חזית המחקר
הצטברות גנים לעמידות לאנטיביוטיקה במכלאות צאן ביערות נטועים בעוטף עזה ופוטנציאל התפשטות הגנים לסביבה
עלי נג'ידאת המחלקה להידרולוגיה ומיקרוביולוגיה סביבתית, מכון צוקרברג לחקר המים, המכונים ע"ש יעקב בלאושטיין לחקר המדבר, אוניברסיטת בן-גוריון בנגב ([email protected])
מכלאת צאן עונתיות ביער פלוגות | צילום: אריה וינוגרד
מאת
אלי צעדי
מו"פ עוטף עזה, משרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה; מכון ספיר למדעים שימושיים (SASI), מכללת ספירעלי נג'ידאת
המחלקה להידרולוגיה ומיקרוביולוגיה סביבתית, מכון צוקרברג לחקר המים, המכונים ע"ש יעקב בלאושטיין לחקר המדבר, אוניברסיטת בן-גוריון בנגבמאת
אלי צעדי
מו"פ עוטף עזה, משרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה; מכון ספיר למדעים שימושיים (SASI), מכללת ספירעלי נג'ידאת
המחלקה להידרולוגיה ומיקרוביולוגיה סביבתית, מכון צוקרברג לחקר המים, המכונים ע"ש יעקב בלאושטיין לחקר המדבר, אוניברסיטת בן-גוריון בנגבמערכות הייעור באזור הצחיח למחצה בצפון הנגב ובעוטף עזה חוו לאורך השנים שרפות שמשפיעות על תכונות הקרקע והצומח ברמה המקומית והנופית, ובעקבות זאת על המבנה, התפקוד ושירותי המערכת של נופים טבעיים ותרבותיים. כדי להתגבר על בעיה זו ולהפחית את הביומסה העשבונית ואת הסיכון לשרפות, מועברים ליערות עשרות עדרי צאן לרעייה עונתית (בדרך כלל בת כארבעה חודשים), לקראת סוף עונת החורף ובאביב. העדרים רועים בשעות היום, ובלילות מוחזקים להגנתם במכלאות זמניות. התוצאה היא שבאופן הדרגתי מצטברות במכלאות הפרשות, שמעשירות את הקרקע בחומרים אורגניים, אך גם מחדירות לתוכה תרופות הניתנות לבעלי החיים בעת מחלות בעדר או כטיפול מונע. ממצאי המחקר שנערך בקרקע המכלאות חשפו רמה גבוהה של גנים המקנים עמידות לטטרציקלין במכלאות פעילות כמו גם במכלאות נטושות. נמצא כי בקרקע המכלאות מצטברים גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה גם עשר שנים לאחר נטישתן, וכי קיים פוטנציאל להתפשטותן לסביבה. תוצאות המחקר מצביעות על הצורך בפיתוח נוהל מתאים לטיפול בהפרשות המצטברות במכלאות צאן בסוף כל עונה.
על קצה המזלג
הלכה למעשה
מאמר זה מבוסס על:
Nejidat A, Diaz-Recka D, Gelfand I, and Zaady, E. 2021. Persistence and spread of tetracycline resistance genes and microbial community variations in the soil of animal corral in a semiarid planted forest. FEMS Microbiology Ecology 97(8).
רקע
בסוף החורף ובתחילת האביב עוברים עדרי כבשים ועיזים של בדואים מהמכלאות הקבועות שלהם בשטחי השבטים ליערות ולחורשים נטועים בצפון הנגב ובמערבו. הקרן הקימת לישראל מעודדת נדידה זו כדי להפחית את הביומסה העשבונית הדליקה ואת הסיכון לשרפות. בעלי העדרים מעוניינים להעביר את העדר לשטח המרעה, מאחר שהחיסכון בהוצאות ההזנה הוא רווח כלכלי משמעותי. השהייה ביערות נמשכת כארבעה חודשים.
