The Impact of Intensive Fish Farming on Pond Sediment Microbiome and Antibiotic Resistance Gene Composition

---

ORIGINAL RESEARCH
published: 25 May 2021
doi: 10.3389/fvets.2021.673756
Frontiers in Veterinary Science | www.frontiersin.org
1
May 2021 | Volume 8 | Article 673756
Edited by:
Marina Spinu,
University of Agricultural Sciences and
Veterinary Medicine of
Cluj-Napoca, Romania
Reviewed by:
Lucy Brunton,
Royal Veterinary College (RVC),
United Kingdom
Brianna R. Beechler,
Oregon State University, United States
*Correspondence:
Egl ˙e Lastauskien ˙e
[e-mail]
Julija Armalyt ˙e
[e-mail]
Specialty section:
This article was submitted to
Veterinary Epidemiology and
Economics,
a section of the journal
Frontiers in Veterinary Science
Received:
28 February 2021
Accepted:
16 April 2021
Published:
25 May 2021
Citation:
Lastauskien ˙e E, Valskys V,
Stankevi ˇci ¯ut ˙e J, Kalcien ˙e V, G ˙egžna V,
Kavoli ¯unas J, Ružauskas M and
Armalyt ˙e J (2021) The Impact of
Intensive Fish Farming on Pond
Sediment Microbiome and Antibiotic
Resistance Gene Composition.
Front. Vet. Sci. 8:673756.
doi: 10.3389/fvets.2021.673756
The Impact of Intensive Fish Farming
on Pond Sediment Microbiome and
Antibiotic Resistance Gene
Composition
Egl ˙e Lastauskien ˙e
1
*, Vaidotas Valskys
1
, Jonita Stankevi ˇci ¯ut ˙e
2
, Virginija Kalcien ˙e
1
,
Vilmantas G ˙egžna
1
, Justinas Kavoli ¯unas
1
, Modestas Ružauskas
3
and Julija Armalyt ˙e
1
*
1
Institute of Biosciences, Life Sciences Center, Vilnius University, Vilnius, Lithuania,
2
Institute of Biochemistry, Life Sciences
Center, Vilnius University, Vilnius, Lithuania,
3
Institute of Microbiology and Virology, Lithuanian University of Health Sciences,
Kaunas, Lithuania
Aquaculture is a fast-growing animal food sector, and freshwater fish farming is
particularly common in Central and Eastern Europe. As the biodiversity of fishery ponds
is changed toward fulfilling the industrial needs, precautions should be taken to keep the
system sustainable and protect the adjacent environment from possible damage. Due to
risk of infectious diseases, antibiotics are used in aquaculture production systems. The
constant exposure to antimicrobials can contribute to the rise of antibiotic resistance in
aquaculture products and the adjacent ecosystems, with possibility of dissemination to
the wider environment as well as between animals and humans. Even though previous
studies have found antibiotic resistance genes in the sediments and water of farming
ponds, the tendency and direction of spreading is not clear yet. The objective of this
project was to evaluate the influence of intensive fish farming on the condition of water
bodies used for the aquaculture and the environment, concentrating on the impact of the
aquaculture on the surrounding water ecosystems as well as the possibility of transferring
the pollutants and antibiotic resistance genes to both environment and the human
hosts. Combined measurement of antibiotic and heavy metal contamination, toxicity
assessment, microorganism diversity, and the detection of common antibiotic resistance
genes was performed in the sediments of one fishery farm ponds as well as sampling
points upstream and downstream. All the tested sediment samples did not show
significantly elevated heavy metal concentrations and no substantial veterinary antibiotic
pollution. From the antibiotic resistance genes tested, the presence of aminoglycoside
and
β
-lactam resistance determinants as well as the presence of integrons could be of
concern for the possibility of transfer to humans. However, despite the lack of heavy
metal and antibiotic pollution, the sediments showed toxicity, the cause of which should
be explored more.
Keywords: antibiotic resistance genes, fish farming, heavy metals, sediment microbiomes, sediment toxicity

