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Antimicrobial resistance in Escherichia coli isolated from marine animal species of the North and Baltic Sea

Antibiotikaresistenzen sind ein besorgniserregendes Problem im globalen Gesundheitswesen, das sowohl die Human- als auch die Veterinärmedizin betrifft. Es umfasst die Resistenzentwicklung von Bakterien gegen Antibiotika, wodurch eine Therapie von bakteriellen Erkrankungen verhindert wird und es zu einer Zunahme von Erkrankungen und Todesfällen kommt. Antibiotika haben einen positiven Selektionsdruck auf Bakterien, der zu einer Zunahme von Resistenzen führt. Resistenzen können zudem zwischen verschiedenen Bakterien mittels horizontalem Genaustausch übertragen werden, was kommensale Bakterien zu einem Reservoir für Resistenzgene macht, die jederzeit an pathogene Bakterien übertragen werden können. Ein weiteres wichtiges und unterschätztes Reservoir stellt die Umwelt mit ihren verschiedenen Ökosystemen dar. Obgleich Antibiotikaresistenzen natürlicher Weise in der Umwelt vorkommen, sind die derzeitigen, hohen Resistenzraten in der Umwelt vor allem auf anthropogene Einflüsse zurück zu führen, wodurch diese auch als Umweltverschmutzung angesehen werden können. Die vorliegende Studie untersucht den Verschmutzungsgrad der Nord- und Ostsee mit antibiotikaresistenten Keimen. Dafür wurden Escherichia coli (E. coli) in einer Meeresvogelart, vier Meeressäugerarten und diversen Meeresfischen auf ihre Antibiotikaresistenz untersucht, wobei diese Wildtiere als Bioindikatoren für den Zustand in Nord- und Ostsee verwendet wurden. Die Resistenz-Phänotypen und Genotypen der E. coli Isolate wurden mittels Disk-Diffusionstest und Polymerasekettenreaktionen (PCR) bestimmt. Hohe Antibiotikaresistenzraten wurden in Kormoranen und den vier Meeressäugerarten festgestellt, wohingegen aus keiner der Fischproben resistente E. coli isoliert werden konnten. Besonders besorgniserregend sind die hohen Resistenzraten gegen Streptomycin, da dieses in der Beobachtungsgruppe der WHO „Access, Watch, Reserve“ aufgeführt ist. Multiresistenzen wurden insbesondere in E. coli von Kormoranen und Schweinswalen gefunden. Mittels PCR wurden die E. coli Isolate zudem den vier phylogenetischen Hauptgruppen zugeordnet. Diese Klassifikation erlaub eine grobe Einteilung der Isolate in Kommensale und Pathogene, wobei die Isolate der Robben den höchsten Anteil an potentiellen Pathogenen zeigten. Zusätzlich wurde ein Viertel der Vogelisolate als vogel-pathogen klassifiziert. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen Kormorane und Meeressäuger als Bioindikatoren für die Verschmutzung der Umwelt mit Antibiotikaresistenzen. Die Überwachung dieser Art der Umweltverschmutzung ist wichtig, um neue Multiresistenzen sowie Resistenzen gegen Reserveantibiotika frühzeitig zu erkennen. Antibiotikaresistenzen stellen ein Gesundheitsrisiko für Menschen, Haus- und Nutztiere dar, in deren Erhalt und Verbreitung Wildtiere und die Umwelt verwickelt sind, wodurch Antibiotikaresistenzen unter den Ansatz One Health fallen.

Antimicrobial resistance (AMR) is an alarming global public health issue that concerns both human and veterinary medicine. It describes the development of bacterial resistance to antimicrobial agents, thus preventing successful treatment of bacterial diseases and increasing morbidity and mortality. The use of antimicrobial agents inevitably generates a positive selection pressure, resulting in an increase in bacterial resistance. Resistance can also be transferred easily between different bacteria using horizontal gene transfer, turning commensal bacteria into a reservoir of genes encoding resistance that can be transferred into pathogenic bacteria at any time. Another significant and underestimated reservoir of AMR genes and bacteria is the environment and its ecosystems. Although AMR occurs naturally, it is likely that the high rates observed currently are driven by various anthropogenic activities, leading to a form of environmental contamination. This study therefore aimed to determine the degree of AMR contamination in the North and Baltic Seas. For this purpose, the rate of AMR was determined in Escherichia coli (E. coli) isolated from one species of wild birds, four species of marine mammals and various species of marine fishes considered to be bioindicators and hence sentinel species in the North and Baltic Seas. Resistance phenotypes and genotypes of the isolates were determined using disk diffusion tests and PCR assays, respectively. While high rates of AMR were found in samples from great cormorants and the four species of marine mammals, no antimicrobial E. coli were isolated from the fish species. Of particular concern were the high rates of streptomycin resistance detected; streptomycin is one of the watch group antibiotics in the WHO Access, Watch, Reserve classification system. Multidrug-resistance was particularly prevalent in E. coli isolated from great cormorants and harbour porpoises. Phylogenesis of the E. coli isolates was determined using PCR assays to assign the isolates to the four major phylogenetic groups. This classification was also used to roughly categorise the isolates into commensals and pathogens, where the seal species were found to harbour the highest potential of pathogenic strains. Additionally, almost one fourth of the bird isolates were classified as avian pathogenic E. coli. The results of this study confirm the usefulness of great cormorants and marine mammal species as sentinels for evaluating contamination of the environment with AMR. Surveillance of environmental AMR is particularly important for the identification of new multidrug-resistant strains and resistance arising to last-resort antimicrobial agents. AMR poses a health risk to humans and domestic animals involving wildlife and the environment, thus, being an important One Health issue.

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