background image

 

How suitable is freshwater sponge 

Ephydatia fluviatilis 

(Linnaeus, 1759) for time-

integrated biomonitoring of microbial water quality? 

 

Authors 

Allison Cartwright

1*

, James S.G. Dooley

1

, Chris D. McGonigle

1

, Joerg Arnscheidt

 

Ulster University, Cromore Road, Coleraine, Northern Ireland, BT52 1SA

*

Corresponding contact 

 

a.cartwright@ulster.ac.uk

 

ORCID ID 

Allison Cartwright - 0000-0003-2796-4048 

10 

James S.G. Dooley - 0000-0002-9459-5572 

11 

Chris D. McGonigle 

 0000-0002-0262-0559 

12 

Joerg Arnscheidt - 0000-0002-9744-9917 

13 

 

14 

Abstract 

15 

Faecal  pollution  of  water  by  bacteria  has  a  negative  effect  on  water  quality  and  can  pose  a 

16 

potential  health  hazard.  Conventional  surveillance  of  microbial  water  quality  relies  on  the 

17 

analysis  of  low  frequency  spot  samples  and  are  thus  likely  to  miss  episodic  or  periodic 

18 

pollution.  This  study  aimed  to  investigate  the  potential  of  filter  feeding  sponges  for  time-

19 

integrated  biomonitoring  of  microbial  water  quality.  Laboratory  trials  tested  the  effects  of 

20 

different ratios of bacterial abundance and the sequence of exposure on bacterial retention by 

21 

the  freshwater  sponge 

Ephydatia  fluviatilis 

(Linnaeus,  1759)  to  establish  their  potential  to 

22 

indicate bacterial exposure. 

 

23 

 

24 

Gemmule grown sponges were simultaneously exposed to 

Escherichia coli 

and

 Enterococcus 

25 

faecalis 

but  at  different  ratios  (Trial  1)  or  individually  exposed  to  each  of  bacterial  species 

26 

but in different sequential order (Trial 2). The 

E. coli 

and

 E. faecalis 

retained in each sponge 

27 

was  quantified  by  culture  on  selective  agars.  Data  analysis  was  conducted  using  Kruskal- 

28 

Wallis  test  and/  or  Mann  Whitney  U  test  to  compare  between  the  numbers  of  bacteria 

29 

retained in each treatment. Additionally, the Wilcoxon Matched-Paired Signed-Rank test was 

30 

used  for  comparison  of  the  different  bacterial  abundance  retained  within  each  individual 

31 

sponge. 

32 

 

33 

Sponges  from  all  trials  retained 

E.  coli 

and

  E.  faecalis

  in  small  numbers  relative  to  the 

34 

exposure  (<0.05%  Trial  1  and  <0.07%  Trial  2)  but  exhibited  preference  for  retention  of 

E. 

35 

coli

.  Higher  abundance  of  either  bacterial  species  resulted  in  significantly  lower  (p<0.005) 

36 

retention of the same species within sponges (Trial 1). An initial exposure to 

E. coli

 resulted 

37 

in significantly higher (p=0.040) retention of both bacterial species than when sponges were 

38 

exposed to 

E. faecalis

 first (Trial 2).  

39 

 

40 

Bacterial  retention  by  sponges  was  neither  representative  of  bacterial  abundance  in  the 

41 

ambient  water  nor  the  sequence  of  exposure.  This  implies  either  selective  filtration  or  an 

42 

attempt  by  sponges  to  prevent  infection.  However,  freshwater  sponges  may  be  useful  in 

43 

biomonitoring as qualitative time-integrated samplers of faecal indicator bacteria.   

44 

 

45 

Keywords 

46 

Water  quality  monitoring,  faecal  pollution,  freshwater  sponges, 

Ephydatia  fluviatilis,

 

47 

Enterococcus faecalis, E. coli

  

48 

 

49 

Prepr

int

Preprint DOI:

Posted on August 17, 2023

https://doi.org/10.1099/acmi.0.000691.v1

© 2023 Crown Copyright. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons
Attribution License.

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

 

 

 

50 

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

 

1. Introduction

 

51 

Freshwater  and  transitional  water  bodies  can  receive  high  inputs  of  bacteria  including 

52 

enterococci and 

Escherichia coli

 from human and animal waste (Walk 

et al.

, 2007; Longo 

et 

53 

al.

,  2010;  Gao 

et  al.

,  2013).  This  bacterial  pollution  not  only  compromises  the  integrity  of 

54 

aquatic  ecosystems  but  can  also  have  negative  effects  on  human  health  as  sewage  contains 

55 

pathogenic bacteria and viruses (Cabral, 2010;  Longo 

et al.

, 2010). Furthermore, Metcalf 

et 

56 

al. 

