Nature-based solutions to reduce the spread of antibiotics and antimicrobial resistance genes in aquatic ecosystem

Abstract

(English) Antibiotics (ABs) are antimicrobial agents whose production and consumption have increased exponentially since the discovery of penicillin in 1929. The overuse of ABs has driven the emergence of antibiotic resistance, leading the frequent detection of ABs and antimicrobial resistance genes (ARG) in aquatic environments, primarily due to wastewater treatment plants (WWTP) effluent discharge despite regulatory efforts. Additionally, prolonged extreme weather conditions, such as droughts, intensify this issue by reducing water availability, threatening aquatic ecosystems and human health. Although advanced water treatment technologies, such as ozonation or membrane-based systems, can remove these pollutants from wastewater, their high cost of construction and maintenance, limited their widespread implementation. Alternatively, Nature-Based Solutions (NBS) have emerged as a potential option due to their cost-effectiveness and their potential capacity to remove a wide range of pollutants. However, studies on the reduction of ABs and ARGs in full-scale on NBS applied to wastewater treatment or river streams remain limited. This PhD dissertation is presented as a compendium of publications and evaluates the effectiveness of NBS in reducing ABs and ARGs in wastewater. First, a review study explored the capacity of NBS to reduce the presence of ABs, ARGs and pathogens across diverse aquatic environments spanning secondary wastewater treatment to estuarine areas and saltmarshes (Chapter II – DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.174273). Second, the performance of two full-scale configurations of constructed wetlands (CW) as tertiary wastewater treatment systems were monitored during the summer and the winter seasons to assess the reduction of ABs and ARGs (Chapter III – DOI: 10.1016/j.watres.2024.122038). Their effectiveness were compared with a conventional tertiary wastewater treatment technology system. Third, the impact of wastewater effluent-dominated stream renaturalization on the reduction of ABs and ARGs across seasonal variations was assessed by monitoring a vegetated and less vegetated stream during both warm and cold periods (Chapter IV – DOI: 10.1016/j.envres.2025.120910). The findings presented in this doctoral research project demonstrate that NBSs are potential alternatives for water treatment management in river basins. CWs as tertiary wastewater-treatment systems have shown the capacity to improve the general water quality parameters and remove ABs and ARGs. In addition, unlike conventional systems, those systems promote a shift in microbial composition towards a more natural profile and reduce the ecotoxicological and resistance selection risks more than a conventional tertiary WWTP. Furthermore, vegetated streams with meanders have shown to increase the degradation kinetics of ABs and the attenuation of ARGs, foster gradual changes in bacterial community structures and decrease the ecotoxicological and resistance selection risks, especially during the warm period. Further research should keep focusing on evaluating novel full-scale NBS configurations, identification of the transformation products (TPs) as well as other aquatic micropollutants, quantification of diverse ARGs and assessing the ecological status of the water.

(Català) Els antibiòtics (ABs) són agents antimicrobians al quals la seva producció i el consum han augmentat exponencialment des del descobriment de la penicil·lina el 1929. L’ús excessiu d’ABs ha impulsat l’aparició de resistència als antibiòtics, provocant la detecció freqüent d’ABs i gens de resistència als antimicrobians (ARGs) en entorns aquàtics, principalment degut els efluents de les estacions depuradores d’aigües residuals (EDAR), malgrat els esforços regulatoris. A més, les condicions metereològiques extremes prolongades, com les sequeres, intensifiquen aquest problema al reduir la disponibilitat d’aigua, amenaçant els ecosistemes aquàtics i la salut humana. Tot i que s’han desenvolupat tecnologies avançades de tractament d’aigua, com l’ozonització o els sistemes basats en membranes, poden eliminar aquests contaminants de l’aigua residual, el seu elevat cost de construcció i manteniment ha limitat la seva implementació generalitzada. Alternativament, les Solucions basades en la Natura (SbN) han sorgit com una opció potencial gràcies a la seva rendibilitat i capacitat per eliminar una àmplia varietat de contaminants. No obstant això, els estudis sobre la reducció d’ABs i ARGs a escala real mitjançant NBS aplicades al tractament d’aigües residuals o als cursos fluvials continuen sent limitats. Aquesta tesi doctoral es presenta com un compendi de publicacions i avalua l’eficiència de les SbN en la reducció d’ABs i ARGs de les aigües residuals. En primer lloc, es va realitzar un estudi de revisió per analitzar la capacitat de les SbN per reduir la presència d’ABs, ARGs i patògens en diversos entorns aquàtics, des del tractament secundari fins a zones estuarianes i maresmes salines (Capítol II – DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.174273). En segon lloc, es va monitoritzar el rendiment de dues configuracions d’aiguamolls construïts (AC) a escala real com sistemes terciaris durant les estacions d’estiu i hivern per avaluar la reducció d’ABs i ARGs. La seva eficiència es va comparar amb un sistema convencional de tractament terciari d’aigües residuals (Capítol III – DOI: 10.1016/j.watres.2024.122038). En tercer lloc, es va analitzar l’impacte de les aigües residuals en rieres renaturalitzades en la reducció d’ABs i ARGs al llarg de les variacions estacionals, mitjançant el monitoreig de rieres amb més i menys vegetació durant el període càlid i fred (Capítol IV – DOI: 10.1016/j.envres.2025.120910). Els descobriments presentats en aquest projecte de recerca doctoral demostren que les SbN són alternatives rellevants per a la gestió del tractament d’aigua en conques fluvials. Els AC com a sistemes terciaris han demostrat la seva capacitat de millorar els paràmetres generals de qualitat de l’aigua i eliminar ABs i ARGs. A més, a diferència dels sistemes convencionals, aquests sistemes afavoreixen un canvi en la composició microbiana cap a un perfil més natural i redueixen més els riscos ecotoxicològics i de selecció de resistències que una planta convencional de tractament terciari d’aigües residuals. A més, les rieres amb vegetació i meandres han demostrat augmentar la velocitat de degradació dels ABs i l’atenuació dels ARGs, promou canvis graduals en les estructures de les comunitats bacterianes i disminueixen els riscos ecotoxicològics i de selecció de resistència, especialment durant el període càlid. Les investigacions futures haurien de centrar-se en l’avaluació de noves configuracions de SbN a escala real, la identificació dels productes de transformació (PTs) i d’altres microcontaminants aquàtics, la quantificació de diversos ARGs i l’avaluació de l’estat ecològic.

