Antibiotiques, quand le sol fait de la résistance

DIM Astrea INRA

Antibiotiques, quand le sol fait de la résistance

On ne le répétera jamais assez, l’usage des antibiotiques n’est pas automatique. Plus ils sont utilisés, moins ils sont efficaces contre les bactéries pathogènes qui peuvent développer une antibiorésistance.

Antibiorésistance

La résistance des bactéries aux antibiotiques est le fruit de la sélection naturelle. À chaque génération surviennent des mutations génétiques aléatoires qui font émerger des individus résistants aux antibiotiques. Ainsi, les micro-organismes les plus faibles disparaissent au profit de nouvelles générations plus résistantes. Des antibiotiques mal utilisés sur de longues périodes favorisent l’émergence de super-bactéries.

Malgré des campagnes de sensibilisation pour en limiter les abus d’usage, que ce soit en santé humaine ou animale, des résidus d’antibiotiques et des bactéries antibiorésistantes ainsi que leurs gènes sont régulièrement rejetés et disséminés dans l’environnement. Les activités agricoles contribuent à cette contamination puisque le fumier, le lisier ou encore des boues de station d’épuration urbaines, qui peuvent contenir ces contaminants chimiques et biologiques, sont régulièrement épandus sur les sols agricoles.

Dans les sols, la présence d’antibiotiques n’est pas sans conséquences. Leurs propriétés antibactériennes peuvent impacter les micro-organismes et les fonctions qu’ils assurent dans le sol. L’acquisition d’antibiorésistance est également possible. Dans certains cas, l’exposition fréquente des micro-organismes aux antibiotiques peut entraîner à long-terme leur adaptation, c’est-à-dire que les micro-organismes vont dégrader les molécules d’antibiotiques en les utilisant comme source d’énergie. Cette adaptation peut accélérer la dégradation des antibiotiques, parfois jusqu’à leur minéralisation (dégradation complète), permettant alors de réduire leur persistance dans l’environnement.

L’adaptation dépend de la biodisponibilité

Au Canada, à London (Ontario), des chercheurs étudient la  dégradation des antibiotiques dans des sols afin de comprendre les mécanismes sous-jacents à l’adaptation des micro-organismes. Pour cela ils ont apporté volontairement des antibiotiques sur des parcelles expérimentales en plein champ depuis une dizaine d’année. L’adaptation microbienne aux antibiotiques mise en évidence dans ces sols n’est pas systématique, elle dépend de leur dose et de la classe d’antibiotiques à laquelle ils appartiennent. En effet, l’adaptation a été observée pour la sulfaméthazine (sulfonamide), la tylosine et l’érythromycine (macrolides), et non pour la chlortétracycline (tétracycline).

« En fait, la possibilité d’adaptation microbienne dépend avant tout de la biodisponibilité des antibiotiques, c’est-à-dire de leur accessibilité pour les micro-organismes à un temps donné. La biodisponibilité dépend notamment des propriétés physicochimiques des antibiotiques et influence leur devenir dans les sols » explique Anaïs Goulas, doctorante du DIM ASTREA(2).

C’est dans ce contexte qu’une collaboration entre des chercheurs de l’UMR ÉcoSys(3) INRA(4), AgroParisTech(5) et de l’Institut Agriculture and Agri-Food Canada(6) a permis de réaliser une étude en laboratoire, sur le devenir de trois antibiotiques dans différents scénarios d’exposition des sols.  Ces travaux de recherche ont été publiés dans le journal Environmental Science and Pollution Research le 29 mars 2018(7).

Dans cet article, l’objectif est d’estimer grâce à des extractions aqueuses, les fractions biodisponibles de trois antibiotiques appartenant à des classes différentes, tout en suivant leur biodégradation en mesurant la fraction minéralisée. Cela a été réalisé au laboratoire au cours d’incubations de sols provenant du site expérimental (au Canada), qui sont, soit des sols contrôles (qui n’ont jamais été contaminés par les antibiotiques), soit des sols exposés aux antibiotiques. « Une biodégradation accélérée des antibiotiques dans le sol exposé en comparaison au sol contrôle indique que les micro-organismes se sont adaptés », explique Anaïs Goulas. Pour la première fois, cette étude détermine la biodégradation accélérée d’antibiotiques et donc l’adaptation des micro-organismes, au regard de leur biodisponibilité.

Différentes contaminations

Les résultats de cette étude ont montré que dans les sols exposés, la ciprofloxacine (fluoroquinolone) avait une biodisponibilité très faible et n’était pas dégradée, contrairement à la sulfaméthazine et l’érythromycine.

Au bout de sept jours d’incubation, 20% de la quantité de sulfaméthazine apportée initialement avait été minéralisée dans le sol exposé, contre 0,4% dans le sol contrôle. L’adaptation des micro-organismes du sol exposé était en accord avec la grande biodisponibilité de la sulfaméthazine dans le sol puisque 60% était extractible par une solution aqueuse au début de l’expérience.