(2023)  found  that  faecal  indicator  bacteria  can  bind  with  other  anthropogenic  pollutants 

57 

including  glass  and  microplastics,  allowing  them  to  persist  in  the  environment  for  over  25 

58 

days  and  so  they  may  be  present  long  after  a  pollution  event.  Recently,  within  the  United 

59 

Kingdom  (UK),  there  has  been  an  increase  in  public  awareness  of  storm  overflow 

60 

management  which  allows  wastewater  including  storm  flow  and  raw  sewage  to  be  released 

61 

directly into water systems. In 2022, from 13,080 monitored storm overflows, there has been 

62 

a total of 301,091 events with the release of untreated wastewater into English water systems 

63 

(DEFRA,  2023).  All  these  events  contribute  to  faecal  pollution  of  aquatic  systems,  and  in 

64 

extreme cases they cause mass fish mortality in river systems. For example, in 2017 Anglian 

65 

Water (UK) released around 6 million litres of raw sewage killing 5,000 fish, resulting in a 

66 

fine  of  £560,170  (Environmental  Agency,  2023).  Therefore,  faecal  indicator  bacteria  are 

67 

monitored so that the public can be warned when the level of water contamination presents an 

68 

increased risk of exposure to harmful pathogens  (Wiedenmann 

et al.

, 2006; Ferguson 

et al.

69 

2012). Among the bacteria routinely sampled to  indicate microbial water quality are 

E.  coli

 

70 

and 

Enterococcus

  spp.  (Wiedenmann 

et  al.

,  2006;  Ferguson 

et  al.

,  2012;  Metcalf 

et  al.

71 

2023).  If counts of these, or other faecal  indicator  bacteria, exceed the acceptable threshold 

72 

values  set  by  regulatory  agencies  the  water  should  not  be  used  for  bathing  or  drinking 

73 

purposes until bacterial counts drop to safe levels (Fu 

et al.

, 2006; Kay 

et al.

, 2006; Harwood 

74 

et al.

, 2014).  

75 

 

76 

Regulators conventionally evaluate microbial parameters based on low frequency, single spot 

77 

water  samples  (Kirchner 

et  al.

,  2004;  Briciu-Burghina 

et  al.

,  2014).  While  this  type  of 

78 

sampling  can  show  bacterial  abundance  through  culture-based  quantification,  it  will  only 

79 

indicate the bacterial load at a few random points in time and is thus likely to miss episodic, 

80 

periodic or persistent  pollution. However, filter feeders such as sponges process  waterborne 

81 

bacteria  and  potentially  also  accumulate  bacteria  from  episodic  pollution  over  an  extended 

82 

period  of  time  when  post  event  water  samples  would  not  detect  them  anymore.  When 

83 

sponges  are  feeding  they  have  the  ability  to  retain  bacteria  in  their  mesohyl  (Wehrl 

et  al.

84 

2007; Topçu 

et al.

, 2010; Perea-Blázquez 

et al.

, 2013). A sponge sampled at any given point 

85 

will  contain  bacteria  which  have  been  filtered  from  the  water  either  awaiting  digestion  or 

86 

have  been  incorporated  as  symbionts  (Fu 

et  al.

,  2006;  Wehrl 

et  al.

,  2007).  Thus,  the 

87 

quantification of bacteria retained within sponges could be used as an indication of the filter 

88 

organisms’  exposure  to  waterborne  bacteria. 

Therefore,  this  study  aimed  to  investigate  the 

89 

potential of freshwater sponges to be used for time-integrated biomonitoring of bacteria. We 

90 

determined the retention of the faecal indicator bacteria 

E. coli 

and 

Enterococcus faecalis 

by 

91 

developing  a  novel  model  system,  based  on  in  vitro  cultivation  of 

E.  fluviatilis 

to  quantify 

92 

bacterial retention by sponges

The experimental approach was to test  individual sponges in 

93 

laboratory  microcosms  with  regard  to  the  effect  of  sponge  exposure  to  these  bacteria  in 

94 

different abundance ratios and varied sequence of exposure.  

95 

 

96 

2. Methods 

97 

Two laboratory trials were conducted to explore the retention of bacteria by sponges and how 

98 

this related to different modes of exposure. Trial 1 tested simultaneous exposure of sponges 

99 

to 

E. coli 

and 

E. faecalis

, but at different abundance ratios. Trial 2 exposed sponges to either 

100 

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

 

E. coli 

or 

E. faecalis

 before removal of sponges for subsequent exposure to the other bacterial 

101 

species. These trials were conducted to  establish if the abundance of 

E. coli 

and 

E.  faecalis

 

102 

retained by sponges were a quantitative representation of their numerical ratio in the ambient 

103 

water laboratory microcosms (trial 1) or whether it responded to the sequence of exposure to 

104 

different bacteria in laboratory microcosms (trial 2).  

105 

 

106 

2.1 Culturing of sponges 

107 

Ephydatia fluviatilis (

Linnaeus, 1759) gemmules were surface sterilised by submersion in 1% 

108 

H

2

O

2

  for  10  min  prior  to  hatching  (modified  method  from  Rasmont,  1970).  To  allow  for 

109 

movement  of the sponges, gemmules were hatched  onto  a piece of 4  cm

2

 transparency

 

film 

110 

(Xerox type 1) in a 6 cm diameter petri dish containing 10 ml UV treated (10 min at 254 nm) 

111 

mineral  water.  Culturing  in  mineral  water  enabled  high  hatching  rates  as  it  contains  silica 

112 

required  for  spicule  formation.  Seven-day-old  sponges  were  used  for  all  experiments  with 

113 

their individual horizontal dimensions (mm

2

) measured at the start of the trials. 