---

Lastauskien ˙e et al.
Fish Farming Microbiome and Resistome
INTRODUCTION
According to the report of Food Agriculture Organization of the
United Nations 2020 aquaculture is one of the most important
food sectors which, increased by annual 3.1% during 1961–
2017 and exceeded annual world population growth (1.6%)
almost double for the same period. Fish ponds are rich
in dissolved organic materials due to the intensive feeding
and fecal waste. Ponds continuously accumulate sediments
after the formation of their basins with the influence of
water regime (filling and discharging). These sediments are
formed from biological remains originating in the ponds and
its catchment area as well as soil particles and other non-
biological materials that were transported to the pond. The
most common type of sediments that is found in ponds is
organogenic sediments (
1
). The intensity and combination of
these processes are very variable depending on the different
geological and geomorphological settings, hydrological regimes,
and atmospheric conditions, as well as human activities (
2
,
3
).
The composition of sediments of aquaculture ponds could also
be influenced by changes in the biodiversity, as the aquaculture is
directed toward fulfilling the industrial needs. The monoculture
of highly-productive industrial aquatic organisms is introduced
and sustained by intensive rearing system, differing greatly from
wild aquatic ecosystems.
Another factor that should be considered in the sediments of
the fishery ponds is the presence of heavy metals. Heavy metals
which enter aquatic environment typically bond with bottom
sediments and, thus over time, can reach high concentrations. In
these circumstances heavy metals can become a potential risk to
human health through the food chain (
4
).
Heavy metal toxicity is of great ecological concern, due
to their stability, bioaccumulation and non-biodegradability.
The accumulation of the heavy metals can lead to the
changes in microbial community composition and activation
and accumulation of heavy metals resistance genes, that are
often closely related to antibiotic resistance genes (
5
–
9
). It
has been previously observed, that the co-selection of heavy
metal and antibiotic resistance genes (ARGs) are happening
in the environment (
5
), thus increasing the concern of the
accumulation and spread of potentially hazardous ARGs from
the environment to humans.
A more straightforward influence on accumulation and
spread of ARGs in aquaculture is the use of antimicrobial
substances for animal treatment. In the Eurozone, the use of
veterinary drugs is regulated through EU Council Regulations
(
10
,
11
), which describe procedures for establishing maximum
residue limits for veterinary medicinal products in foodstuffs
of animal origin. In Lithuania, only two broad-spectrum
antibiotics florfenicol and oxytetracycline are authorized for
aquaculture use (http://vetlt1.vet.lt/vr/). Florfenicol is a structural
analog of chloramphenicol similar to thiamphenicol, but is
more active against some bacteria than chloramphenicol (
12
).
Oxytetracycline is a tetracycline broad-spectrum antibiotic
with bacteriostatic action, used to treat systemic bacterial
infections of fish (
13
,
14
). Among the 11 major aquaculture
producing countries, about 73% applied oxytetracycline and
florfenicol (
15
). The introduced antibiotics not consumed with
the feed or excreted by the fed animals enter the water
where they can persist or even concentrate in the sediments.
The residual amounts of antibiotics in the environment have
the potential to cause considerable impact on human health
and ecosystems (
16
). However, these antibiotics are still not
included in the (updated) Watch List of the Water Framework
Directive (
17
). The antibiotic pollution problem deepens as
farm animal manure can also be used to increase productivity
of fishery ponds (
18
), thus introducing antibiotics used for
animal treatment.
The analysis of sediments composition of long-running
aquaculture farming is important for determination of the impact
of anthropogenic activity and dynamics of pond ecosystems.
The comparison of the sediments in the fishery ponds as well
as upstream and downstream could show the impact of the
intense aquaculture on the surrounding water ecosystems as
well as the possibility of transferring the ARGs to the human
hosts. We have chosen to analyze the sediments of Simnas
fishery farm in Southern part of Lithuania, comparing them
with samples in the inflow point located upstream from the
fishery farm (chosen as an area untouched by antropogenic
activity) and the outflowing river, carrying surplus water from
the ponds. The aim of this study was to investigate the pollution
of heavy metals and residual antibiotic in fishery ponds and the
inflow and outflow points. Together with sediment composition
analysis we explored the toxicity and determined the diversity
and changes in microbiota composition as well as the presence
of ARGs.
MATERIALS AND METHODS
Sediment Sample Collection
Sediment samples were collected during September 2019, from
20 sites in or near Simnas fishery ponds, located in Southern part
of Lithuania. The sampling areas cover the inflow (Kalesnykai
pond, C1) and outflow (Dovine river, E2) points of Simnas fishery
ponds and 18 sample points directly in the fishing ponds (B1–B8
main fishery pond, BE1 exit from the main pond, U1–U8 unused
ponds, S1–S2 nurseries). Sediment samples were collected from
surface sediment layer using Kajak corer, registered and placed
in plastic bags. The exact locations of the sampling points
were recorded using the GNSS (Global Navigation Satellite
System) device. In addition, altitudes of the main pond were
registered and bathymetry was produced (