis tærskelværdi (fx Broos et al., 2005; Naveed et al., 2014). Tungmetaller, herunder Cu og Zn, kan hæmme både cellulære mikrobielle processer og ekstracellulære enzymatiske reaktioner knyttet til mineralisering af næringsstoffer og andre omsætningsprocesser i jorden. Den hæmmende effekt gælder således også symbiotisk kvælstof fiksering. Den langsigtede risiko for miljøet og jordens økosystemfunktion ved fortsat tilførsel af Cu og Zn i svinegylle skal ses som resultatet af den ophobning af Cu og Zn, der finder sted i jordens dyrkningslag og en potentiel transport til dybere jordlag ved udvaskning eller partikelbåren transport i makroporer. En fortsat akkumulering af Cu og Zn må betragtes som en irreversibel forringelse af jordens kvalitet. Den aktuelle risiko, betragtet inden for en tidshorisont på få årtier, må vurderes på baggrund af de grænseværdier, der i øjeblikket anses for at være tilstrækkelige for at beskytte jordens funktioner. Disse kriterier involverer elementer af forsigtighedsprincip. Grænseværdierne for indhold af Cu og Zn i dyrket jord er i den gældende danske slambekendtgørelse angivet til 30 mg Cu kg -1 og 100 mg Zn kg -1 (Miljø- og Fødevareministeriet, 2006). Disse værdier er afledt af danske jordkvalitets-kriterier (Scott-Fordsmand et al., 1995). Nyere undersøgelser har foreslået at ændre vurderingskriterier for danske forhold, så grænseværdierne for Cu sættes til 89 mg kg -1 på lerjord og 25,6 mg kg -1 på sandjord, mens grænseværdierne for Zn sættes til 63 mg kg -1 på lerjord og 36 mg kg -1 på sandjord (Jensen et al., 2016). Til sammenligning har fx Canadiske guidelines for jordkvalitet i landbruget en grænseværdi på 63 mg kg -1 for Cu (CCME, 1999). I et igangværende arbejde i Canada foreslås grænseværdien for Zn ændret fra 200 til 250 mg kg -1 (CCME, 2016). For at vurdere betydningen af et stigende indhold af Cu og Zn for den dyrkede jords fortsatte kvalitet, herunder biologisk aktivitet og biodiversitet, kræves et mere entydigt og bedre konsolideret grundlag for hvilke grænseværdier, der er relevante for danske forhold. Med udgangspunkt i de grænseværdier, der er anført i Slambekendtgørelsen, vil kun enkelte jorder være i risikozonen. Er udgangspunktet grænseværdier angivet af Jensen et al. (2016), vil et stort antal jorder være i risikozonen, specielt med hensyn til Zn. En fortsat ophobning af Cu og Zn i dyrkede jorder vil under alle omstændigheder være uønsket og vil på 2

3 længere sigt kunne føre til overskridelse af økotoksikologiske grænseværdier. Der synes på nuværende tidspunkt ikke at være konsensus om grænseværdier for Cu og Zn koncentrationer i dyrket jord. I denne sammenhæng er begrebet ældning en vigtig parameter (McLaughlin et al., 2000; Ma et al., 2006; Smolders et al., 2012). Det er således vigtigt at skelne mellem effekten af nyligt tilført Cu og Zn (specielt hvis tilført i letopløselige forbindelser), og effekten af tidligere tilført Cu og Zn, der efterfølgende er blevet indbygget i jordmatricen ved reaktion med jordens indhold af organisk stof og sequioxider. Nyligt tilført Cu og Zn er væsentligt mere bioaktivt end Cu og Zn, der er efterfølgende er blevet indbygget i jordmatricen. Antibiotika resistens i miljøet Det er i flere undersøgelser vist, at tilførsel af husdyrgødning øger forekomsten af antibiotikaresistens (AR) gener i jorden (Chee-Sanford et al., 2009; Heuer et al., 2011; Udikovic-Kolic et al., 2014). Stigningen i forekomsten af AR gener i jorden som følge af tilførsel af husdyrgødning kan tilskrives: 1) Antibiotika og aktive antibiotika-metabolitter, som har passeret dyret og udskilt i gødningen. Det er vist, at mellem 30 til 90 % af den indgivne antibiotika kan udskilles med gødning. Det udskilte antibiotika kan inducere resistens i mikroorganismer under gødningens opbevaring. 2) AR gener, der er dannet af mikroorganismer i dyrets fordøjelsessystem, som reaktion på det indgivne antibiotika. Når mikroorganismerne udskilles med gødningen kan de dannede AR gener efterfølgende overføres til andre mikroorganismer, der er tilpasset det aktuelle miljø (fx anaerobe forhold under gødningens opbevaring). 