114 

 

115 

2.2 Culturing of bacteria 

116 

The bacteria used for these experiments were 

E. coli

 GFP (ATCC 25922GFP) and 

E. faecalis

 

117 

(MW01105  -  Conwell 

et  al.

  2017).  Before  each  experimental  addition  of  bacteria,  a  10  ml 

118 

overnight culture was  grown of each bacteria culture separately. Each culture was produced 

119 

using  10  ml  of  nutrient  broth  in  a  universal  tube  to  which  1  bead  coated  with  the  specific 

120 

bacteria was added from the -80 

 stock culture. This suspension was mixed and incubated 

121 

at 37 

 for 18 h. 

122 

 

123 

2.3 Bacterial addition 

 (trial 1) ratios of E. coli and E. faecalis 

124 

Universal  tubes  with  18  ml  of  UV  treated  mineral  water  had  2  ml  of  bacterial  suspension 

125 

added from the overnight nutrient broth culture. The bacteria suspension contained different 

126 

ratios of 

E. coli

 to 

E. faecalis

. There were 22 replicates conducted over three trials for each of 

127 

the following 

E. coli

:

 E. faecalis 

ratios: 10:90; 50:50; 90:10. Sponges on transparency films 

128 

were  placed  into  the  tube,  so  that  they  were  leaning  on  the  wall,  to  minimise  settling  of 

129 

bacteria on sponge surfaces due to deposition. These tubes were kept at 20 ºC for 24 h.  

130 

 

131 

2.4 Bacterial addition 

 (trial 2) separate exposure to E. coli and E. faecalis

 

132 

Universal tubes with 19 ml of UV treated mineral water had 1 ml bacteria suspension added 

133 

(either 

E.  coli 

or 

E.  faecalis

)  before  the  sponge  was  introduced  on  transparency  film  and 

134 

positioned  to  lean 

on  the  tube’s 

interior  side  wall.  There  were  eight  replicates  for  each 

135 

exposure conducted over two trials, however one sponge exposed to 

E. coli 

first died so was 

136 

excluded.  The  tubes  were  incubated  at  20  ºC  for  24  h  before  the  sponge  was  removed  and 

137 

washed. The sponge was then placed in a fresh universal tube with mineral water and 1 ml of 

138 

the  bacterial  species  that  the  sponge  had  not  been  previously  exposed  to.  These  were 

139 

incubated at 20 ºC for a further 24 h.  

140 

 

141 

2.5 Sample processing (trial 1 and 2) 

142 

After exposure to bacteria, transparency films with sponges were removed and washed with 

143 

autoclaved  deionised  water  three  times  to  remove  bacteria  from  the  surface  before  being 

144 

placed in a fresh tube with 20 ml of UV treated mineral water. These were left for a further 

145 

24 h to allow the sponges to incorporate the bacteria retained. To end the trial, sponges and 

146 

transparency film were once again washed as described above before the sponges were lifted 

147 

and placed into an Eppendorf tube with 1 ml of autoclaved water. Each Eppendorf tube was 

148 

vortexed  for  2  min  to  extract  the  bacteria  before  tenfold  serial  dilutions  to  10

-6

.  The  vortex 

149 

action disintegrated the sponge into single cells so any live bacteria could be quantified.  The 

150 

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

 

samples for bacteria analysis were tested for 

E. coli

 and 

E. faecalis

 using MacConkey No. 3 

151 

and  Slanetz  &  Bartley  agars  respectively.  The  dilutions  were  plated  onto  each  selective 

152 

medium in six 20 µl aliquots and incubated at 37 °C for 48 h before total viable colonies were 

153 

counted.  

154 

 

155 

2.6 Data visualisation and analysis  

156 

Counts  were  converted  to  colony  forming  units  (cfu)  per  mm

2

  of  sponge  surface  for  each 

157 

individual sponge as follows: 

158 

B

S

 = N 

159 

   

 

    A 

160 

Where B

S

 = bacteria in sponge, N = bacteria number per 1 ml, A = sponge area (mm

2

161 

 

162 

The  bacterial  numbers  in  all  sponge  replicates  were  used  to  calculate  the  arithmetic  means 

163 

and standard error values for each experimental group, for 

E. coli 

or 

E. faecalis

. The bacterial 

164 

counts  from  sponges  for  each  bacteria  type  was  converted  to  represent  the  percentage 

165 

retained of the original 

E. coli 

and 

E. faecalis 

added to the experimental tube. Statistical tests 

166 

were carried out in SPSS (RRID:SCR_002865) using the bacterial counts from each sponge. 

167 

Kolmogorov 

Smirnov tests showed that bacteria retention was not normally distributed and 

168 

so  different  treatments  were  tested  for  significant  differences  (p<0.05)  with  Kruskal  Wallis 

169 

tests and post  hoc pairwise comparisons  using Bonferroni  corrected Mann

Whitney U tests 

170 

(trial 1) or the Mann-Whitney U test (trial 2). To test for significant differences (p<0.05) in 

171 

the bacteria retained by the individual sponges, Wilcoxon Matched-Paired Signed-Rank tests 

172 

were conducted for both trials.  