(Español) Los antibióticos (ABs) son agentes microbianos cuya producción y consumo han aumentado exponencialmente desde el descubrimiento de la penicilina en 1929. El uso excesivo de los ABs ha impulsado la aparición de la resistencia a los antibióticos, lo que ha llevado a la detectión frecuente de los ABs y los genes de resistencia a los antimicrobianos (ARG) en diversos entornos acuáticos, principalmente debido a la descarga de efluentes de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), a pesar de los esfuerzos regulatorios. Además, las condiciones climáticas extremas prolongadas, como las sequías, agravan este problema al reducir la disponibilidad de agua, poniendo en riesgo los ecosistemas acuáticos y la salud humana. Aunque se han desarrollado tecnologías avanzadas, como la ozonización o sistemas basados en membranas, pueden eliminar estos contaminantes del agua residual, su elevado coste de construcción y mantenimiento, ha limitado su implementación a gran escala. Alternativamente, las Soluciones basadas en la Naturaleza (SbN) han surgido como una potencial opción debido a su rentabilidad y su capacidad para una amplia variedad de contaminantes. Sin embargo, los estudios a escala real sobre la reducción de ABs y ARGs en SbN aplicadas al tratamiento de aguas residuales o a cursos fluviales siguen siendo limitados. Esta tesis doctoral es presentada como un compendio de publicaciones y evalúa la eficiencia de las SbN en la reducción de ABs y ARGs en aguas residuales. En primer lugar, se realizó un estudio de revisión para analizar la capacidad de las SbN en reducir ABs, ARGs y patógenos en diversos entornos acuáticos desde tratamientos secundarios hasta zonas estuarinas y marismas (Capítulo II – DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.174273). En segundo lugar, se monitorizó el rendimiento de dos configuraciones a escala real de humedales construidos (HC) como sistemas terciarios durante las estaciones de verano y invierno, con el objetivo de evaluar la reducción de ABs y ARGs. Su eficacia fue comparada con un sistema convencional de tratamiento terciario de aguas residuales (Capítulo III – DOI: 10.1016/j.watres.2024.122038). En tercer lugar, se analizó el impacto de la renaturalización de arroyos dominados por efluentes de aguas residuales en la reducción de ABs y ARGs a lo largo de las variaciones estacionales, mediante el monitoreo de un arroyo con mayor y menor cobertura vegetal durante períodos cálidos y fríos (Capítulo IV – DOI: 10.1016/j.envres.2025.120910). Los descubrimientos presentados de esta investigación doctoral demuestran que las SbN son unas alternativas viables para la gestión del tratamiento de agua en las cuencas fluviales. En concreto, los HCs como sistemas terciarios de tratamiento de agua residual han demostrado su capacidad para mejorar los parámetros generales de calidad del agua y eliminar ABs y ARGs. Además, a diferencia de los sistemas convencionales, estos sistemas promover un cambio en la composición microbiana hacia perfiles más naturales y reducen los riesgos ecotoxicológicos y selección de resistencia en mayor medida que el EDAR terciario convencional. Además, las rieras con vegetación y meandros han demostrado un aumento en la velocidad de degradación de ABs y atenuación de ARGs, promoviendo cambios graduales en las estructura de las comunidades bacterianas y disminuyendo los riesgos ecotoxicológicos y de selección de resistencia, especialmente durante el período cálido. Las investigaciones futuras deberían centrarse en la evaluación de nuevas configuraciones de SbN a escala real, la identificación de productos de transformación (PTs) y de otros microcontaminantes acuáticos, la cuantificación de diversos ARGs y la evaluación del estado ecológico.