Management measures to reduce the prevalence of broiler chickens with ESBL-/pAmpC- producing enterobacteria

Abstract

Extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) and plasmid-mediated AmpC beta-lactamase (pAmpC) producing bacteria are frequently detected in the broiler production chain. Investigations revealed a high prevalence of ESBL- and pAmpC- producing bacteria throughout the broiler fattening process up to the slaughterhouse level and consumer goods and revealed several transmission routes of these antibiotic-resistant bacteria. Insights into the colonization dynamics of broiler chickens and possible intervention measures are needed as the transmission of ESBL- and pAmpC- producing bacteria to humans via close contact with livestock or the consumption of contaminated meat is assumed. This thesis aimed to determine the minimal bacterial count necessary to colonize broiler chickens with ESBL- and pAmpC- producing Escherichia coli (E. coli) and to establish a broiler chicken colonization model (seeder-bird) close to real farming conditions without applying any antimicrobial selection pressure. Subsequently, we aimed to evaluate distinct intervention measures on their potential to reduce the colonization of broiler chickens with ESBL- and pAmpC- producing E. coli throughout the fattening process. For the determination of the minimal bacterial count, ESBL- and pAmpC- negative day-old broiler chickens (Ross 308) were kept under conventional conditions and were orally co-inoculated on day three of the trial with 10^4,10^3, 10^2, or 10^1 colony forming units (cfu) of one ESBL- (CTX-M-15) and one pAmpC- (CMY-2) producing E. coli strain in separate trials. All investigated bacterial counts led to the colonization of all broiler chickens in the trials, with all broiler chickens tested positive after 24 h (10^4-10^2 cfu) or 72 h (10^1 cfu) post inoculation (p.i.) up to the end of each trial. At necropsy (14 d p.i.), the cecal colonization with the ESBL- and pAmpC- producing E. coli strains of all investigated bacterial counts showed equivalence in the statistical analysis. To assure stable colonization, the bacterial count of 10^2 cfu ESBL- and pAmpC- producing E. coli was chosen to establish the seeder-bird model. An inoculation of one-fifth of the day-old broiler chickens with 10^2 cfu E. coli led to the colonization of all inoculated broiler chickens (seeder-birds) after 24 h p.i. and all non-inoculated broiler chickens (sentinel-birds) after 72 h p.i. up to the end of the trial. At necropsy (35 d p.i.) no significant differences in the cecal colonization with the ESBL- and pAmpC producing E. coli strains was apparent between the seeder-birds or sentinel-birds. Distinct intervention measures were subsequently investigated on their potential to reduce the colonization of broiler chickens with ESBL- and pAmpC- producing E. coli throughout the fattening process using the established seeder-bird model. Applying a complex, non-defined Competitive Exclusion-culture led to a significant reduction of both the ESBL- and pAmpC- producing E. coli strain in our trial. Applying a single CE-strain or reducing the stocking density to 25 kg/sqm led to a strain-dependent reduction of the ESBL- E. coli strain but had no impact on the colonization with the pAmpC- E. coli strain. No effect on the colonization of broiler chickens with ESBL- and pAmpC- producing E. coli was evident for the use of an alternative, slower-growing broiler breed (Rowan x Ranger). A negative effect on the colonization of broiler chickens with ESBL- and pAmpC- producing E. coli was shown for the application of a tripled amount of litter in the pen and the acidification of the drinking water with a commercially available product. The minimal bacterial counts of 10^1 to 10^2 cfu ESBL- and pAmpC- producing E. coli highlight the need for effective intervention measures to reduce the broiler chickens’ colonization with ESBL- and pAmpC- producing bacteria including improved biosecurity- and disinfection measures. A promising approach is the application of a Competitive Exclusion-culture, whereas other separately applied management measures were not capable of reducing the broiler chickens’ colonization with both the ESBL- and pAmpC- producing E. coli strains. It needs further investigations whether a combination of different measures can contribute to a reduced colonization of the broiler chickens’ with ESBL- and pAmpC- producing bacteria.