173 

 

174 

3. Results 

175 

The 

laboratory  experiments quantified the sponges’ response to 

the  simultaneous  exposure 

176 

with 

E. coli 

and 

E. faecalis 

at  different  ratios  (trial 1)  and to  a different  sequential  order of 

177 

exposure with an identical abundance of the two bacterial species

 

(trial 2).  

178 

 

179 

3.1 Retention of E. coli and E. faecalis in sponges exposed to different ratios of both bacteria 

180 

(trial 1) 

181 

The  percentage  of  bacterial  retention  by  sponges  was  very  low  regardless  of  the  initial 

182 

bacterial concentration, and the bacterial retention of sponges never exceeded 0.05% (Figure 

183 

1)  possibly  owing  to  the  small  size  of  the  sponges  (<6  mm

2

)  as  they  were  hatched  from  a 

184 

single  gemmule and  could  not  merge into larger  organisms as occurs in  rivers. Considering 

185 

each  bacterial  species  separately,  there  was  a  significant  difference  between  the  bacterial 

186 

retention  for  both 

E.  coli 

and 

E.  faecalis 

(

E.  coli 

H=14.25, 

df

=2,  p=0.001; 

E.  faecalis 

187 

H=13.24, 

df

=2, p=0.001). The relative 

E. coli

 retention  by  sponges was significantly higher 

188 

when it  constituted 10% and 50% of the bacterial  suspension than  when it  was  90%  (10%-

189 

90%  U=95  p<0.001;  50%-90%  U=136,  p=0.005).  A  similar  pattern  was  observed  for 

E. 

190 

faecalis 

retention  whereby  the  amount  retained  was  higher  at  10%  than  50%  and  was 

191 

significantly lower when it represented 90% of the assemblage of waterborne bacteria (10%-

192 

90% U=405 p=0.001; 50%-90% U=136, p=0.005). Thus, higher relative abundances of both 

193 

tested bacteria appeared to result in lower retention within the sponge.  

194 

 

195 

Considering the combined pattern of both bacterial species, retention values for 

E. coli 

were 

196 

always higher than for 

E. faecalis

 in individual sponges, even when 

E. coli 

formed only 10% 

197 

of the bacterial exposure thus  indicating that  sponges  may  have a higher  ability to  retain 

E. 

198 

coli

.  When  sponges  were  exposed  to  10% 

E.  coli 

and  90% 

E.  faecalis

  or  assemblages  with 

199 

50% representation of both bacteria, they retained significantly higher abundances of 

E. coli

 

200 

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

 

the same validated filtration test design for gemmule grown juvenile sponges our 

E. fluviatilis 

268 

colonies  actually  achieved  a  greater  reduction  of  waterborne 

E.  coli

  concentrations  in  96  h 

269 

filtration  tests  (Cartwright,  2018).  With  an  obvious  dependence  on  colony  size,  higher 

270 

clearance  rates  and  bacteria  accumulation  have  been  reported  for  large  colonies  of  marine 

271 

sponges  (Milanese 

et  al.

  2003;  Fu 

et  al.

  2006).  Yet  our  study  was  conducted  with  juvenile 

272 

sponges  as  unlike  sponge  colonies  the  gemmules  these  are  grown  from  can  be  surface 

273 

sterilised  to  exclude  any  associated  bacteria  which  were  not  added  to  the  microcosm  for 

274 

exposure.   

275 

 

276 

Our study showed that 

E. fluviatilis 

preferably retained 

E. coli 

to 

E. faecalis

 regardless of the 

277 

level of experimental exposure to bacteria. Previous research has led to varying conclusions. 

278 

Some marine sponges appear to have no selectivity in their retention ability (Pile 

et al.

, 1996; 

279 

Wehrl 

et  al.

,  2007).  However,  more  recent  evidence  for  selective  feeding  in  sponges  has 

280 

documented  that  some  species  may  indeed  be  able  to  filter  specific  strains  or  groups  of 

281 

bacteria at a faster rate (Maldonado 

et al.

, 2010; McMurray 

et al.

, 2016) and there is evidence 

282 

that  differences  in  digestibility  could  encourage  selective  feeding  (Maldonado 

et  al

.,  2010). 

283 

Our  study  appears  to  be  the  first  to  provide  information  on  the  rates  of  the  filtration  or 

284 

retention  by  sponges  for  enterococcus  and  bacteria  assemblages  which  include  this  faecal 

285 

indicator  organism,  while  most  previous  research  has  been  conducted  on 

E.  coli

.  As  Gram 

286 

positive and Gram negative bacteria these test organisms differ in their cell wall structure and 

287 

this may also lead to different digestibility.  

288 

 

289 

The  observed  low  retention  of  bacteria  could  also  result  from  an  infection  of  the  sponge 

290 

tissue which may compromise a 

colony’s 

filtration ability and digestive system. Sponges can 

291 

succumb to bacterial infection where their cells become overrun with bacteria causing death 

292 

to the organism (Böhm 

et al.

