HABILITATIONSSCHRIFT

 


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

 

Felix Reich

 

Bedeutende mikrobiologische Risiken in der

Fleischgewinnung – Campylobacter spp. und ESBLbildende

Enterobacteriaceae

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95- h2889

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Habilitationsschrift, 2018

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/h_reich18.pdf

Zusammenfassung

Die Erfassung und Beschreibung von Lebensmittelsicherheitsrisiken mit dem Ziel, Minimierungsstrategien zu entwickeln, ist ein wichtiges Element der Lebensmittelwissenschaften und des vorbeugenden Verbraucherschutzes. Im Rahmen dieser Habilitationsschrift wurden Studien zu zwei aktuellen mikrobiologischen Risiken im Lebensmittelbereich dargestellt. Campylobacter stellt derzeit den in Europa bedeutendsten Lebensmittel-assoziierten bakteriellen Zoonoseerreger dar. Zur Senkung der Verbraucher-Exposition wird ein quantitativer Minimierungsansatz entlang der Lebensmittelkette im Geflügelfleischbereich angestrebt, um so eine Reduktion der humanen Campylobacteriose-Fälle zu bewirken.

 

Der zweite Themenkomplex behandelt das Vorkommen und die Charakterisierung von ESBL- und AmpC-bildenden E. coli und Enterobacteriaceae. Es handelt sich hier nicht per se um Krankheitserreger, sondern um Bakterien, die an opportunistischen Infektionen beteiligt sind sowie einen Pool für Resistenzgene bilden, die über Lebensmittel verbreitet werden können.

 

Die im Themenkomplex Campylobacter vorgestellten Studien basieren auf dem quantitativen Minimierungsansatz im Geflügelbereich, der stufenübergreifend erfolgen sollte. In der ersten Studie wurde ein kommerziell erhältlicher Tränkewasserzusatz auf eine Minimierung von Campylobacter im Broilerblinddarm während der Broilermast mit kontinuierlicher Zufuhr erprobt (Manuskript 1). Die Applikation hatte eine Reduzierung von Campylobacter im Blinddarm der Tiere zur Folge, ohne dass negative Auswirkungen auf die Mastleistungsdaten festgestellt werden konnten. Die nachfolgende Untersuchung der Schlachtkörper zeigte in einzelnen Durchgängen eine Reduktion der Campylobacter-Zahl, ein kontinuierlicher Effekt über alle Partien konnte nicht festgestellt werden. In der zweiten Studie wurden Anpassungen der Schlachttechnologie vorgenommen, um Campylobacter auf Broilerschlachtkörpern zu reduzieren (Manuskript 2). Hierbei wurden der Brüh- und Rupfprozess zur Beeinflussung der Campylobacter-Kontamination der Schlachtkörper ausgewählt: Es wurde eine Erhöhung der Brühwassertemperatur vorgenommen. Dadurch konnte eine Reduktion von Campylobacter auf den Broilerkarkassen erreicht werden. Das Ausmaß der Temperaturerhöhung war jedoch begrenzt, da unter Anwendung der Luftkühlung sensorische Abweichungen der Schlachtkörper nach dem Kühlen zu einer Verschlechterung der Vermarktungsfähigkeit führten. Als Zweites wurde ein zusätzlicher Waschschritt nach dem Rupfen implementiert, der fäkale Verunreinigungen, hervorgerufen durch den mechanischen Rupfvorgang, direkt entfernt. Die Verwendung dieses Wäschers hatte im gewählten Aufbau jedoch keinen zusätzlichen Nutzen. Beide Studien zeigen, dass Maßnahmen auf der Ebene der Tierhaltung und Prozessmodifikationen eine Option zur Campylobacter-Minimierung darstellen, jedoch ausgedehntere Studien im Routinebetrieb anzustreben sind, um eine kontinuierliche Wirksamkeit bewerten zu können. In dem anschließenden Review (Manuskript 3) wurden weitere Studien zu Campylobacter-Minimierungsverfahren entlang der Lebensmittelkette in der Broilerfleischproduktion dargestellt. Biosicherheitsmaßnahmen bilden dabei den Grundstein während der Tierhaltung, sind aber allein nicht ausreichend, um Campylobacter zu reduzieren. Weitere biologische (z.B. Bakteriophagen), chemische (z.B. organische Säuren, elektrochemisch aktiviertes Wasser) und physikalische (z.B. Waschschritte, Dampf) Verfahren bilden vielversprechende Ansätze zur Campylobacter-Reduktion. Eine Voraussetzung zu Campylobacter-Minimierungsstrategien bilden regelmäßige Untersuchungen zur Bewertung der Prozesshygiene in Kombination mit mikrobiologischen Kriterien. Diese sind erforderlich zur betriebsindividuellen Bewertung der Campylobacter-Last und für die Identifizierung von sinnvollen Maßnahmen. Eine Betrachtung der derzeit aktiven Kontrollprogramme für Campylobacter im Lebensmittelbereich in den USA und Neuseeland sowie die Erwägungen für die Implementierung eines mikrobiologischen Kriteriums in Europa stellen dies dar (Manuskript 4). In der abschließenden Studie zu diesem Themenkomplex wurden über einen Zeitraum von 3 Jahren an 3 Schlachthöfen regelmäßige quantitative Untersuchungen auf Campylobacter am Ende des Schlachtprozesses in Halshaut- und in Blinddarmproben durchgeführt (Manuskript 5). Die Ergebnisse weisen auf eine erhebliche Variabilität der Campylobacter-Belastung verschiedener Schlachtpartien hin. Dies ist insbesondere für die Bewertung im Rahmen eines mikrobiologischen Kriteriums wie auch für die Erprobung von quantitativen Minimierungsstrategien zu berücksichtigen. Aus den vorgestellten Untersuchungen und Betrachtungen lässt sich schlussfolgern, dass bereits vielversprechende quantitative Minimierungsansätze gegen Campylobacter im Geflügelbereich existieren. Für die Bewertung der längerfristigen Wirksamkeit dieser Verfahren und insbesondere deren Auswirkung auf eine Verminderung der humanen Campylobacteriose-Fälle erscheint es daher angezeigt, die über ein quantitatives Kriterium erhaltenen Erkenntnisse in schlachthofindividuelle Minimierungskonzepte münden zu lassen.