השימוש במכלאות הלילה הזמניות הוא שיטת רעייה מסורתית להגנה על בעלי חיים [6, 8], ותוצאתה היא הצטברות הדרגתית של הפרשות במכלאות. מאות מכלאות עונתיות, הנבנות בידי הרועים, פזורות בתוך היערות והחורשים בצפון הנגב ובמערבו. לעיתים רועים חוזרים לאותו מיקום של המכלאה מדי שנה בשל נוחותה וקרבתה למקור מים, כמו גם בשל דרישות יערנים מקומיים להימנע מהגעה לחלקים מסוימים ביער כדי להגן על אזורי שתילה חדשים. לעיתים גם הרועים מעדיפים שלא להישאר באותה מכלאה, אלא לבנות מכלאה חדשה בריחוק מסוים מהקודמת כדי למנוע נזק לבעלי החיים, למשל מקרציות השורדות בקרקע משנה לשנה. מקום המכלאות העונתיות הפעילות והנטושות הוא שטח מופרע, עם כמויות גדולות של הפרשות בעלי חיים (שכבה בעומק 5–40 ס"מ). כמו כן, קיים פוטנציאל לדליפת מזהמים במכלאות לתת-הקרקע ואל מחוץ למכלאות, כלומר ישנו פוטנציאל להשפעה סביבתית מעבר לאזור המכלאה [3]. בעוד ששיקום הצמחייה ומחזור חומרי הזנה במערכת האקולוגית הייחודית שנוצרה בתוך מכלאות נטושות בצפון ומערב הנגב נחקרו היטב [7, 8], החששות הקשורים להצטברות בלתי מבוקרת של זבל בקרקע, הכולל גם מיני אנטיביוטיקה שניתנים לבעלי החיים, ומכך להפצת גנים לעמידות לאנטיביוטיקה (Antibiotic Resistance Genes – ARGs) לסביבה, לא נבדקו עד כה.
יש לציין כי טיפול מונע (פרופילקטי) אינו מקובל כפרקטיקה שגרתית בגידול צאן בשל חשש מהתפתחות עמידות לאנטיביוטיקה. שימוש בטטרציקלין כטיפול מונע חייב אישור וטרינר ומבוצע לפי תקנות משרד החקלאות. בדרך כלל, מעדיפים אמצעי מניעה אחרים, כמו בידוד, חיסון, תזונה נכונה והיגיינה. עם זאת, במקרים מיוחדים ונדירים, כמו חשש לחשיפה נרחבת למחלה או תחלואה חוזרת, ניתן לאשר טיפול מונע בטטרציקלין. הטיפול הזה משמש למניעת מחלות בצאן, כמו כלמידיה (הגורמת להפלות), דלקות נשימה או מחלות עונתיות. למרות זאת, בעלי העדרים משתמשים לעיתים באנטיביוטיקה כטיפול מונע.
מכלאות הצאן ביערות עשויות להפוך למצבורים גנטיים של גנים עמידים לאנטיביוטיקה שיכולים להתקיים בתנאים צחיחים למחצה במשך שנים. כמו כן, קיים הסיכון שהם יישטפו על-ידי נגר במהלך אירועי גשם ויזהמו את הסביבה במורד הזרם. אחד מסוגי האנטיביוטיקה שבעלי עדרים משתמשים בהם בצורה הנפוצה ביותר הוא טטרציקלין – אנטיביוטיקה רחבת-טווח, המשמשת לטיפול במגוון רחב של זיהומים חיידקיים. התרופה מעכבת ייצור חלבונים שחיוניים לחיידקים, וכך מונעת מהם לגדול ולהתרבות.
לכן, ההשערה היא שגנים של עמידות לטטרציקלין יכולים להתקיים במשך זמן רב במכלאות בעלי חיים, ועלולים להתפשט לסביבה ולהגיע לאתרים, כגון מאגרי מים, ושם הנוכחות שלהם עלולה לפגוע בבריאות האדם. במחקר נבחן המגוון המיקרוביאלי בקרקעות של מכלאות פעילות ונטושות (בנות שנה עד עשר שנים) ונבדקו השפע והשרידות של גנים המקודדים לעמידות לטטרציקלין (Tetracycline Resistance Genes – TRGs) וכן מידת התפשטותם מחוץ למכלאות. תוצאות המחקר צפויות לתרום להבנת הסיכונים הסביבתיים והאקולוגיים ארוכי-הטווח שעלולים לנבוע משימוש בלתי מבוקר של זבל מן החי להעשרת קרקע בחומר אורגני.