3) Rester af antibiotika kan inducere dannelse af AR gener i jordens mikroorganismer efter gødningens udbringning. Desuden kan AR gener, der er dannet i dyrets fordøjelsessystem eller under gødningens opbevaring, overføres til mikroorganismer, der naturligt forekommer i jorden. I jordmiljøet kan AR gener spredes horisontalt til andre mikroorganismer via mobile platforme som plasmider og integroner. Bakteriofager er også vist at kunne sprede AR gener i jordmiljøet (Ross & Topp, 2015). Tilførsel af tungmetaller kan fremprovokere resistens mod såvel metaller som mod antibiotika (koselektion), idet resistens mekanismerne induceret af metaller og antibiotika viser stort overlap. Tilførsel af Cu og Zn med husdyrgødning kan således øge forekomsten af AR gener (Berg et al., 2005; Baker-Austin et al., 2006). Med hensyn stigningen i AR gener ved tilførsel husdyrgødning er effekten af antibiotika forbrug (punkt 1 til 3 ovenfor) fundet at være reversibel. Med udgangspunkt i analyser af forekomsten af AR gener i historiske jordprøver fra de langvarige gødningsforsøg ved Askov Forsøgsstation er det vist, at forekomsten AR gener relateret til en given type antibiotika falder til baggrundsniveau, når den givne type antibiotika udfases i produktionen (Graham et al., 2016). Når en ny type antibiotika indfases stiger forekomsten af de tilsvarende AR gener i jord, der tilføres husdyrgødning, for igen at falde til baggrundsniveau, når denne antibiotika type udfases. Tilsvarende fandt Marti et al. (2014), at forekomsten af AR gener faldt til baggrundsniveau 1 år efter en enkelt tilførsel af gødning fra antibiotika behandlede dyr. I modsætning til antibiotika nedbrydes tungmetaller ikke i jorden. Det kan derfor ikke a priori forventes at AR gener induceret af Cu og Zn tilførsel vil falde efterfølgende. For en række skotske jorde fandt Knapp et al. (2011) således en positiv sammenhæng mellem AR gener og jordenes indhold af tungmetaller, herunder Cu. I et forsøg under kontrollerede forhold fandt Song et al. (2017), at tilførsel af såvel Cu-sulfat som Zn- 3

4 sulfat ko-selekterede for antibiotika resistens. Effekten var dog betinget af Cu og Zn koncentrationer (365 mg Cu kg -1 ; mg Zn kg -1 ), der har mindre relevans i forhold til koncentrationer i almindelig dyrket jord (se ovenfor) med en stor del af det samlede Cu og Zn indhold knyttet til jordmatricen. I undersøgelsen baseret på de langvarige gødningsforsøg i Askov steg forekomsten af integroner i jordprøver indsamlet efter 1992 (Graham et al., 2016). Denne stigning var sammenfaldende med en stigning i den husdyrgødede jords indhold af Cu. Sammenhængen kunne antyde, at indfasning af Cu som erstatning for antibiotika som vækstfremmer har øget Cu tilførslen til jorden, hvilket igen har øget tilstedeværelsen af integroner. Det må konkluderes, at tilstedeværelse af Cu og Zn kan fremme tilstedeværelsen og spredningen af AR i dyrket jord, men også at spørgsmålet om grænseværdier i denne sammenhæng ikke kan afklares for nuværende. Det må også i denne sammenhæng forventes, at nyligt tilført Cu og Zn har større effekt end Cu og Zn, der er ældet og indbygget i jordmatricen. Referencer Bak J, Jensen J, Larsen MM, Pritzl G, Scott-Fordsmand J (1997). A heavy metal monitoring-programme in Denmark. The Science of the Total Environment 207: Bak JL, Jensen J, Larsen MM (2015). Belysning af kobber- og zinkindholdet i jord. Indhold og udvikling i Kvadratnettet og måling på udvalgte brugstyper. Aarhus Universitet, DCE. Videnskabelig rapport fra DCE - Nationalt Center for Miljø og Energi, nr Baker-Austin C, Wright MS, Stepanauskas R, McArthur JV (2006). Co-selection of antibiotic and metal resistance. Trends in Microbiology 14: Berg J, Tom-Petersen A, Nybroe O (2005). Copper amendment of agricultural soil selects for bacterial antibiotic resistance in the field. Letters in Applied Microbiology 40: Broos K, Mertens J, Smolders E (2005). Toxicity of heavy metals in soil assessed with various soil microbial and plant growth