 

Die Untersuchungen auf ESBL-E. coli und ESBL-Enterobacteriaceae im zweiten Themenkomplex umfassen zwei Arbeiten zum Vorkommen und zur Quantität dieser Bakterien-Gruppe im Geflügelfleisch auf der Schlachthofebene. In der ersten Arbeit wurden verschiedene Mastdurchgänge von 2 Broilermastbetrieben im Bestand und am Schlachthof beprobt und Isolate von ESBL/AmpC-Enterobacteriaceae charakterisiert (Manuskript 6). ESBL/AmpC-Enterobacteriaceae wurden in > 70 % der Schlachtkörper nach der Kühlung nachgewiesen. Die Charakterisierung der Isolate zeigte eine hohe Diversität der Bakterien. In der zweiten Arbeit wurden ESBL-E. coli in Nackenhaut- und Blinddarmproben quantifiziert und in Bezug auf die Keimzahl der Gesamt-E. coli bewertet (Manuskript 7). Die Untersuchungen bestätigten die hohe Nachweishäufigkeit von ESBL-E. coli in Broilerschlachtkörpern. Allerdings lag diese Keimgruppe nur in einer geringen quantitativen Belastung vor. Eine Korrelation zwischen der Zahl der ESBL-E. coli und Gesamt-E. coli bestand nicht. Somit eignen sich Untersuchungen auf Gesamt-E. coli nicht für eine Bewertung der Belastung von Broilerschlachtkörpern mit der resistenten Population. Die Studie weist auf einen begrenzten Einfluss der Verbraucherexposition mit ESBL-E. coli über den Verzehr von Geflügelfleisch hin. In einer folgenden Studie wurden Schweinefleisch und Fleischsaft in einem Fleischerzeugnisse-produzierenden Unternehmen nach der Eingangskontrolle beprobt und auf ESBL-Enterobacteriaceae untersucht (Manuskript 8). Da Schweinefleisch im Gegensatz zu Geflügelfleisch auch roh verzehrt wird, zum Beispiel als Mett, ist dies bei der Risikoeinstufung mit zu berücksichtigen. ESBL/AmpC-Produzenten wurden in 42,9 % der 63 Fleischsendungen nachgewiesen. Die Charakterisierung der ESBL/AmpC-Enterobacteriaceae-Isolate zeigte ein diverses Bild über das Vorhandensein von E. coli und weiterer Enterobacteriaceae wie Serratia fonticola, Enterobacter cloaceae und Proteus mirabilis. Die genotypische Charakterisierung der Resistenzgene bestätigte die Dominanz von blaCTX-M-1, zeigte aber auch das Vorhandensein weiterer ESBL-Gene. In S. fonticola-Isolaten fand sich ein FONA-Like-Gen. Die Untersuchung wies auf eine Vielfalt resistenter Enterobacteriaceae in Schweinefleisch auf der Ebene der Verarbeitung hin, jedoch in niedrigen Konzentrationen. Neben der Betrachtung zum Vorkommen von resistenten Enterobacteriaceae in Geflügelfleisch und Schweinefleisch in Deutschland wurde eine Untersuchung an Geflügelfleisch aus Italien auf ESBL-Enterobacteriaceae und MRSA vorgenommen, das in deutschen Supermärkten angeboten wurde. Der internationale Handel mit Lebensmitteln gilt als ein Risikofaktor für die Verbreitung von Krankheitserregern und antimikrobielle Resistenzen. In der vierten Studie wurden verschiedene Teilstücke von Hähnchen- (n = 32) und Putenfleisch (n = 6) aus dem deutschen Einzelhandel mit Ursprungsland Italien untersucht (Manuskript 9). In 26 Hähnchenfleischproben sowie in den 6 Putenfleischprodukten wurden ESBL-Bildner nachgewiesen. Somit sind bei der Bewertung der Verbreitung antimikrobiell resistenter Mikroorganismen die Herkunft und die Vermarktungswege der Lebensmittel dringend zu berücksichtigen. Die fünfte Untersuchung befasste sich mit der Resistenzsituation von kommensalen E. coli, die aus gefrorenem Wildfleisch gewonnen wurden (Manuskript 10). Untersucht wurden 229 E. coli-Isolate aus Fleischproben von Rehwild, Rotwild und Schwarzwild. In 7,0 % der Isolate wurde Resistenz gegen mindestens ein Antibiotikum nachgewiesen, wobei in einem Isolat das ESBL-Gen blaCTX-M-1 nachgewiesen wurde. Dies spiegelt eine vergleichsweise geringe Exposition des Verbrauchers über diesen Lebensmittelweg wider. Dennoch bilden Wildfleisch und Wildtiere als Ganzes ein wichtiges Element in der epidemiologischen Betrachtung der Resistenzverbreitung.

