HABILITATIONSSCHRIFT

 


Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – University of Veterinary Medicine Hannover – Foundation / Library

 

Jochen Schulz

 

Neue Kenntnisse zu Zoonoseerregern und resistenten Bakterien in

Staub und Kot aus Geflügel- und Schweineställen

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-h2828

eng.

New findings on zoonotic pathogens and resistant bacteria in dust and faeces from poultry and pig barns

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Habilitationsschrift, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/h_schulz16.pdf

Zusammenfassung

Die Umgebung von Tieren in Nutztierställen ist zum Teil erheblich mit Stäuben und Fäkalien verunreinigt. Innerhalb  dieser Verunreinigungen können neben typischen Kommensalen der Tiere und anderen Mikroorganismen, die z.B. aus Materialien wie der Einstreu oder dem Futter stammen, auch Zoonoseerreger und resistente Bakterien vorkommen. Das Wissen zum Vorkommen und zur Bedeutung von Zoonoseerregern und resistenten Bakterien in Exkrementen oder im Staub aus Nutztierhaltungen ist jedoch noch lückenhaft. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse liefern wesentliche ergänzende Beiträge und neue Erkenntnisse zum Vorkommen, zur Verbreitung, zur Übertragung und zum Austrag von Zoonoseerregern, potentiellen Zoonoseerregern und resistenten Bakterien, die im Kot und im Staub von Schweine- und Geflügelhaltungen persistieren können.

Im Rahmen einer EU-Studie wurde das Vorkommen von humanpathogenen Salmonella Serovaren in Kot- und Staubproben sowie in den Kloaken von Legehennen in 41 Tierbeständen im Verlauf einer Legeperiode untersucht. In positiven Beständen wurden Salmonellen bereits in der frühen Legeperiode nachgewiesen. Es wurden weder eine Erhöhung der Anzahl positiver Proben mit zunehmendem Alter der Tiere, noch etwaige saisonale Einflüsse auf die Anzahl der Salmonellenbefunde festgestellt. Diese Ergebnisse stehen teilweise im Gegensatz zu Inhalten früherer publizierter Daten anderer Arbeitsgruppen.

Weiterhin wurden im Rahmen der vorgestellten Studien Nachweisverfahren entwickelt, anhand derer zum einen die Deposition von „livestock-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus“ (LA-MRSA) auf Bodenoberflächen innerhalb sowie in der Umgebung von Schweineställen festgestellt wurde und zum anderen eine Verbreitung von Streptococcus gallolyticus subsp. gallolyticus (S. gallolyticus) in der Nutzgeflügelhaltung durch einen selektiven Nachweis im Kot gezeigt werden konnte. Durch genetische Typisierungsmethoden wurden Rückschlüsse auf die Quelle bzw. auf die Verbreitung der Bakterien gewonnen. So wurde abgesichert, dass die aus der Umwelt von Stallanlagen isolierten LA-MRSA mit hoher Wahrscheinlichkeit aus den untersuchten Ställen stammten. Zudem ergaben sich konkrete Hinweise darauf, dass gleiche Typen von S. gallolyticus bei verschiedenen Tierarten und beim Menschen vorkommen.

Für LA-MRSA, S. gallolyticus und resistente E. coli wurden zudem erstmals quantitative Ergebnisse zum Vorkommen in verschiedenen Umweltmedien im Stall beschrieben. Die ermittelten Keimzahlen können zukünftig für Vergleichsuntersuchungen sowie Risikobetrachtungen und Expositionsabschätzungen herangezogen werden. Weitere Untersuchungen zur Tenazität von Campylobacter jejuni (C. jejuni) im Geflügelkot und von resistenten E. coli  in Stallstäuben lieferten zudem neue Informationen zum Überleben und zur Kultivierbarkeit dieser Bakterien. Campylobacter jejuni blieb in natürlich kontaminierten Kotproben von Hühnern signifikant (p < 0,01) länger kultivierbar (6 Tage) als in artifiziell kontaminierten Proben (4 Tage) und als bislang aus der Literatur bekannt war (2 Tage). Die Bedeutung hinsichtlich der Ausbreitung und eines möglichen Umwelteintrages von C. jejuni über den Kot aus Legehennenhaltungen wird diskutiert. In luftgetragenen Stäuben aus einer kolonisierten Legehennenherde dagegen wurde C. jejuni  nicht über kulturelle Verfahren nachgewiesen, obwohl gegenüber dem standardisierten Luftprobenahmeverfahren ein signifikant effizienteres Verfahren eingesetzt wurde (p < 0,001) und genetische Untersuchungen andeuteten, dass C. jejuni-Zellen im Luftstaub präsent waren. Eine potentielle Gefahr hinsichtlich der Luftübertragung infektiöser C. jejuni auf im Stall arbeitende Personen konnte aus den Untersuchungen nicht abgeleitet werden.