Dans le cas de la ciprofloxacine, cet antibiotique était déjà initialement tellement immobilisé par les constituants du sol (adsorption sur l’argile par exemple) qu’il était très peu biodisponible pour les micro-organismes (10% d’extractibilité aqueuse).

Pour les chercheurs, les comportements différents des antibiotiques dans les sols amènent différentes réflexions en cas de contamination :

  • Les antibiotiques comme les sulfonamides sont biodisponibles et peuvent être rapidement biodégradés dans les sols, mais ils sont aussi considérés comme mobiles et peuvent être transférés vers les eaux souterraines.
  • La forte adsorption dans le sol, quasi immédiate, des antibiotiques comme les fluoroquinolones ou les tétracyclines limite leur biodisponibilité pour les micro-organismes. Ceci explique leur faible biodégradation mais aussi leur assez faible taux de transfert vers les eaux souterraines, d’où leur persistance accrue dans les sols. « La forte immobilisation des antibiotiques dans les sols peut nous empêcher de les extraire et de mesurer leurs concentrations dans nos échantillons de sol. Néanmoins, ces antibiotiques peuvent quand même être présents et persister dans le sol » souligne Anaïs Goulas. En revanche, leur persistance dans le sol soulève un problème sur le long terme. En effet, leur remobilisation (retour à un état biodisponible) reste possible via des processus physicochimiques et/ou biologiques, ce qui pourrait alors exposer les bactéries du sol.

Des médicaments précieux

Ces résultats appellent à repenser la gestion des sols cultivés, ou la gestion des produits résiduaires organiques, qui impactent le devenir des antibiotiques (comme d’autres polluants d’ailleurs) dans les sols. Par exemple, en apportant de la matière organique, des nutriments et des micro-organismes contenus dans les déchets organiques, la biodégradation des antibiotiques peut être accélérée dans certains cas, ce qui peut limiter des impacts négatifs après épandage sur les sols. La gestion et le traitement des déchets organiques avant utilisation au champ peuvent aussi modifier la biodégradation des antibiotiques et il faudrait optimiser les procédés de traitement afin d’éliminer les antibiotiques potentiellement présents.

« Ces travaux n’ont pas pour mission de dire quel antibiotique doit ou ne doit plus être utilisé », insiste le groupe de recherche. « Ils sont tous utilisés en santé humaine et/ou animale car ils sont des médicaments précieux. On cherche plutôt à connaître les impacts des antibiotiques sur les micro-organismes de l’environnement, à comprendre les mécanismes sous-jacents à l’adaptation microbienne ou encore à l’acquisition d'antibiorésistance. Les chercheurs aussi bien dans les domaines de la santé que de l’environnement ont un objectif commun, celui de trouver des solutions pour limiter la dissémination des résidus d’antibiotiques et des bactéries antibiorésistantes dans l’environnement, pour pouvoir encore utiliser, à bon escient, les traitements antibiotiques », conclut Anaïs Goulas.

(2) DIM ASTREA (INRA/Région Ile-de-France) : l’Ile-de-France, région innovante, soutient la recherche à travers le DIM ASTREA (labélisé DIM sur la période 2008-2016). Ce dernier, initie une véritable dynamique de recherche dédiée aux sciences agronomiques et écologiques pour l’alimentation. Le DIM ASTREA est l’organisme financeur de la thèse d’Anaïs Goulas.

(3) UMR EcoSys : Unité mixte de recherche Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes.

(4) INRA : L’Institut National de Recherche Agronomique est le premier institut de recherche agronomique en Europe et deuxième en sciences agricoles dans le monde. L'INRA mène des recherches au service d'enjeux de société majeurs.

(5) AgroParisTech : établissement d’enseignement supérieur dans les sciences du vivant et de l'environnement, ayant deux missions fondamentales : i) la formation d’ingénieurs et ii) la production et la diffusion de connaissances (recherche et développement) en partenariat avec les grands organismes de recherche et les principaux centres techniques professionnels pertinents.

(6) Agriculture and Agri-Food Canada : Cet institut de recherche oriente la croissance et le développement d'un secteur canadien de l'agriculture et de l'agroalimentaire compétitif, innovateur et durable, en respect de l’environnement.

(7) Goulas, A., Sabourin, L., Asghar, F., Haudin, C.-S., Benoit, P., Topp, E., 2018. Explaining the accelerated degradation of ciprofloxacin, sulfamethazine and erythromycin in different soil exposure scenarios by their aqueous extractability. Environmental Science and Pollution Research, accepted. DOI: 10.1007/s11356-018-1834-4.

Contacts :

  • Nicolas Plantey, chargé de projet DIM ASTREA (INRA/Région Ile-de-France) 
  • Anaïs Goulas, chargée de mission Revue systématique Antibiorésistance et Environnement
  • Pierre Benoit, directeur de recherche à l’INRA 

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