 

Die in dieser Arbeit dargestellten Studien stützen die fachliche Diskussion zur Entwicklung geeigneter quantitativer Minimierungsstrategien gegen Campylobacter in der Broilerfleischgewinnung. Des Weiteren liefern sie wichtige Daten für eine Expositionsabschätzung des Verbrauchers gegenüber ESBL-Enterobacteriaceae aus dem Lebensmittelbereich.

Summary

The evaluation of food safety risk is in an important scope in food science with the aim to identify and implement mitigation strategies in regard to preventive consumer protection. This habilitation treatise is based on studies on two significant microbiological food safety risks.

 

Campylobacter continues to be the most important bacterial foodborne zoonotic agent in Europe. Strategies to reduce the consumer exposure are focused on the broiler mest production chain, with the aim to subsequently reduce human campylobacteriosis cases from this particular food source.

 

The second complex was focused on the presence and characterization of ESBL and AmpC forming E. coli and Enterobacteriaceae. These bacteria are not pathogenic per se, but can take part in opportunistic infections and form a reservoir of resistance genes transmissible by food.

 

The studies presented for Campylobacter mitigation follow the concept of a quantitative reduction along the broiler meat production chain. In the first study a commercially available additive for drinking water was tested for its Campylobacter reducing effect in the broiler caecum (manuscript 1). A quantitative reduction was observed without affecting broiler health and performance. This application did not result in a consistent reduction of Campylobacter on the meat after slaughter of the various tested batches. In the second study the effect of slaughter process adjustments after scalding and defeathering were evaluated for their impact on reducing Campylobacter numbers on broiler carcasses (manuscript 2). Firstly an increase of the scalding water temperature led to a reduction in the Campylobacter count on broiler carcasses. The temperature increase was limited because of quality defects in carcasses seen after chilling. This would result in reduced marketability. Secondly an additional water wash was added after defeathering to directly wash off fecal contamination arising from the process. No additional benefit was found in this setup though. Both studies highlighted the option for Campylobacter mitigation at the rearing and at the processing level, but more extended studies are needed to evaluate the continuous effect. The following review (manuscript 3) presented additional studies on Campylobacter mitigation along the broiler meat production chain. Biosecurity measures should be regarded as basis during broiler rearing. These are as of now not sufficient in themselves to reduce Campylobacter in broilers. Additional measures showed promising results in reducing Campylobacter; these could be biological (i.e bacteriophages), chemical (i. e. organic acids, electrolysed oxidising water) or physical (i. e. washing, steam) in nature. A prerequisite for Campylobacter mitigation strategies is an evaluation of process hygiene by the means of a microbiological criterion. Such action would be needed to evaluate the performance of slaughter premises and subsequently to identify the most feasible approach. A review of control programs in place in the USA and New Zealand as well as the considerations for the implementation of a microbiological criterion in Europe are presented (manuscript 4). The following study evaluated the numbers of Campylobacter in broiler neck skin at the end of processing and in broiler caeca for 3 slaughterhouses over a period of 3 years (manuscript 5). The results showed considerable inconsistency in the Campylobacter counts between broiler batches. This is to consider for the implementation of a microbiological criterion for hygiene control as well as for the evaluation on the performance of quantitative mitigation strategies in regards to the occurring variability during the process. In conclusion the studies showed the availability of promising quantitative reduction strategies for Campylobacter in broiler processing. For evaluation of the long-term effect and applicability and most importantly, the impact on the reduction of human campylobacteriosis cases it is indicated to let the knowledge gained from a quantitative criterion lead to slaughterhouse individual concepts.

 