Extended-Spektrum Beta-Laktamase (ESBL) und plasmid-vermittelte AmpC Beta-Laktamase (pAmpC) produzierende Bakterien können häufig in der Masthähnchenproduktionskette nachgewiesen werden. Untersuchungen zeigten hohe Prävalenzen und identifizierten verschiedenste Transmissionswege sowohl im Mastprozess und auf Schlachthofebene als auch auf Hähnchenfleisch-Produkten. Da ein Übertrag auf den Menschen durch einen engen Kontakt zu Nutztieren oder durch den Verzehr von kontaminiertem Fleisch angenommen wird, sind Erkenntnisse über die Kolonisierungsdynamiken von Masthähnchen und über mögliche Interventionsmaßnahmen erforderlich. Die vorliegende Dissertationsschrift hatte zum Ziel, die geringste erforderliche Bakterienzahl an ESBL- und pAmpC- produzierenden Escherichia coli (E. coli) für eine Kolonisierung von Masthähnchen zu ermitteln und ein praxisnahes Kolonisierungsmodell (Seeder-Bird) zu entwickeln, ohne dabei einen antimikrobiellen Selektionsdruck auszuüben. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit war die Evaluation verschiedener Interventionsmaßnahmen, um die Kolonisierung von Masthähnchen mit ESBL- und pAmpC- produzierenden E. coli während des Mastprozesses zu reduzieren. Für die Ermittlung der geringsten erforderlichen Bakterienzahl wurden ESBL- und pAmpC- negative Eintagsküken (Ross 308) konventionell aufgestallt und in separaten Versuchen jeweils am dritten Versuchstag mit einem ESBL- (CTX-M-15) und einem pAmpC- (CMY-2) produzierenden E. coli Stamm bivalent kolonisiert. Alle untersuchten Keimzahlen von 10^4,10^3, 10^2 und 10^1 koloniebildenden Einheiten (KbE) führten zu einer Kolonisierung aller Masthähnchen in den einzelnen Versuchen. Eine Kolonisierung aller Tiere war mittels Kloakentupfer 24 h (10^4-10^2 KbE E. coli) oder 72 h (10^1 KbE E. coli) nach Inokulation bis zum Versuchsende nachweisbar. Die am Versuchsende durchgeführte Sektion (14 d nach Inokulation) zeigte eine äquivalente zäkale Kolonisierung der ESBL- und pAmpC- produzierenden E. coli Stämme in allen Versuchsgruppen. Für eine sichere experimentelle Kolonisierung der Masthähnchen wurde bei der Etablierung des Seeder-Bird Kolonisierungsmodells eine Bakterienzahl von 10^2 KbE ESBL- und pAmpC- produzierende E. coli genutzt. Im Seeder-Bird Modell führte eine Inokulation von einem Fünftel der Eintagsküken mit 10^2 KbE E. coli nach 24 h zu einer Kolonisierung aller inokulierten Tiere (Seeder-Birds) und nach 72 h zu einer Kolonisierung aller nicht inokulierten Tiere (Sentinel-Birds). Im Folgenden war die Kolonisierung über den gesamten Versuchszeitraum nachweisbar. Zu Versuchsende (35 d nach Inokulation) war kein statistisch signifikanter Unterschied der zäkalen Kolonisierung von Seeder-Birds und Sentinel-Birds mit den ESBL- und pAmpC- produzierenden E. coli Stämmen nachweisbar. Das etablierte Seeder-Bird Modell wurden nachfolgend genutzt, um unterschiedliche Interventionsmaßnahmen auf ihr Potenzial einer Reduktion der ESBL- und pAmpC- Kolonisierung von Masthähnchen während des Mastprozessen hin zu untersuchen. Eine signifikante Reduktion beider eingesetzter E. coli Stämme war unter Anwendung einer nicht definierten, komplexen Competitive Exclusion-Kultur ersichtlich. Eine stammabhängige Reduktion des ESBL- E. coli Stammes, ohne einen Effekt auf die Kolonisierung der Masthähnchen mit dem pAmpC- E. coli Stamm, war sowohl unter der Applikation eines einzelnen CE-Stammes als auch bei der Reduktion der Besatzdichte auf 25 kg/qm nachweisbar. Keinen Effekt auf die Kolonisierung von Masthähnchen mit ESBL- und pAmpC- produzierenden E. coli zeigte sich beim Einsatz einer alternativen, langsam-wachsenden Rasse (Rowan x Ranger). Eine stärkere Kolonisierung von Masthähnchen mit ESBL- und pAmpC- produzierenden E. coli lag bei der Verdreifachung der Einstreumenge im Stall und bei der Ansäuerung des Tränkwassers mit einem kommerziell erwerblichen Produkt vor. Die sehr geringe Keimzahl von 10^1-10^2 KbE ESBL- und pAmpC- produzierender E. coli zeigt die Notwendigkeit von effektiven Interventionsmaßnahmen zur Reduktion der Kolonisierung von Masthähnchen mit ESBL- und pAmpC- produzierenden Bakterien, einschließlich verbesserter Biosicherheits- und Desinfektionsmaßnahmen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Applikation von Competitive Exklusion-Kulturen. Alle anderen einzeln untersuchten Maßnahmen konnten die Kolonisierung mit jeweils beiden eingesetzten ESBL- und pAmpC- produzierenden E. coli Stämmen nicht reduzieren. Weitere Untersuchungen sind in diesem Kontext notwendig, um den Einfluss einer Kombination von Maßnahmen auf die Reduktion der ESBL- und pAmpC- Kolonisierung von Masthähnchen zu evaluieren.