Unerwartet war die Feststellung, dass E. coli in aufbewahrten Sedimentationsstäuben aus Schweine- und Geflügelhaltungen 20 Jahre überlebte und kultivierbar blieb. Stäube aus Nutztierhaltungen stellen offenbar unter bestimmten Voraussetzungen (Adaption an Trockenheit, kühle und dunkle Lagerung) ein Langzeitreservoir für resistente Bakterien dar. In den E. coli-Isolaten wurden gehäuft Resistenzen gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen beobachtet, welche in der Nutztierhaltung zum Einsatz kommen. Andererseits wurde z.B. auch eine erhöhte Rate an Chloramphenicol-resistenten Isolaten gemessen, welche sehr wahrscheinlich nicht im Zusammenhang mit einer Anwendung des Antibiotikums stand. Da über antibiotische Behandlungen in den Ställen aus denen die Proben stammten nichts bekannt war, konnten hier allerdings nur Vermutungen angestellt werden. Statistisch ließen sich Assoziationen zwischen Herkunft der Stäube, Alter der E. coli-Isolate und Anzahl der Resistenzen durch eine Modellrechnung herleiten. Die Resultate zeigten, dass Isolate aus älteren Proben und aus bestimmten Haltungsformen signifikant geringere Anzahlen an Resistenzen trugen (p = 0,01 bzw. p = 0,02).

Ferner wurde belegt, dass technische Maßnahmen zur Reduktion von staubgebundenen Keimen und potentiellen Zoonoseerregern  in der Stall- und Stallabluft geeignet sein können. Die Untersuchungen eines neu entwickelten Systems für die Stallluftreinigung, bestehend aus einer kombinierten Luftwäschereinheit und einer UV-C-Bestrahlungseinheit ergaben, dass die Kombination aus Luftwäsche und Bestrahlung die Konzentrationen von mesophilen Gesamtbakterien, Streptokokken und LA-MRSA im behandelten Luftstrom eines Mastschweinestalles um 90 – 99% senkten. Die Anwendung der einzelnen Verfahrensschritte, entweder nur Wäscher oder nur UV-C Bestrahlung, war weniger effizient. Weitere Untersuchungen zur praktischen Anwendung und Wirtschaftlichkeit eines solchen Systems müssen allerdings noch erfolgen, zumal zunächst die direkte Entkeimungswirkung auf einen Teilluftstrom beschrieben wurde und nicht die Gesamtreduktion der luftgetragenen Bakterien im Stallraum. Dennoch zeigen die Untersuchungen, dass  automatisierte, technische Lösungsansätze für die Reduktion von Stäuben im Stallraum das Potential besitzen zur Tiergesundheit, zum Arbeitsschutz und zum Umweltschutz beizutragen.