, 2001). Fu 

et al.

 (2013) demonstrated the infection of the marine 

293 

sponge 

Hymeniacidon  perleve 

with 

Vibrio 

spp.  through  genetic  markers  for  cell  death. 

294 

However, 

E.  coli 

did  not  infect  the  sponge  species  they  investigated.  Many  studies  have 

295 

successfully  used 

E.  coli

  for  the  investigation  of  sponge  filtration  rates  (Reiswig,  1975; 

296 

Willenz 

et al.

, 1986; Milanese 

et al.

, 2003) and our own filtration tests (Cartwright, 2018) do 

297 

not suggest that exposure to these bacteria had a negative effect on freshwater sponges. While 

298 

there appears to be no information on the pathogenicity of 

E. faecalis 

for sponges, it has been 

299 

demonstrated  by  fluorescent 

in  situ

  hybridization

 

that 

E.  faecalis

  cells  attach  and  aggregate 

300 

on the external and internal structure of gemmule grown 

E. fluviatilis 

(Cartwright 

et al. 

2020) 

301 

which may indicate an infection capacity. Biofilms of enterococci have been found to release 

302 

surface aggregation proteins by quorum sensing regulators that can trigger a virulence mode 

303 

thus causing infection (Arias and Murray, 2012; Zheng 

et al.

 2017). If 

E. faecalis

 can infect 

304 

sponges,  there  could  be  an  evolutionary  advantage  in  ejecting  or  egesting  these  bacteria 

305 

selectively and this may indeed explain their low retention by sponges throughout our study. 

306 

Such a response would compromise the suitability of sponges for quantitative time-integrated 

307 

monitoring.  

308 

 

309 

When  exposed  to  only  one  of  the  two  bacteria  species  in  these  trials  before  subsequent 

310 

exposure to the other species, 

E. fluviatilis 

retained more 

E. coli

 regardless of the sequential 

311 

order  of  exposure.  This  confirms  that  sponges  can  be  qualitative  indicators  of  bacterial 

312 

presence  for  an  extended  time  period;  however,  the  abundance  of  retained  bacteria  in  a 

313 

sponge also does not appear indicative of the sequence of exposure to different bacteria. Yet 

314 

this does not prevent applications of sponges for sampling a historic pollution signature. For 

315 

example,  if  a  faecal  pollution  episode  occurred  two  days  before  sampling,  a  sustained 

316 

presence  of  faecal  indicator  bacteria  would  be  unlikely  in  a  water  sample  while  a  sponge 

317 

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

 

sample could allow for its detection. Future studies should therefore investigate the length of 

318 

time  sponges  can  retain  filtered  bacteria  post  exposure  and  the  minimal  concentration  and 

319 

load of bacteria required in exposure to be detectable in a sponge sample. This would test the 

320 

suitability of sponges for time-integrated qualitative surveillance monitoring of water quality.   

321 

 

322 

5. Conclusion 

323 

This  study  presents  evidence  that  sponges  may  be  suitable  for  the  detection  of  microbes 

324 

associated with current and historic faecal pollution episodes. Investigated juvenile 

Ephydatia 

325 

fluviatilis 

colonies retained a lower proportion of waterborne bacteria especially when these 

326 

had  been  in  very  high  abundance  thus  demonstrating  that  sponge  tissue  analysis  will  only 

327 

yield  qualitative  but  not  quantitative  data  for

 

the  presence  of  indicator  bacteria  for  faecal 

328 

pollution  in  aquatic  systems  for  biomonitoring  purposes.  This  study  also  presents  first 

329 

evidence  for  the  preferential  retention  of 

E.  coli 

over 

E.  faecalis 

by  freshwater  sponge 

E. 

330 

fluviatilis. 

Sponges  can  thus  provide  a  time  integrated  qualitative  record  of  the  presence  of 

331 

indicator  bacteria  from  episodic  faecal  pollution  in  aquatic  systems.  They  may  therefore  be 

332 

suitable  for  surveillance  monitoring  of  water  quality  where  only  low  frequency  sampling  is 

333 

feasible.  Monitoring  of  natural  bathing  water  sites  may  be  a  potential  application  as 

334 

conventional  monitoring  relies  on  water  sampling  intervals  of  one  week  or  longer.  Future 

335 

studies should therefore validate detection limits, i.e. the minimal bacterial exposure required 

336 

for retention by sponges and the duration of detectable retention as evidence of past pollution 

337 

events.  These  would  help  to  determine  the  suitability  of  sponges  for  qualitative  time 

338 

integrated monitoring of faecal indicator bacteria in aquatic systems. If the required minimal 

339 

bacteria concentrations for retention by sponges were aligned to health relevant water quality 

340 

thresholds that would enable useful applications. 

341 

 

342 

Conflicts of Interests 

343 

The authors declare that there are no conflicts of interests. 

344 

 

345 

All work was conducted by the authors. Kindly note that much of this work has been reported 

346 

previously in my PhD thesis cited below (Cartwright, 2018). 

347 

 

348 

Ethical approval 

349 

No ethical approval was required for this research.  

