Longitudinal study on the occurrence of extended-spectrum beta-lactamase-producing E. coli in conventional and organic fattening pigs as well as in wild boar in northeast Germany

This longitudinal study, conducted from February to December 2018 in Mecklenburg-Western Pomerania, aimed to compare the occurrence of ESBL-producing E. coli in conventional and organic pig farms. A total of three conventional and four organic farms took part in the study. One of the organic farms (farm 4) was distributed over two sites, which were considered as two separate epidemiological units. Furthermore, faecal samples were collected from feral pigs near Greifswald in autumn/winter 2018/2019 and analysed for their ESBL status. ESBL-positive E. coli, especially of the CTX M type, were found in all fattening farms, so that the study confirms, as expected, that antibiotic resistance is widespread in pig fattening and affects both conventional and organic farms. The results of the bacteriological investigation showed that the percentage of ESBL-positive pens was greater on conventional farms (55.2%) than on organic farms (44.8%) (p < 0.001). A detailed analysis of the individual farms showed that the percentage of ESBL-positive pens was very similar in the conventional farms (54.3 - 61.9%), while there was a wide variation between 7.7 and 84.2% among the organic farms. There were indications that the farms of origin, from which weaner pigs were purchased, can have a major influence on the occurrence of ESBL-producing E. coli in the fattening farms. Resistance testing using the resistance screening test showed that the proportion of pens with multi-resistant E. coli was similar in conventional (28.6%) and organic (31.5%) farms. The proportion of pens with ciprofloxacin-resistant E. coli was even higher in organic farms (17.3%) than in conventional farms (9.2%) (p = 0.007). However, it can be deduced from the observations with regard to multi- and ciprofloxacin resistance of the individual farms that a high proportion of ESBL-positive fattening groups does not always mean a high proportion of multi-resistant or ciprofloxacin-resistant groups, but that farm-specific variations are possible. When examining fresh faecal samples from a farm visit using real-time PCR, it was observed that SHV-12 type-positive isolates were only found in organic farms. Thus, it can be assumed that the high proportions of SHV-positive isolates compared to the conventional pig farms could be due to entries of wild birds into the runs. In a further VITEK 2 Compact study, isolates from pigs from the final fattening phase were used. The analysis aimed to identify resistances potentially transmissible to humans through meat as a foodstuff. Resistance to cefepime (4th generation cephalosporin), ciprofloxacin and moxifloxacin (fluoroquinolones) and piperazillin (acylaminopenicillin), which are banned in food-producing animals, as well as aztreonam (monobactam), which is also not authorised as a veterinary medicinal product in the EU, were particularly striking here. This shows that a fundamental rethink is needed in the use of antibiotics, as resistance to these active substances, which are important for human medicine, has presumably developed due to co-resistance caused by the use of antibiotics that are not listed as "critically important for human treatment" or reserve antibiotics. In addition, isolates from one fattening group that had been sampled several times and isolates from localities, where different fattening groups had been housed were examined using MICRONAUT-S and the resistance profiles were compared. Some isolates displayed an identical resistance pattern, while most isolates showed different resistance behaviour. This indicates that there does not seem to be only one dominant strain circulating between all fattening pigs within the same group or being transmitted between different fattening groups of the same localisation, but that several strains might be present. A single isolate (0.8%; 1 of 121) obtained from the examined wild boar faecal samples could be identified as ESBL-producing E. coli. It was resistant to ampicillin, piperazillin, ampicillin/sulbactam and the cephalosporins cefuroxime, cefotaxime and cefpodoxime by VITEK 2 testing. The