DECRYPTING THE DIVERSITY OF MICROBIOME IN AQUACULTURE

Abstract

Aquaculture can play an important role in reducing the overexploitation of natural re- sources and feeding the world’s growing population. However, the use of e.g., antibiotics in aquaculture can favor the development of resistant bacteria and jeopardize the safety of its products. Thus, this Ph.D. thesis aimed to contribute to the deciphering of aquaculture’s mi- crobiome and resistome, as well as to the understanding of the role of mobile genetic elements (MGE) in the dissemination of resistance genes in these environments. Several approaches were used, to obtain the results that most reflect the microbiome and resistome of seabream and bivalve mollusks from aquaculture. All microbiomes studied were very diverse, encompassing commensal and pathogenic bacteria from seabream and bivalve mollusks (e.g., Aeromonas,Kocuria, Pseudomonas and Vibrio genera), as well as bacteria important in human medicine (e.g., Staphylococcus aureus, Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae). Twenty-one new se- quence types were described in Aeromonas spp., Citrobacter sp., Enterobacter spp., Shewanella spp., Staphylococcus sp. and Vibrio spp. Decreased susceptibilities to phenicols, oxytetracy- cline, β-lactams (namely carbapenems), quinolones, glycopeptides, mupirocin, erythromycin, and colistin were found. The resistome also revealed a great diversity of genes in all samples studied associated with antibiotics (e.g., blaTEM-1B, mecA, sul2, mcr-9.1), disinfectants (e.g.,formA-type), and heavy metals (e.g., sil) resistance. Twenty-five different genes related with increased virulence were also detected. Thirteen new β-lactams resistance genes were identi- fied (e.g., blaCTX-M-246, blaFOX-18, and blaOXA-958) and 35 other resistance genes, namely for antibi- otics (e.g., mcr-9 and qnrD2), heavy metals (e.g., emrA and mdtE) and disinfectants ( sitABCD- type), and virulence factors (e.g., astA and hlyF) were here described for the first time associated with aquaculture. Our results suggest that some of these resistance genes (e.g., erm(T)-type,qnrB19, catA1-type, tet(A), dfrA-type, aph(6)-Id, qacE∆ 1 and merA) are being disseminated by MGE such as plasmids, class 1 integrons, and Tn As1. These findings not only expand our knowledge about aquaculture’s microbiome and resistome, but also provide the necessary xiv information to implement the most suitable measures to control antibiotic resistance in aqua- culture environments.

A aquacultura pode desempenhar um papel importante na redução da sobre-explora- ção dos recursos naturais e no fornecimento de alimentos para a crescente população mundial. No entanto, o uso de, por exemplo, antibióticos em aquacultura pode favorecer o desenvolvi- mento de bactérias resistentes e comprometer a segurança dos seus produtos. Assim, esta tese de Doutoramento teve como objetivo contribuir para a decifração do microbioma e resistoma em aquacultura, bem como compreender o papel dos elementos genéticos móveis na disse- minação de genes de resistência nestes ambientes. Foram usadas diversas abordagens com o intuito de obter os resultados que melhor refletem o microbioma e o resistoma das douradas e moluscos bivalves de aquacultura. Os microbiomas estudados apresentaram uma grande diversidade, englobando bactérias comensais e patogénicas das douradas e moluscos bivalves (ex.: os géneros Aeromonas, Kocuria, Pseudomonas e Vibrio), assim como bactérias importan- tes em medicina humana (ex.: Staphylococcus aureus, Escherichia coli e Klebsiella pneumo- niae). Foram descritos 21 novos sequence type em Aeromonas spp., Citrobacter sp., Entero- bacter spp., Shewanella spp., Staphylococcus sp. e Vibrio spp. Foram encontradas suscetibili- dades diminuídas aos fenicois, oxitetraciclina, β-lactâmicos (como carbapenemes), quinolonas, glicopéptidos, mupirocina, eritromicina e colistina. Também os resistomas revelaram uma grande diversidade de genes associados a resistências aos antibióticos (ex.: blaTEM-1B, mecA,sul2, mcr-9.1), desinfetantes (ex.: formA-type) e metais pesados (ex.: sil). Foram também dete- tados 25 genes diferentes, associados a uma maior virulência. Encontram-se aqui descritos 13 novos genes de resistência aos β-lactâmicos (ex.: blaCTX-M-246, blaFOX-18, blaOXA-958) e outros 35 genes de resistência, nomeadamente aos antibióticos (ex.: mcr-9 e qnrD2), metais pesados (ex.:emrA e mdtE) e desinfetantes ( sitABCD-type), e fatores de virulência (ex.: astA e hlyF) são aqui identificados pela primeira vez associados à aquacultura. Os nossos resultados sugerem que alguns destes genes de resistência (como erm(T)-type, qnrB19, catA1-type, tet(A), dfrA-type, aph(6)-Id, qacE∆ 1 e merA) estarão a ser disseminados por elementos genéticos móveis, como plasmídeos, integrões de classe 1 e Tn As1. Estes estudos não só ampliam o nosso conheci- mento sobre o microbioma e o resistoma em aquacultura, mas também providenciam a infor- mação necessária para a implementação das medidas mais adequadas ao controlo da resis- tência aos antibióticos em aquacultura.