Aufbauend auf den Erfahrungen der vorangegangenen Untersuchungen und der in der Öffentlichkeit diskutierten Relevanz des Umwelteintrages von LA-MRSA aus Tierhaltungen wurde eine erste Studie zur Beschreibung des Rückhaltevermögens luftgetragener LA-MRSA an zwei konventioneller Abluftreinigungsanlagen, welche an Mastschweineställen installiert waren, beschrieben. Es handelte sich um Untersuchungen an einem Chemowäscher kombiniert mit einem Wasserwäscher und an einem dreistufigen Systems bestehend aus Chemo- Wasserwäsche und Biofilter. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen der Anlagen an beiden Ställen zeigten, dass bei ordnungsgemäßem Betrieb der Anlagen im Mittel ca. 90% der kultivierbaren LA-MRSA im Filtersystem abgeschieden wurden. Die Differenzen zwischen den Keimzahlen in der unbehandelten und der gefilterten Luft waren an beiden Anlagen signifikant (p < 0,05). Ein möglicher Beitrag von Abluftreinigungsanlagen an Tierställen zur Umwelthygiene, aber auch zur Prävention hinsichtlich des Austrages von tierpathogenen Erregern im Umfeld benachbarter Tierbestände wird diskutiert.

Neben ergänzenden Beiträgen und neuen Erkenntnissen zu Zoonoseerregern, potentiellen Zoonoseerregern und resistenten Bakterien im Kot und im Staub aus Nutztierhaltungen ergibt sich aus den vorgestellten Publikationen, dass noch erheblicher Forschungsbedarf zur Verbreitung und zur Übertragung von Mikroorganismen in der Primärproduktion besteht. Dies beinhaltet die weitere Entwicklung von sensitiveren und sicheren Nachweismethoden ebenso wie beispielsweise die Untersuchung der Frage, wieviel Keime ein Tier oder ein im Stall arbeitender Mensch aus der Luft, aus Stäuben oder Kot aufnehmen muss, um kolonisiert oder infiziert zu werden. Weitere Kenntnisse über Exposition und Wirkung von Erregern sowie darüber, wie diese Expositionen gemindert oder vermieden werden können, liefern einen wichtigen Beitrag zur Tiergesundheit, zur Gesundheit der im Stall tätigen Menschen und zum Umweltschutz.

Es ist festzuhalten, dass die im Rahmen der vorgestellten Publikationen gewonnenen Erkenntnisse einen wesentlichen Wissenszuwachs im Gebiet der Tier- und Umwelthygiene liefern und die aktuelle Bedeutung dieser Disziplin hervorheben.

Summary

In livestock buildings, the animal environment is partly considerably contaminated with dust and faeces. Besides typical commensals and microorganisms originating from materials such as litter or food, these contaminations may also contain zoonotic pathogens and resistant bacteria. Knowledge concerning the occurrence and the importance of zoonotic pathogens and resistant bacteria in faeces and dust from livestock farms is still incomplete. Results presented in this postdoctoral thesis provide essential and complementary contributions and new insights into the occurrence, the prevalence, the transmission and the emission of zoonotic agents, potentially zoonotic agents and resistant bacteria from faeces and dust of pig and poultry barns.

An EU-project was conducted to investigate the occurrence of Salmonella serovars in faeces, dust from laying hen houses and to detect the within-flock prevalence by means of cloacal swabs. Forty-one laying hen flocks were sampled in the course of one laying period. In positive flocks, Salmonella was already isolated at an early stage of the laying period. Neither increased age of the hens nor different seasons influenced the number of positive samples significantly. These results are partly in contrast to previous publications by other research groups.

Moreover, new detection methods were developed within the represented studies. These methods were able to show both the deposition of “livestock-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus” (LA-MRSA) on floor surfaces within and around pig farms, and the distribution of Streptococcus gallolyticus subs. gallolyticus (S. gallolyticus) in poultry husbandries. Via genetic typing methods, conclusions on the origin and the spreading of these bacteria were drawn. In this way, it was shown that LA-MRSA isolated from farm vicinities originated most probably from the investigated farms. In addition, genotyping of S. gallolyticus isolates indicated a possible interspecies transmission between animals and humans.