שיטות המחקר
דגימות קרקע (מעומק של עד 10 ס"מ) נאספו ממכלאות פעילות (שסומנו ב-0), וממכלאות שננטשו לפני 2, 5, 8 ו-10 שנים. נדגמו שלוש מכלאות מכל סוג. מכל מכלאה נאספו דגימות קרקע מורכבות (המכילות שלוש תת-דגימות), ועובדו בנפרד. דגימות הביקורת נאספו מהשטח הטבעי המצוי סמוך למכלאות. דגימות הקרקע סוננו, ופריטים שגודלם היה יותר מ-2 מ"מ הורחקו (אבנים, עלים ועוד). הדי-אן-איי חולץ מ-0.5 גרם של דגימה באמצעות ערכת PowerSoilTM MO BIO Lab לבידוד הדי-אן-איי (.Solana Beach, CA, USA, Inc), בהתאם להוראות היצרן. מנות די-אן-איי אוחסנו בטמפרטורה של 20- מעלות צלזיוס. נבדקה הנוכחות של מספר גנים המקנים עמידות לטטרציקלין במנגנונים שונים, על-ידי הגברת הגנים בעזרת התחלים ספציפיים לכל גן והערכת מספרם בטכנולוגיית PCR כמותית (qPCR). בבדיקה נכללו הגנים tetO ,tetQ ,tetG, ו-tetW [2].
תוצאות
בניסויים מקדימים ניסינו לזהות חמישה גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה מסוג טטרציקלין. מתוכם שלושה גנים (tetQ ,tetW, ו-tetG) זוהו במספרים גבוהים בקרקע המכלאות ונחקרו, והתוצאות מוצגות באיור 1. הגן tetQ התגלה רק במכלאות פעילות (שהוקמו באותה עונה) בריכוזים של עד 106 העתקים לגרם קרקע, ובמספרים קטנים במעט במכלאות בנות שנה (מהעונה הקודמת). לעומתו, הגנים tetW ו-tetG נדגמו במספרים גבוהים בכל המכלאות שנבדקו. מספרי ההעתקים של הגן tetW לגרם קרקע נעו בין 107 במכלאות חדשות ובמכלאות שהוקמו בעונה הקודמת, ל-104 במכללות שננטשו לפני 10 שנים. לעומת זאת, מספר ההעתקים לגרם קרקע של הגן tetG נע בין 104 במכלאות חדשות ובמכלאות מהעונה הקודמת ל-103 במכלאות שננטשו לפני 10 שנים. יש לציין שאף אחד מהגנים הללו לא זוהה בקרקעות נקיות מהפרשות בעלי חיים שנאספו מהאזור.
כדי לבדוק אם גנים המקנים עמידות לטטרציקלין יכולים להתפשט מחוץ לגבולות המכלאות, בחרנו מכלאה פעילה הסמוכה לערוץ נחל, ובחנו את שפע הגנים הללו בתוך המכלאה (אזורים D1, E2), בקצה המכלאה (A2) ומחוץ למכלאה (C1) – במדרון לכיוון הכניסה לנחל. התוצאות מוצגות באיור 2. שלושת הגנים tetW ,tetQ ו-tetG זוהו בכל הנקודות שנדגמו, כולל בנקודת הדגימה הנמצאת מחוץ לגבולות המכלאה כעדות לפוטנציאל פיזור הגנים לסביבה. הגן tetW היה הנפוץ ביותר, והגיע קרוב ל-107 העתקים לגרם קרקע, בדומה למספרים שהתקבלו במכלאות פעילות אחרות (איור 2).
איור 1
תפוצת גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה מסוג טטרציקלין בקרקע של מכלאות בעלי חיים לפי מספר השנים שאינן בשימוש
איור 2
תפוצת גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה מסוג טטרציקלין בקרקע של מכלאה פעילה
W ,G ו-Q מייצגים את הגנים tetW ,tetG ו-tetQ בהתאמה
דיון
המחקר שופך אור על ההשפעות האקולוגיות והסביבתיות של אזורי קרקע שיש בהם הצטברות של חומר אורגני שמקורו בהפרשות של עיזים וכבשים, כגון מכלאות בעלי חיים ביערות. ממצאי המחקר מצביעים על הצורך בטיפול בהפרשות המצטברות בסוף כל עונת רעייה. הטיפול יכול להתבצע באופן מכני על-ידי שרפה מקומית או באמצעות הרחקה ופיזור ביערות סביב המכלאות [8]. התוצאות המוצגות מגלות כי מכלאות תקופתיות נטושות ולא מטופלות ששימשו לכליאה של כבשים או עיזים, הן פוטנציאל של מצבור גנטי לגנים עמידים לאנטיביוטיקה מסוג טטרציקלין, שיכולים להישאר בקרקע לפחות עד עשר שנים לאחר נטישה, ובעצם בכל התקופה הזו יש חשש להתפשטותם לסביבה. כ-75% מכמות האנטיביוטיקה הניתנת לבעלי חיים אינם נספגים בגופם [1], אלא מופרשים דרך הצואה והשתן שלהם לקרקע [4], וגורמים לשינויים במבנה הקהילה המיקרוביאלית בה. גנים המקנים עמידות לטטרציקלין, האנטיביוטיקה הנפוצה ביותר בחקלאות בעלי חיים, זוהו במספרים גבוהים במכלאות פעילות ובמכלאות נטושות עד עשר שנים. יתר על כן, הגנים זוהו מחוץ לגבולות המכלאה הפעילה, וככל הנראה הוסעו לשם באמצעות נגר במהלך אירועי גשם. יש לציין כי חיידקי המעיים של בעלי חיים אינם מסוגלים לשרוד בקרקע לאורך זמן [1]. לכן, לא סביר להניח שהגנים לעמידות שנמצאו במכלאות שננטשו במשך שנים נישאים על-ידי חיידקי מעיים. ייתכן שהגנים הועברו לחיידקי קרקע באמצעות מנגנון של העברת גנים אופקית (Horizontal gene transfer) [5]. ואכן, נמצא כי החיידקים המשתייכים לקבוצת ה-Gammaproteobacteria (קבוצה הכוללת חיידקי מעיים) היו הנפוצים ביותר במכלאות פעילות – כ-39% מכלל קבוצות החיידקים, אך שיעורם ירד עם הזמן לאחר הנטישה, והגיע לכ-7% בלבד (בקרקע הביקורת ובמכלאות הנטושות). קבוצה פילוגנטית (Phylum) זו כוללת סוגים שונים של חיידקים פתוגניים [9], כגון Pseudomonas spp., Salmonella spp., Yersinia spp., Vibrio spp. ו-Escherichia coli.
יש לציין כי בניסוי המשך שביצענו במכלאות אחרות, נמצאו נוסף לגנים המקנים עמידות לטטרציקלין, גם רמות גבוהות של גנים המקנים עמידות לסוגי אנטיביוטיקה אחרים, כגון פניצילין, אריתרומיצין וונקומיצין, וכן לאנטיביוטיקה מקבוצת קוינולון שפוגעת בתהליך שכפול הדי-אן-איי של חיידקים וכך גורמת למותם המהיר.