The studies on ESBL-E. coli and -Enterobacteriaceae in the second topic comprise two manuscripts on the occurrence and quantity of these bacteria in broiler meat at the slaughterhouse level. In the first study batches from two farms were sampled at the slaughterhouse and isolates of ESBL/AmpC producing Enterobacteriaceae were characterized (manuscript 6). ESBL/AmpC producing Enterobacteriaceae were found in > 70 % of broiler carcasses after chilling and the characterized isolates showed high diversity. The second study ESBL-E. coli were quantified in neck skin and caeca samples and related to the counts of generic E. coli (manuscript 7). The study confirmed the high proportion of ESBL-E. coli in broilers at slaughter, but the contamination was present only in low counts. A correlation between the counts of ESBL-E. coli and generic E. coli was not found. So generic E. coli is not well suited to evaluate the contamination of broiler carcasses with the resistant population. In conclusion the study indicated a limited importance for consumer exposure to ESBL-E. coli by consumption of broiler meat. In the following study pork meat and meat juice were sampled at a meat processing company after initial control for analysis of ESBL-Enterobacteriaceae (manuscript 8). In contrast to broiler meat, pork meat is consumed raw as well, this has to be considered in risk assessments. In 42.9 % out of 63 meat batches, ESBL/AmpC producing bacteria were found. Characterisation of isolates showed high diversity in bacterial species and genotypes. Escherichia coli was isolates most often but also Serratia fonticola, Enterobacter cloaceae and Proteus mirabilis were identified. The ESBL genes were mostly blaCTX-M-1, but also S. fonticola specific FONA-like genes were present. The study showed that pork meat can contain diverse multiresistant Enterobacteriaceae but at low concentrations.

 

International trade of food is known as a risk factor for the dissemination of pathogens and antimicrobial resistance. In the fourth study broiler meat (n = 32) and turkey meat (n = 6) were sampled at a German retail market with origin in Italy (manuscript 9). ESBL-Enterobacteriaceae were isolated from 26 and 6 samples of broiler meat and turkey meat, respectively. This highlights the importance to consider the origin and trade of food for the dissemination of bacteria with antimicrobial resistance. The fifth study refers to antimicrobial resistance testing of 229 generic E. coli isolates collected from frozen game meat (manuscript 10). Samples were collected from roe deer, red deer and wild boar meat. In 7.0 % of the isolates antimicrobial resistance was found towards at least one antibiotic tested. One of these isolates was characterized as ESBL by carrying the blaCTX-M-1 gene. On the one hand this indicates low exposure of the consumer by game meat, but on the other hand wild game meat and wild game in itself should be considered in the epidemiological context of transmission of antimicrobial resistance.

 

In conclusion the presented studies in one part support the scientific discussion and aid in the development of sound concepts for quantitative mitigation aimed towards Campylobacter in the broiler meat production chain. In the second part the studies report important data for the exposure assessment of the consumer by ESBL-Enterobacteriaceae from the food source.

keywords

Lebensmittelsicherheit, Zoonoseerreger, Antibiotikaresistenz ; Food safety, zoonotic agent, antimicrobial resistance

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