Review of Antibiotic Resistance Genes (ARGs) in Salmon Aquaculture and Empirical Data on Spatial and Seasonal Trends in the Bay of Fundy

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dc.contributor.author

Murphy, Grace M.

Robinson, Shawn M. C.

dc.date.accessioned

2024-01-09T13:59:00Z

dc.date.available

2024-01-09T13:59:00Z

dc.date.issued

2022

dc.description.abstract - en

The purpose of this paper is to review the background information available for antibiotic microbial resistance (AMR) in the aquaculture sector and to provide empirical data on the presence of antibiotic resistant genes (ARGs) associated with Atlantic salmon farms in the Bay of Fundy. The continual decline of wild fish stocks worldwide and increasing demand for fish from increasing human populations and rising per capita consumption has resulted in the increasing production of the aquaculture industry to meet the global demand. However, the higher culture densities of intensive fish farms in comparison to wild conspecifics provides a prime environment for the spread of bacterial diseases, which pose a significant fish health and financial threat to the aquaculture industry. These diseases are generally controlled with antibiotics, but rising resistance to these drugs by bacteria that could be transferred to human pathogens in some parts of the world is becoming more common, raising concerns about the cost to human health, national economies and highlighting the need for research into alternative treatments. Resistance develops through the propagation of ARGs by natural selection of certain pathogens, and the sharing of ARGs between bacteria by horizontal transfer. Along with pathogens in the fish gut, environmental bacteria are also exposed to antibiotics in the water and sediments in the vicinity of fish farms, creating a further risk of the spread of ARGs to human pathogens from this vector. There have been cases of antibiotic resistance in human pathogens linked to the use of antibiotics in aquaculture and agriculture, and so many countries have imposed legislation over the use of antibiotics, with various levels of success. Finally, there have been attempts into using alternative treatments to control the spread of infectious disease in aquaculture, including bacteriophage therapy, quorum sensing inhibitors, vaccines, probiotics, immunostimulants, and herbal therapy. Empirical data from the Bay of Fundy show that Atlantic salmon aquaculture farms are hotspots for microbial activity and that bacterial populations differ in their community structure depending on their proximity to the fish farms. The classes of bacterial populations closest to the farm generally tend to be anaerobic and sulphur reducers. We sampled for the ARGs related to the drugs florfenicol, tetracycline and sulfonamide. There was a general trend in increasing relative ARG abundance close to the farm, but the patterns were not the same for all ARGs. There also seemed to be a decrease in the concentration of some ARGs over time ranging from 3 to 12 months. The information gathered from the literature review and the conclusions of the empirical study looking for AMR in relation to salmon farming showed that the process of modifying/enhancing ARGs at salmon aquaculture farms is present. This is consistent with other studies, both terrestrial and aquatic, that show AMR in bacterial populations respond to anthropogenic activities that involve the use of antibiotics. These data are some of the first in Canada to look at AMR in relation to aquaculture. While they give some insight into levels of ARGs and the environment, the scale (spatial and temporal) at which this is happening and the implications for the probable transmission to humans through the food supply is yet unknown. Further research is required on this topic in order to better define scales of AMR in comparison with other known reservoirs (e.g., wastewater treatment plants, agriculture activities), the degree of spatial dispersion involved of ARGs, linkages with wild populations of organisms that are part of the human food chain and the probability of transmission of ARGs to pathogens affecting human or animal health. Once a better understanding is gained on these aspects, a proper risk assessment can be done on aquaculture activities to answer questions such as: appropriate treatment regimes, probable impacts on the environment, implications of site selection and overall risk to human health.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Le présent document vise à examiner les renseignements généraux sur la résistance microbienne aux antibiotiques (RMA) dans le secteur de l’aquaculture et à fournir des données empiriques sur la présence de gènes de résistance aux antibiotiques (ARG) associés aux salmonicultures de l’Atlantique dans la baie de Fundy. Le déclin continu des stocks de poissons sauvages dans le monde et la demande croissante de poisson associée à la hausse des populations humaines et de la consommation par habitant ont entraîné une augmentation de la production de l’industrie aquacole pour répondre à la demande mondiale. Toutefois, la densité d’individus élevée des piscicultures intensives par rapport à celle qui s’observe dans la nature offre un environnement idéal pour la propagation des