350 

 

351 

Funding information 

352 

The  laboratory  work  was  funded  by  the  Northern  Ireland  Department  for  Education  and 

353 

Learning as part of a PhD studentship.  

354 

 

355 

Author contribution 

356 

AC  investigation,  methodology,  writing;  JSGD  conceptualization,  supervision,  writing;  CM 

357 

supervision; JA conceptualization, supervision, writing.  

358 

 

359 

Data summary 

360 

The  raw  data  for  the  bacterial  counts,  sponge  sizes,  bacteria  per  mm

2

  of  sponge  and  %  of 

361 

added  bacteria  retained  are  given  for  each  treatment  in  each  trial.  Trial  1  was  the  bacteria 

362 

retained when sponges were exposed to 

E. coli

 and 

E. faecalis

 in different ratios. Trail 2 was 

363 

the  bacteria  retained  when  sponges  were  exposed  to 

E.  coli

  or 

E.  faecalis 

first  and  the 

364 

opposite 

second. 

All 

data 

used 

is 

available 

from 

365 

https://figshare.com/s/da59abc86c8d0e7887d7

  

366 

 

367 

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

10 

 

References 

368 

Arias,  C.A.  &  Murray,  B.E.,  2012.  The  rise  of  the  Enterococcus:  beyond  vancomycin 

369 

resistance. Nat. Rev. Microbiol. 10(4), 266

278. doi: 10.1038/nrmicro2761. 

370 

 

371 

Böhm,  M.,  Hentschel,  U.,  Friedrich,  A.,  Fieseler,  L.,  Steffen,  R.,  Gamulin,  V.,  Müller,  I., 

372 

Müller,  W.,  2001.  Molecular  response  of  the  sponge 

Suberites  domuncula

  to  bacterial 

373 

infection. Mar. Biol. 139(6), 1037

1045. doi: 10.1007/s002270100656. 

374 

 

375 

Briciu-Burghina, C., Sullivan, T., Chapman, J., Regan, F., 2014. Continuous high-frequency 

376 

monitoring  of  estuarine  water  quality  as  a  decision  support  tool:  A  Dublin  Port  case  study. 

377 

Environ. Monit. Assess. 186(9), 5561

5580. doi: 10.1007/s10661-014-3803-9. 

378 

 

379 

Cabral, J.P.S., 2010. Water microbiology. Bacterial pathogens and water. Int. J. Environ. Res. 

380 

Pub. H. 7(10), 3657

3703. doi: 10.4236/jwarp.2013.510101. 

381 

 

382 

Campos, C. J. A., Avant, J., Lowther, J., Till, D., Lees, D., 2013. Levels of Norovirus and E. 

383 

coli in Untreated, Biologically Treated and UV-Disinfected Sewage Effluent Discharged to a 

384 

Shellfish Water. JWARP. 05(10), 978

982. doi: 10.4236/jwarp.2013.510101. 

385 

 

386 

Cartwright, A., Arnscheidt, J., Conwell, M., Dooley, J.S.G., McGonigle, C., Naughton, P.J., 

387 

2020. Effects of freshwater sponge 

Ephydatia fluviatilis 

on conjugative transfer of 

388 

antimicrobial resistance in 

Enterococcus faecalis 

strains in aquatic environments. Lett. Appl. 

389 

Microbiol. 71(1), 39-45. doi: 10.1111/lam.13310. 

390 

 

391 

Cartwright,  A.,  2018.  Freshwater  Sponges  and  their  interaction  with  bacteria  through 

392 

filtration, retention and antimicrobial properties

PhD thesis, Ulster University. 

393 

Conwell, M., Daniels, V., Naughton, P.J., Dooley, J.S.G., 2017. Interspecies transfer of 

394 

vancomycin, erythromycin and tetracycline resistance among Enterococcus species recovered 

395 

from agrarian sources. BMC Microbiol. 17(19), 1-8. doi:10.1186/s12866-017-0928-3 

396 

Daniels, V., 2011.  Antibiotic-resistant bacteria in  Irish waters:  Molecular  epidemiology and 

397 

hydrological control. University of Ulster, United Kingdom. 

 

398 

 

399 

DEFRA (2023) Event Duration Monitoring - Storm Overflows - Annual Returns [online]. 

400 

Available from https://environment.data.gov.uk/dataset/21e15f12-0df8-4bfc-b763-

401 

45226c16a8ac (accessed 16/05/2023). 

402 

 

403 

Environmental  Agency  (2023)  Water  company  fined  £560,170  after  sewage  discharge  to 

404 

river

 

[online].  Available  from:  https://www.gov.uk/government/news/water-company-fined-

405 

560170-after-sewage-discharge-in-river (accessed 16/05/2023). 

