Airborne emission of ESBL/AmpC-producing E. coli from organic fertilizers by tillage operations and wind erosion

Abstract

ESBL/AmpC-producing E. coli are resistant to a variety of beta-lactam antibiotics, which drastically limits therapeutic options for bacterial infections in veterinary and human medicine. The airborne emission of ESBL/AmpC-producing E. coli from livestock has previously been published in several studies. However, these direct emissions from livestock facilities are limited to small local areas in the vicinity of the stables. Airborne emissions of ESBL/AmpC-producing E. coli may also result from the agricultural use of ESBL/AmpC-positive fertilizers and wind erosion, which could affect the upper soil layers of soil amended with ESBL/AmpC-positive fertilizers. These potential emission routes could lead to an airborne exposure of the general population to ESBL/AmpC E. coli and therefore pose a health risk. This hypothesis was examined in detail in this study by four practical and experimental test series with different approaches. In the short-term chicken litter storage trials, which were carried out under practical conditions, the inactivation kinetics of ESBL-producing E. coli was investigated under different environmental conditions (summer and winter). In the field trials, also carried out under practical conditions, it was investigated whether the application of ESBL/AmpC-positive organic fertilizers leads to an airborne spread of culturable ESBL/AmpC -producing E. coli during agricultural operations (application and incorporation). In the wind erosion trials, the airborne dissemination of ESBL/AmpC -producing E. coli from sandy soil fertilized with ESBL/AmpC-positive chicken litter was investigated under practically relevant conditions. Finally, aerosol chamber trials were carried out to explore the tenacity of ESBL/AmpC-producing E. coli in the airborne state under different environmental conditions. In field trials with ESBL-positive chicken litter, even for organic fertilizers with high concentrations of ESBL-producing E. coli (2.1 x 105 cfu/g pooled feces), the number of ESBL E. coli dropped below the detection limit after the chicken litter was transported to the field edge overnight. This observation was systematically confirmed in the manure storage experiments, in which the ESBL E. coli concentration dropped below the quantitative detection limit in stored chicken manure after 72 h in winter and after 36 h in summer. In the wind erosion trials carried out under practically relevant conditions, no ESBL-producing E. coli were detected in the air samples despite high concentrations of ESBL-producing E. coli in the chicken litter used (up to 4.2 x 105 cfu/g litter). The results of the aerosol chamber experiments confirmed a low tenacity of ESBL/AmpC-producing E. coli in the airborne state. Depending on the environmental conditions low recovery rates ranging from 0.003 to 2.8 % in the aerosol were observed.

ESBL/AmpC-produzierende E. coli weißen Resistenzen gegen eine Vielzahl von Beta-Lactam Antibiotika auf, was die Therapieoptionen bakterieller Infektionen in der Veterinär- und Humanmedizin drastisch einschränken kann. Eine luftgetragene Emission ESBL/AmpC-produzierender E. coli aus Nutztierhaltungen wurde bereits in verschiedenen Studien gezeigt. Diese direkten Emissionen aus Tierhaltungen sind jedoch auf kleine lokale Bereiche in der Stallumgebung beschränkt. Eine luftgetragene Emission ESBL/AmpC-produzierender E. coli ist jedoch auch durch die landwirtschaftliche Nutzung ESBL/AmpC-haltiger Wirtschaftsdünger denkbar, sowie durch Winderosion, welche die oberen Bodenschichten von mit ESBL/AmpC-positivem Wirtschafsdünger gedüngten Boden betreffen könnte. Diese Emissionswege könnten zu einer großflächigen luftgetragenen Exposition der Bevölkerung mit ESBL/AmpC E. coli und somit zu einem Gesundheitsrisiko führen . Diese Hypothese wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit mithilfe von praxisnahen und experimentellen Versuchsreihen mit verschiedenen, komplementären Untersuchungsansätzen und Fragestellungen untersucht. In den unter Praxisbedingungen durchgeführten Kurzzeit – Mistlagerungsversuchen mit Masthähnchenmist wurde die Absterbekinetik ESBL-bildender E. coli abhängig von den Umweltbedingungen (im Sommer und im Winter) erfaßt. In den ebenfalls unter Praxisbedingungen durchgeführten Feldversuchen wurde untersucht, ob es bei der Ausbringung ESBL/AmpC-positven Wirtschaftsdüngers zu einer luftgetragenen Verbreitung während landwirtschaftlicher Bearbeitungsmaßnahmen (Ausbringung und Einarbeitung) kommt. In den anschließenden Winderosionsversuchen wurde der luftgetragene Austrag ESBL/AmpC-bildender E. coli aus mit Masthähnchenmist gedüngtem Sandboden unter praxisnahen Bedingungen untersucht. Schließlich wurde eine Testreihe in einer Aerosolkammer zur Tenazität ESBL/AmpC-bildender E. coli im luftgetragenen Zustand durchgeführt. In Feldversuchen mit ESBL-positivem Masthähnchenmist, zeigte sich, dass selbst bei hohen Konzentrationen ESBL-bildender E. coli (2.1 x 105 KbE/g Sammelkot), deren Zahl nach dem Transport des Masthähnchenmists zum Feldrand über Nacht unter die Nachweisgrenze sank. Diese Beobachtung wurde nochmals systematisch unter Praxisbedingungen in Mistlagerungsversuchen bestätigt, in welchen in gelagertem Masthähnchenmist im Winter nach 72 h und im Sommer bereits nach 36 h ESBL E. coli quantitativ nicht mehr nachzuweisen waren. In den unter praxisnahen Bedingungen im Windkanal durchgeführten Winderosionsversuchen konnten trotz teils hoher Konzentrationen ESBL/AmpC-produzierender E. coli im Masthähnchenmist (bis zu 4.2 x 105 KbE/g Einstreu) und einer schnellstmöglichen Aerosolisierung keine ESBL-bildenden E. coli in den Luftproben nachgewiesen werden. Durch die Ergebnisse der Aerosolkammerversuche wurde eine geringe Tenaziät ESBL/AmpC-produzierender E. coli im luftgetragenen Zustand bestätigt. Abhängig von den Umweltbedingungen zeigten sich sehr geringe Wiederfindungsraten zwischen 0,003% und 2,8% im Aerosol. Die Betrachtung der Ergebnisse der durchgeführten Versuchsreihen im Gesamtkontext läßt die Schlussfolgerung zu, dass ein luftgetragener Austrag kultivierbarer ESBL/AmpC-produzierender E. coli aus Tierhaltungen durch landwirtschaftliche Flächennutzung und Winderosion sehr unwahrscheinlich erscheint.