bactéries pathogènes, ce qui constitue une menace sanitaire et financière importante pour l’industrie aquacole. Ces maladies sont généralement combattues au moyen d’antibiotiques, mais la résistance des bactéries à ces médicaments, qui pourrait être transférée à des agents pathogènes humains dans certaines régions du monde, est en croissance et de plus en plus courante. Ce phénomène suscite des inquiétudes quant au coût pour la santé humaine et les économies nationales et souligne le besoin de recherche de traitements de rechange. La résistance se développe par la propagation des ARG par sélection naturelle de certains agents pathogènes et par le partage des ARG entre les bactéries par transfert horizontal. Outre les agents pathogènes présents dans l’intestin des poissons, les bactéries qui se trouvent dans l’environnement sont également exposées aux antibiotiques présents dans l’eau et les sédiments à proximité des piscicultures, créant un vecteur supplémentaire de transmission des ARG aux agents pathogènes humains. On a observé chez des agents pathogènes humains des cas de résistance aux antibiotiques liés à l’utilisation d’antibiotiques en aquaculture et en agriculture, et de nombreux pays ont donc imposé une réglementation sur l’utilisation des antibiotiques, avec plus ou moins de succès. Enfin, on a tenté d’utiliser des traitements de rechange pour freiner la propagation des maladies infectieuses en aquaculture, notamment la thérapie par les bactériophages, les inhibiteurs de détection du quorum, les vaccins, les probiotiques, les immunostimulants et la phytothérapie. Les données empiriques recueillies dans la baie de Fundy montrent que les salmonicultures de l’Atlantique sont des points chauds pour l’activité microbienne et que les populations bactériennes diffèrent dans leur structure communautaire en fonction de leur proximité avec les piscicultures. Les classes de populations bactériennes les plus proches des piscicultures tendent à être anaérobies et sulforéductrices. Nous avons prélevé des échantillons pour les ARG liés aux médicaments à base de florfénicol, de tétracycline et de sulfonamide. La tendance générale était à l’augmentation de l’abondance relative des ARG à proximité des piscicultures, mais le profil n’était pas le même pour tous les ARG. Il semblait également y avoir une diminution de la concentration de certains ARG au cours d’une période allant de 3 à 12 mois. Les renseignements recueillis lors de l’examen de la documentation et les conclusions de l’étude empirique sur les liens entre la RMA et l’élevage du saumon indiquent qu’un processus de modification/d’amélioration des ARG est présent dans les salmonicultures. Ces résultats concordent avec ceux d’autres études, qui ont été réalisées tant en milieu terrestre qu’aquatique et montrent que la RMA dans les populations bactériennes est associée aux activités anthropiques qui comportent l’utilisation d’antibiotiques. Ces données sont parmi les premières au Canada à examiner la RMA en relation avec l’aquaculture. Elles offrent un aperçu des niveaux d’ARG et de l’environnement, mais l’échelle (spatiale et temporelle) du phénomène et son rôle dans la transmission probable aux humains par l’alimentation sont encore inconnus. Des recherches supplémentaires sont nécessaires sur ce sujet pour mieux définir les échelles de la RMA par rapport à d’autres réservoirs connus (p. ex., les installations de traitement des eaux usées, les activités agricoles), le degré de dispersion spatiale des ARG, les liens avec les populations sauvages d’organismes qui font partie de la chaîne alimentaire humaine et la probabilité de transmission des ARG aux agents pathogènes touchant la santé humaine ou animale. Une fois ces aspects mieux compris, il sera possible de procéder à une évaluation appropriée des risques liés aux activités aquacoles pour répondre à des questions concernant des sujets comme : les régimes de traitement appropriés, les répercussions probables sur l’environnement, les répercussions du choix du site et le risque global pour la santé humaine.

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dc.identifier.citation

Murphy, G.M. and Robinson, S.M.C. 2022. Review of Antibiotic Resistance Genes (ARGs) in Salmon Aquaculture and Empirical Data on Spatial and Seasonal Trends in the Bay of Fundy. DFO Can. Sci. Advis. Sec. Res. Doc. 2022/061. v + 72 p.

dc.identifier.govdoc

Fs70-5/2022-061E-PDF

dc.identifier.isbn

9780660453743

dc.identifier.issn

1919-5044

dc.identifier.uri

https://waves-vagues.dfo-mpo.gc.ca/library-bibliotheque/41091516.pdf

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/1582

dc.language.iso

en

dc.publisher

Fisheries and Oceans Canada, Canadian Science Advisory Secretariat

dc.relation.istranslationof

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/1583

dc.subject - en

Nature and environment

Water

dc.subject - fr

Nature et environnement

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dc.title - en

Review of Antibiotic Resistance Genes (ARGs) in Salmon Aquaculture and Empirical Data on Spatial and Seasonal Trends in the Bay of Fundy

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Report

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2022/061

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