Regarding LA-MRSA, S. gallolyticus and resistant E. coli, quantitative results on the occurrence in diverse environmental samples were published for the first time. Assessed bacteria numbers can be used for comparative studies, risk analyses and exposition estimations. Further studies concerning the tenacity of Campylobacter jejuni (C. jejuni) in poultry faeces and resistant E. coli in farm dusts provided new information on the survival and culturability of those bacteria. Campylobacter jejuni was significantly (p < 0.01) longer culturable in naturally contaminated faecal samples of hens (6 days) than in artificially contaminated samples (4 days) and longer than described in previous literature (2 days). The importance of these findings with regard to the prevalence and the potential environmental spreading of C. jejuni via faeces in and from poultry farms is discussed. However, in airborne dust particles of a colonised laying hen flock, C. jejuni was not isolated via cultural methods, even though, in comparison to the standardised air sampling procedure, a significantly (p < 0.001) more efficient method was used and genetic analyses hinted at the presence of C. jejuni cells in the dust. A potentially increased health risk of airborne transmissions of infectious C. jejuni for persons working in laying hen houses could not be concluded on the basis of these investigations.

The finding of E. coli being able to survive and be maintained cultivable in stored sedimentation dust from pig and poultry barns over 20 years was unexpected. Apparently, under certain conditions (adaption to dryness, cool and dark storing conditions), dust from farm animal husbandries represent a long-term reservoir for resistant bacteria. Isolated E. coli were frequently resistant against antimicrobials which are typically used in animal husbandries. However, an increased level of chloramphenicol-resistant isolates was identified, most probably unrelated to the use of this antibiotic. As antibiotic usage in the sampled barns is unknown, only assumptions could have been made. Nevertheless, statistically significant associations between dust origin, age of E. coli isolates and number of resistances were detected by a linear mixed model. Results revealed a lower number of resistances in isolates of older samples and of certain husbandry forms (p = 0.01 and p = 0.02, respectively).

Furthermore, the ability of technical measures to reduce bacteria including potential pathogens and zoonotic agents in the air and in the exhaust air of pig barns was assessed. A prototype of an air washer combined with UV-irradiation reduced the concentration of mesophilic aerobic bacteria, streptococci and LA-MRSA in the treated air of a fattening unit significantly (p < 0.01). Bacteria were reduced by 90 to 99%. In comparison, the use of the single treatment steps of washing or UV-irradiation was less efficient. However, more studies on the practical implementation and economic feasibility have to follow, especially because the described effect was shown for a treated air stream (7,000 m³/h) and not for the whole air volume in the barn. Nevertheless, these studies emphasise the potential of automated, technical solution approaches for reducing airborne dust and microorganisms with the aim of increasing animal health and of protecting farmers and the environment.

Based on the experiences of previous studies, and on the public discussions about the relevance of LA-MRSA spread from animal farms to the environment, a first study on the retention efficiencies of two commercially available air treatment techniques operated on pig fattening units was carried out. A bio-trickling filter and a three-step-system consisting of an acid scrubber, a water scrubber and a biofilter, were compared. Both systems were able to reduce the number of cultivable LA-MRSA in the exhaust air by 90%. The differences between the bacteria counts in the non-treated and treated air were significant (p < 0.05) in both cases. The possibility of reducing the amount of harmful bacteria in the exhaust air of livestock buildings can be an important contribution to protecting the environment and to preventing the transmission to nearby residents or to neighbouring farms.

Besides complementary contributions to and new insights into zoonotic agents, potential zoonotic agents and resistant bacteria in faeces and dust of livestock buildings, the presented publications indicate the reasonable need for further research on the spreading and transmission of microorganisms in livestock housing. This includes further developing more sensitive and more secure detection methods as well as examining the question as to how many microorganisms a farmer or an animal has to intake from the contaminated environment to become colonised or infected. Further knowledge on the exposure to harmful or resistant microorganisms, their effects on humans and animals and how to reduce or to avoid the exposure will contribute not only to animal health, but also to the health of farm workers and to protecting the environment.

In conclusion, the findings of the presented publications provide a significant gain in knowledge in the field of animal and environmental hygiene as well as underlining the current importance of this discipline.

 

keywords

Zoonoseerreger, Resistenzen, Nutztierhaltung, zoonoses, resistances, barns

kb

369