assays: A comparative study. Environmental Toxicology and Chemistry 24: CCME (1999). Canadian soil quality guidelines for the protection of environmental and human health: Copper (1999). In: Canadian environmental quality guidelines, 1999, Canadian Council of Ministers of the Environment, Winnipeg. CCME (2016). Scientific criteria document for the development of the Canadian soil quality guidelines for Zinc: Environmental and human health. Canadian Council of Ministers of the Environment, Draft for Review. Chee-Sanford JC, Mackie RI, Koike S, Krapac IG, Lin Y-F, Yannarell AC, Maxwell S, Aminov RI (2009). Fate and transport of antibiotic residues and antibiotic resistance genes following land application of manure waste. Journal of Environmental Quality 38: Graham DW, Knapp CW, Christensen BT, McCluskey S, Dolfing J (2016). Appearance of beta-lactam resistance genes in agricultural soils and clinical isolates over the 20 th century. Scientific Reports 6:21550 (p.1-8). Gräber I, Hansen JF, Olesen SE, Petersen J, Østergaard H, Krogh L (2005). Accumulation of copper and zinc in Danish agricultural soils in intensive pig production areas. Danish Journal of Geography 105: Heuer H, Schmitt H, Smalla K (2011). Antibiotic resistance gene spread due to manure application on agricultural fields. Current Opinion in Microbiology 14: Jensen J, Larsen MM, Bak J (2016). National monitoring study in Denmark finds increased and critical levels of copper and zinc in arable soils fertilized with pig slurry. Environmental Pollution 214: Knapp CW, McCluskey SM, Singh BK, Campbell CD, Hudson G, Graham DW (2011). Antibiotic resistance gene abundances correlate with metal and geochemical conditions in archived Scottish soils. PLoS ONE 6:e27300 (p.1-6). Larsen MM, Bak J, Scott-Fordsmand J (1996). Monitering af tungmetaller i danske dyrknings- og naturjorder. Prøvetagningen i 1992/93. Danmarks Miljøundersøgelser. Faglig rapport fra DMU, nr Ma Y, Lombi E, Olivar IW, Nolan AL, McLaughlin MJ (2006). Long-term aging of copper added to soils. Environmental Science & Technology 40:

5 Marti R, Tien Y-C, Murray R, Scott A, Sabourin L, Topp E (2014). Safely coupling livestock and crop production systems: How rapidly do antibiotic resistance genes dissipate in soil following a commercial application of swine and diary manure? Applied and Environmental Microbiology 80: McLaughlin MJ, Hamon RE, McLaren RG, Speir TW, Rogers SL (2000). Review: A bioavailability-based rationale for controlling metal and metalloid contamination of agricultural land in Australia and New Zealand. Australian Journal of Soil Research 38: Miljø- og Fødevareministeriet (2006). Bekendtgørelse om anvendelse af affald til jordbrugsformål (Slambekendtgørelsen). BEK nr af 13/12/2006. Naveed M, Moldrup P, Arthur E et al. (2014). Simultaneous loss of soil biodiversity and functions along a copper contamination gradient: When soil goes to sleep. Soil Science Society of America Journal 78: Ross J, Topp E (2015). Abundance of antibiotic resistance genes in bacteriophage following soil fertilization with dairy manure or municipal biosolids, and evidence for potential transduction. Applied and Environmental Microbiology 81: Scott-Fordsmand JJ, Jensen J, Pedersen MB, Folker-Hansen P (1995). Økotoksikologiske jordkvaliteteskriterier Udvalgte stoffer og stofgrupper. Projekt om jord og grundvand fra Miljøstyrelsen, nr. 13. Miljø- og Energiministeriet, Miljøstyrelsen. Smolders E, Oorts K, Lombi E, Schoeters I, Ma Y, Zrna S, McLaughlin MJ (2012). The availability of copper in soils historically amended with sewage sludge, manure, and compost. Journal of Environmental Quality 41: Song J, Rensing C, Holm PE, Virta M, Brandt KK (2017). Comparison of metals and tetracycline as selective agents for development of tetracycline resistant bacterial communities in agricultural soil. Environmental Science & Technology 51: Udikovic-Kolic N, Wichmann F, Broderick NA, Handelsman J (2014). Bloom of resident antibiotic-resistant bacteria in soil following manure fertilization. PNAS 111: