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Effects of selected pharmaceuticals on riverine biofilm communities

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Although pharmaceutical and therapeutic products are widely found in the natural environment, there is limited understanding of their ecological effects. Here we used rotating annular bioreactors to assess the impact of 10 µg·L–1 of the selected pharmaceuticals ibuprofen, carbamazepine, furosemide, and caffeine on riverine biofilms. After 8 weeks of development, community structure was assessed using in situ microscopic analyses, fluor-conjugated lectin binding, standard plate counts, fluorescent in situ hybridization, carbon utilization spectra, and stable carbon isotope analyses. The biofilm communities varied markedly in architecture although only caffeine treated biofilms were significantly thicker. Cyanobacteria were suppressed by all 4 compounds, whereas the nitrogen containing caffeine, furosemide, and carbamazepine increased algal biomass. Ibuprofen and carbamazepine reduced bacterial biomass, while caffeine and furosemide increased it. Exopolymer content and composition of the biofilms was also influenced. Significant positive and negative effects were observed in carbon utilization spectra. In situ hybridization analyses indicated all treatments significantly decreased the gamma-proteobacterial populations and increased beta-proteobacteria. Ibuprofen in particular increased the alpha-proteobacteria, beta-proteobacteria, cytophaga-flavobacteria, and SRB385 probe positive populations. Caffeine and carbamazepine additions resulted in significant increases in the high GC354c and low GC69a probe positive cells. Live–dead analyses of the biofilms indicated that all treatments influenced the ratio of live-to-dead cells with controls having a ratio of 2.4, carbamazepine and ibuprofen being 3.2 and 3.5, respectively, and furosemide and caffeine being 1.9 and 1.7, respectively. Stable isotope analyses of the biofilms indicated 13C values shifted to more negative values relative to control biofilms. This shift may be consistent with proportional loss of cyanobacteria and relative increase in algal biomass rather than incorporation of pharmaceutical carbon into microbial biofilm. Thus, at 10 ug·L–1 levels pharmaceuticals exhibit both nutrient-like and toxic effects on riverine microbial communities.Key words: carbamazepine, ibuprofen, furosemide, caffeine, laser microscopy, digital imaging, in situ hybridization, stable isotopes.

Bien que les produits pharmaceutiques et thérapeutiques sont communément retrouvés dans la nature, notre compréhension de leurs effets écologiques est limitée. Nous avons utilisé des bioréacteurs rotatifs annulaires afin d'évaluer l'impact de 10 µg·L–1 des produits pharmaceutiques ibuprofène, carbamazépine, furosémide et caféine sur des biofilms riverains. Après huit semaines de développement, la structure des communautés fut évaluée à l'aide d'analyses microscopiques in situ, de la liaison à des lectines conjuguées à des fluorochromes, de décomptes courants sur pétri, d'hybridation fluorescente in situ, du spectre d'utilisation du carbone et d'analyses d'isotopes stables du carbone. L'architecture des communautés des biofilms a varié sensiblement bien que seuls les biofilms traités avec de la caféine étaient significativement plus épais. Les cyanobactéries furent supprimées par les quatre composés alors que la caféine contenant de l'azote, le furosémide et la carbamazépine ont augmenté la biomasse des algues. L'ibuprofène et la carbamazépine ont diminué la biomasse bactérienne alors que la caféine et le furosémide l'ont augmenté. Le contenu en exopolymères et la composition des biofilms fut également influencée. Les spectres d'utilisation du carbone furent positivement et négativement influencés. Les analyses d'hybridation in situ ont indiqué que tous les traitements ont significativement diminué les populations de gamma-protéobactéries et augmenté les bêta-protéobactéries. L'ibuprofène a tout particulièrement augmenté les alpha-protéobactéries, les bêta-protéobactéries, les cytophaga-flavobactéries et les populations positives pour la sonde SRB385. L'ajout de caféine et de carbamazépine a entraîné des augmentations significatives des cellules positives pour la sonde GC354c élevée et la sonde GC69a basse. Des analyses de vie-mort des biofilms ont indiqué que tous les traitements ont influencé le rapport de cellules vivantes sur mortes, les témoins ayant un rapport de 2,4, la carbamazépine et ibuprofène ayant respectivement 3,2 et 3,5 et le furosémide et la caféine ayant respectivement 1,9 et 1,7. Les analyses d'isotopes stables des biofilms ont indiqué que les valeurs de 13C se sont déplacées vers des valeurs inférieures aux biofilms témoins. Ce déplacement s'accorderait avec une perte proportionnelle de cyanobactéries et une augmentation relative de la biomasse des algues plutôt que d'une incorporation du carbone pharmaceutique dans le biofilms microbien. Ainsi, à des niveaux de 10 µg·L–1, les produits pharmaceutiques ont démontré à la fois des effets nutritifs et toxiques sur les communautés microbiennes riveraines.Mots clés : carbamazépine, ibuprofène, furosémide, caféine, microscopie laser, imagerie numérique, hybridation in situ, isotopes stables.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: 2005-08-01

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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