Short-term exposure to benzalkonium chloride in bacteria from activated sludge alters the community diversity and the antibiotic resistance profile

Abstract

La introducción continua de productos de limpieza que contienen cloruro de benzalconio (BAC) procedente de vertidos domésticos puede moldear las comunidades microbianas de las plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) de una forma aún poco conocida. En este estudio, realizamos una exposición in vitro de lodos activados de una EDAR de Costa Rica a BAC, cuantificamos los cambios en los perfiles génicos intI1, sul2 y qacE/qacEΔ1, y determinamos alteraciones en la composición de la comunidad bacteriana. El análisis de los datos de qPCR reveló elevadas cargas de genes de resistencia a antibióticos en la comunidad microbiana; tras la exposición a BAC se observó un aumento significativo del gen qacE/qacEΔ1, relacionado con la resistencia al cuaternario de amonio. El análisis de las secuencias del gen 16S rRNA mostró variaciones pronunciadas en la estructura de las comunidades bacterianas, incluyendo una reducción de los valores de diversidad alfa y un aumento de la abundancia relativa de Alphaproteobacteria, particularmente de Rhodospseudomonas y Rhodobacter. Confirmamos que las comunidades microbianas presentaban una alta resiliencia al BAC en la concentración de mg/mL, probablemente debido a la exposición constante a este contaminante. También presentaron genes relacionados con la resistencia a antibióticos con mecanismos similares para tolerar esta sustancia. Estos mecanismos deberían explorarse más a fondo, especialmente en el contexto de un elevado uso de desinfectante.The continuous introduction of cleaning products containing benzalkonium chloride (BAC) from household discharges can mold the microbial communities in wastewater treatment plants (WWTPs) in a way still poorly understood. In this study, we performed an in vitro exposure of activated sludge from a WWTP in Costa Rica to BAC, quantified the changes in intI1, sul2, and qacE/qacEΔ1 gene profiles, and determined alterations in the bacterial community composition. The analysis of the qPCR data revealed elevated charges of antibiotic resistance genes in the microbial community; after BAC’s exposure, a significant increase in the qacE/qacEΔ1 gene, which is related to ammonium quaternary resistance, was observed. The 16S rRNA gene sequences’ analysis showed pronounced variations in the structure of the bacterial communities, including reduction of the alpha diversity values and an increase of the relative abundance of Alphaproteobacteria, particularly of Rhodospseudomonas and Rhodobacter. We confirmed that the microbial communities presented high resilience to BAC at the mg/mL concentration, probably due to constant exposure to this pollutant. They also presented antibiotic resistance-related genes with similar mechanisms to tolerate this substance. These mechanisms should be explored more thoroughly, especially in the context of high use of disinfectant.