406 

 

407 

Ferguson,  A.S.,  Layton,  A.C.,  Mailloux,  B.J.,  Culligan,  P.J.,  Williams,  D.E.,  Smartt,  A.E., 

408 

Sayler, G.S., Feighery, J., McKay, L.D., Knappett, P.S.K., Alexandrova, E., Arbit, T., Emch, 

409 

M.,  Escamilla,  V.,  Ahmed,  K.M.,  Alam,  M.J.,  Streatfield,  P.K.,  Yunus,  M.,  van  Geen,  A., 

410 

2012. Comparison of fecal indicators with pathogenic bacteria and rotavirus in groundwater. 

411 

Sci. Total Environ. 431, 314

322. doi: 10.1016/j.scitotenv.2012.05.060 

412 

 

413 

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

11 

 

Francis,  J.C.  &  Poirrier,  M.A.,  1986.  Particle  Uptake  in  Two  Fresh-Water  Sponge  Species, 

414 

Ephydatia  fluviatilis

  and 

Spongilla  alba

  (Porifera:  Spongillidae).  T.  Am.  Microsc.  Soc

.

 

415 

105(1), 11

20. doi.org/10.2307/3226545 

416 

 

417 

Fu, W., Sun, L., Zhang, X., Zhang, W., 2006. Potential of the marine sponge 

Hymeniacidon 

418 

perleve

  as  a  bioremediator  of  the  pathogenic  bacteria  in  integrated  aquaculture  ecosystems. 

419 

Biotechnol. Bioeng. 93(6), 1112

1122. doi: 10.1002/bit. 

420 

 

421 

Fu, W.T., Zhang, J.L., Zheng, C.B., Liu, J., An, Z.F., Liu, H.W., Zhang, W., 2013. Molecular 

422 

cloning  of  partial  14-3-3  genes  in  the  marine  sponge 

Hymeniacidon  perleve

  and  its  role  in 

423 

differentiating infectious and non-infectious bacteria. Chinese Sci. Bull. 58(7), 766

776. doi: 

424 

10.1007/s11434-012-5400-z. 

425 

 

426 

Gao, G., Falconer, R. A. and Lin, B., 2013. Modelling importance of sediment effects on fate 

427 

and transport of enterococci in the Severn Estuary, UK. Mar. Poll. Bull

.

 67(1

2), pp. 45

54. 

428 

doi: 10.1016/j.marpolbul.2012.12.002. 

429 

 

430 

De Goeij, J. M., 

et al.

 (2008) Major bulk dissolved organic carbon (DOC) removal by 

431 

encrusting coral reef cavity sponges. Mar. Ecol. Prog. Ser. 357, 139

151. doi: 

432 

10.3354/meps07403. 

433 

 

434 

Harwood, V.J.,  Staley,  C., Badgley, B.D., Borges, K., Korajkic, A., 2014. Microbial  source 

435 

tracking markers for detection of fecal contamination in environmental waters: Relationships 

436 

between  pathogens  and  human  health  outcomes.  FEMS  Microbiol.  Rev.  38(1),  1

40.  doi: 

437 

10.1111/1574-6976.12031. 

438 

 

439 

Kay,  D.,  Ashbolt,  N., Wyer,  M.D.,  Fleisher,  J.M.,  Fewtrell,  L.,  Rogers,  A.,  Rees,  G.,  2006. 

440 

Reply to comments on “Derivation of numerical values for the World Health Organization 

441 

guidelines  for  recreational  waters.”  Water  Res.  40(9),  1921–

1925. 

doi: 

442 

10.1016/j.watres.2006.02.009. 

443 

 

444 

Kirchner,  J.W.,  Feng,  X.,  Neal,  C.,  Robson,  A.J.,  2004.  The  fine  structure  of  water-quality 

445 

dynamics: The (high-frequency) wave of the future. Hydrol. Process. 18(7), 1353

1359. doi: 

446 

10.1002/hyp.5537. 

447 

 

448 

Longo,  C.,  Corriero,  G.,  Licciano,  M.,  Stabili,  L.,  2010.  Bacterial  accumulation  by  the 

449 

Demospongiae 

Hymeniacidon  perlevis

:  a  tool  for  the  bioremediation  of  polluted  seawater. 

450 

Mar. pollut. bull. 60(8), 1182

7. doi: 10.1016/j.marpolbul.2010.03.035. 

451 

 

452 

Maldonado, M., Zhang, X., Cao, X., Xue, L., Cao, H., Zhang, W., 2010. Selective feeding by 

453 

sponges on pathogenic microbes: A reassessment of potential for abatement of microbial 

454 

pollution. Mar. Ecol. Prog. Ser. 403, 75

89. doi: 10.3354/meps08411. 

455 

 

456 

McMurray, S. E., Johnson, Z.I., Hunt, D.E., Pawlik, J.R., Finelli, C.M., 2016. Selective 

457 

feeding by the giant barrel sponge enhances foraging efficiency. Limnol. Oceanogr. 61(4), 

458 

1271

1286. doi: 10.1002/lno.10287. 