Sheep corrals in planted Negev forests as reservoirs of antibiotic resistance genes and sources of environmental pollution
Eli Zaady [1, 2] and Ali Najidat [3]
[1] Katif Research & Development Center, The Ministry of Innovation, Science and Technology, Sdot Negev (Israel) [email protected]
[2] Sapir Applied Sciences Institute (SASI), Sapir College (Israel)
[3] Department of Hydrology and Environmental Microbiology, Zuckerberg Institute for Water Research, Jacob Blaustein Institutes for Desert Research, Ben-Gurion University of the Negev (Israel) [email protected]
The forestry systems in the semi-arid regions of the northwestern Negev have experienced fires over the years that affect soil and plant properties, both locally and at the landscape level, and consequently the structure, function, and ecosystem services of natural and cultural landscapes. To overcome this problem and reduce herbaceous biomass and fire risk, dozens of sheep flocks are transferred to seasonal grazing (typically for about 4 months) in planted forests at the end of the winter season and in the spring. The flocks go out to graze during the day and are kept in temporary corrals at night for their protection. The result is a gradual accumulation of excretions in the pens that enrich the soil with organic matter, including antibiotics, which are given to the sheep mainly as a prophylactic treatment. The study of corral soil found high levels of genes conferring tetracycline resistance in both active and abandoned pens. Since these pens can serve as reservoirs of antibiotic resistance genes for up to 10 years after abandonment, operators should take action each season to manage excretions. Specifically, compost or remove manure every year to help reduce antibiotic resistance genes and lessen the risk of environmental spread.
מקורות
- Chee-Sanford JC, Mackie PI, Koike S, et al. 2009. Fate and transport of antibiotic residues and antibiotic resistance genes following land application of manure waste. Journal of Environmental Quality 38(3): 1086–1108.
- Ghosh S and LaPara TM. 2007. The effect of subtherapeutic antibiotic use in farm animals on the proliferation and persistence of antibiotic resistance among soil bacteria. The ISME Journal 1:191–203.
- Goldshleger N, Shamir O, Basson U, and Zaady E. 2019. Frequency domain electromagnetic method (FDEM) as a tool to study contamination at the sub-soil layer. Geosciences 9: 382.
- Ji X, Shen Q, Liu F, et al. 2012. Antibiotic resistance gene abundances associated with antibiotics and heavy metals in animal manures and agricultural soils adjacent to feedlots in Shanghai; China. Journal of Hazardous Materials 235: 178–185.
- Roberts MC. 2011. Environmental macrolide–lincosamide–streptogramin and tetracycline resistant bacteria. Frontiers in Microbiology 2: 40.
- Veblen KE. 2012. Savanna glade hotspots: Plant community development and synergy with large herbivores. Journal of Arid Environments 78: 119–127.
- Vinograd A, Zaady E, and Kigel J. 2019. Dynamics of soil nutrients in abandoned sheep corrals in semi-arid Mediterranean planted forests under grazing. Journal of Arid Environments 164: 38–45.
- Vinograd A, Zaady E, and Kigel J. 2020. Abandoned corrals: Colonization and vegetation recovery of ephemeral habitats in silvopastoral systems. Journal of Plant Ecology 13: 722–731.
- Williams KP, Gillespie JJ, Sobral BWS, et al. 2010. Phylogeny of Gammaproteobacteria. Journal of Bacteriology 92: 2305–2314.
קריאה נוספת
מסמך המכיל מסד נתונים לטובת צמצום המפגעים הסביבתיים הנגרמים מפסולת חקלאית, והפיכתה של פסולת זו ממטרד למשאב. מסד הנתונים כולל אומדנים כמותיים ועדכניים של כל סוגי תוצרי הלוואי בחקלאות ישראל, כולל שימוש מיטבי בחומר אורגני בקרקעות החקלאיות.
גרינהוט צ, צדיקוב א, פרידקין צ ואחרים. 2015. תוצרי הלוואי בחקלאות ישראל – מסמך מסכם לקביעת מדיניות והערכת עלויות. משרד החקלאות ופיתוח הכפר, משרד להגנת הסביבה ומרכז המועצות האזוריות.
מאמר הסוקר אוסף ממצאים שעוסקים במצב הקרקע לאחר שמפזרים עליה זבל מן החי, בהיבטים של הימצאות שאריות של תרופות אנטיביוטיות והעברת הגנים לעמידות לאנטיביוטיקה בין המיקרואורגניזמים בה.
Chee-Sanford JC, Mackie RI, Koike S, et al. 2009. Fate and transport of antibiotic residues and antibiotic resistance genes following land application of manure waste