459 

Metcalf, R., White, H.L., Ormsby, M.J., Oliver, D.M., Quilliam, R.S., 2023. From 

460 

wastewater discharge to the beach: Survival of human pathogens bound to microplastics 

461 

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

12 

 

during transfer through the freshwater-marine continuum. Environ. Pollut. 319, 120955. doi: 

462 

10.1016/j.envpol.2022.120955 

463 

Milanese, M., Chelossi, E., Manconi, R., Sarà, A., Sidri, M., Pronzato, R., 2003. The marine 

464 

sponge 

Chondrilla  nucula

  (Schmidt,  1862)  as  an  elective  candidate  for  bioremediation  in 

465 

integrated aquaculture. Biomol. Eng. 20(4

6), 363

368. doi: 10.1016/S1389-0344(03)00052- 

466 

 

467 

Perea-Blázquez, A., Davy, S.K., Magana-Rodríguez, B., Bell, J.J., 2013. Temporal variation 

468 

in food utilisation by three species of temperate demosponge. Mar. Ecol. Prog. Ser. 485, 91

469 

103. doi: 10.3354/meps10316. 

470 

 

471 

Pile, A.J., Patterson, M.R. & Witman, J.D., 1996. In situ grazing on plankton <10 m by the 

472 

boreal sponge 

Mycale lingua

. Mar. Ecol. Prog. Ser. 141, 95

102. doi: 10.3354/meps141095 

473 

 

474 

Pile,  A.J.,  Patterson,  M.R.,  Savarese,  M.,  Fialkov,  V.A.,  Chernykh,  V.I.,  1997.  Trophic 

475 

effects of sponge feeding within Lake Baikal littoral-zone 2. Sponge abundance, diet, feeding 

476 

efficiency, and carbon flux. Limnol. Oceanogr. 42, 178

184. doi: 10.4319/lo.1997.42.1.0178 

477 

 

478 

Rasmont, R., 1970. Some new aspects of the physiology of fresh-water sponges. Symposia - 

479 

Zoological society of London 25, 415

422. 

480 

 

481 

Reiswig, H.M., 1975. Bacteria as food for temperate-water marine sponges. Can. J. Zool. 53, 

482 

582

589. doi: 10.1139/z75-072 

483 

 

484 

Stabili,  L.,  Licciano,  M.,  Longo,  C.,  Corriero,  G.,  Mercurio,  M.,  2008.  Evaluation  of 

485 

microbiological  accumulation  capability  of  the  commercial  sponge 

Spongia  officinalis

  var. 

486 

adriatica  (Schmidt)  (Porifera,  Demospongiae).  Water  Res.  42(10

11),  2499

506.  doi: 

487 

10.1016/j.watres.2008.02.008. 

488 

 

489 

Topçu,  N.E.,  Pérez,  T.,  Grégori,  G.,  Harmelin-Vivien,  M.,  2010.  In  situ  investigation  of 

490 

Spongia  officinalis

  (Demospongiae)  particle  feeding:  Coupling  flow  cytometry  and  stable 

491 

isotope 

analysis. 

J. 

Exp. 

Mar. 

Biol. 

Ecol.

 

389 

(1

2), 

61

69. 

doi: 

492 

10.1016/j.jembe.2010.03.017. 

493 

 

494 

Walk,  S.T.,  Alm,  E.W.,  Calhoun,  L.M.,  Mladonicky,  J.M.,  Whittam,  T.S.,  2007.  Genetic 

495 

diversity  and  population  structure  of 

Escherichia  coli

  isolated  from  freshwater  beaches. 

496 

Environ. Microbiol.

 

9(9), 2274

2288. doi: 10.1111/j.1462-2920.2007.01341.x. 

497 

 

498 

Wehrl,  M.,  Steinert,  M.  &  Hentschel,  U.,  2007.  Bacterial  uptake  by  the  marine  sponge 

499 

Aplysina aerophoba

. Microb. Ecol. 53(2), 355

365. doi: 10.1007/s00248-006-9090-4. 

500 

 

501 

Wiedenmann, A., Krüger, P., Dietz, K., López-Pila, J.M., Szewzyk, R., Botzenhart, K., 2006. 

502 

A  randomized  controlled  trial  assessing  infectious  disease  risks  from  bathing  in  fresh 

503 

recreational waters in relation to the concentration of 

Escherichia coli

, intestinal enterococci; 

504 

Clostridium  perfringens

,  and  somatic  coliphages.  Environ.  Health  Persp.  114(2),  228

236. 

505 

doi: 10.1289/ehp.8115. 

506 

 

507 

Willenz, P.H., Vray, B., Maillard, M.-P., Van de Vyver, G., 1986. A quantitative study of the 

508 

retention  of  radioactively  labeled 

E.  coli

  by  the  freshwater  sponge 

Ephydatia  fluviatilis

509 

Physiol. Zool

.

 59(5), 495

504. doi: 10.1086/physzool.59.5.30156113 

510 

Prepr

int

acmi.0.000691.v1-html.html
background image

13 

 

 

511 

Zheng, J.X., Wu, Y., Lin, Z.W., Pu, Z.Y., Yao, W.M., Chen, Z., Li, D.Y., Deng, Q.W., Qu, 

512 

D., Yu, Z.J., 2017. Characteristics of and virulence factors associated with biofilm formation 

513 

in  clinical 

Enterococcus  faecalis

  isolates  in  China.  Front.  Microbiol.  8,  1

9. 

514 

doi: 10.3389/fmicb.2017.02338 

515 

Prepr

int