isolate carried the ESBL gene blaCTX-M-1 and belonged to sequence type 101. Since CTX-M-1 can be found in both, food-producing animals and humans, an entry from any of these two sources into the environment with transmission to wild boar seems possible. Three plasmids were identified by in silico analysis. The localisation of the resistance genes blaCTX-M-1 and mph(A) on the IncN plasmid probably contributed to their wide distribution. In any case, the detection of ESBL-producing E. coli in wild boar is worrying, because it indicates the spread of these bacteria in the environment.Die von Februar bis Dezember 2018 in Mecklenburg-Vorpommern durchgeführte Longitudinalstudie sollte das Vorkommen von ESBL-bildenden E. coli in konventionellen und ökologischen Schweinemastbetrieben vergleichend darstellen. Insgesamt nahmen an der Studie drei konventionelle und vier ökologisch wirtschaftende Betriebe teil. Einer der Ökobetriebe (Betrieb 4) war auf zwei Standorte verteilt, die als zwei separate epidemiologische Einheiten angesehen wurden. Des Weiteren wurden im Herbst/Winter 2018/2019 Kotproben von Wildschweinen aus der Nähe von Greifswald gesammelt und diese auf ihren ESBL-Status untersucht. In allen Mastbetrieben wurden ESBL-positive E. coli, insbesondere vom CTX-M-Typ, gefunden, sodass die Studie erwartungsgemäß bestätigt, dass Antibiotika-Resistenzen in der Schweinemast weit verbreitet sind und sowohl konventionelle als auch Biobetriebe betreffen. Die Ergebnisse der bakteriologischen Untersuchung zeigten, dass der prozentuale Anteil ESBL-positiver Buchten bei den konventionellen Betrieben mit 55,2 % größer war als bei den ökologischen Betrieben mit 44,8 % (p < 0,001). Die Betrachtung der einzelnen Betriebe verdeutlichte, dass der prozentuale Anteil ESBL-positiver Buchten bei den konventionellen Betrieben sehr ähnlich war (54,3 - 61,9 %), während bei den ökologisch wirtschaftenden Betrieben eine große Variation zwischen 7,7 und 84,2 % vorlag. Es ergaben sich Hinweise, dass die Herkunftsbetriebe einen großen Einfluss auf das Vorkommen von ESBL-bildenden E. coli in den Mastbetrieben haben können. Die Resistenztestung mittels Resistenz-Screeningtest zeigte, dass der Anteil von Buchten mit multiresistenten E. coli bei den konventionellen (28,6 %) und ökologisch wirtschaftenden (31,5 %) Betrieben ähnlich war. Die Anteile an Buchten mit Ciprofloxacin-resistenten E. coli waren bei den ökologisch wirtschaftenden Betrieben (17,3 %) sogar größer als bei den konventionellen Betrieben (9,2 %) (p = 0,007). Jedoch lässt sich anhand der Beobachtungen in Bezug auf Multi- und Ciprofloxacinresistenz der einzelnen Betriebe ableiten, dass nicht in jedem Fall ein hoher Anteil an ESBL-positiven Mastgruppen einen hohen Anteil an multiresistenten oder Ciprofloxacin-resistenten Gruppen bedingt, sondern betriebsspezifische Variationen möglich sind. Bei der Untersuchung von frischen Kotproben eines Betriebsbesuches mittels Real-Time PCR wurde beobachtet, dass nur bei den ökologisch wirtschaftenden Betrieben SHV-12-Typpositive Isolate gefunden wurden. Somit lässt sich annehmen, dass die im Vergleich mit den konventionellen Schweinebetrieben hohen Anteile an SHV-positiven Isolaten durch Einträge von Wildvögeln in die Ausläufe bedingt sein könnten. In einer weiterführenden VITEK 2 Compact Untersuchung wurden Isolate von Schweinen aus der Endmast eingesetzt. Die Analyse zielte darauf ab, potentiell auf den Menschen übertragbare Resistenzen durch das Lebensmittel Fleisch zu identifizieren. Auffällig waren hier insbesondere Resistenzen gegen Cefepim (Cephalosporin der 4. Generation), Ciprofloxacin und Moxifloxacin (Fluorchinolone) sowie Piperazillin (Acylaminopenicillin), welche bei lebensmittelliefernden Tieren verboten sind als auch gegen Aztreonam (Monobactam), das ebenfalls in der EU nicht als Tierarzneimittel zugelassen ist. Dies zeigt, dass ein grundlegendes Umdenken im Umgang mit Antibiotika nötig ist, da vermutlich bedingt durch Co-Resistenz durch die Verwendung von Antibiotika, die nicht als „critically important for human treatment“ oder Reserveantibiotika gelistet sind, sich Resistenzen gegenüber diesen für die Humanmedizin wichtigen Wirkstoffen eingestellt haben. Darüber hinaus wurden die Isolate einer Mastgruppe, die mehrfach beprobt wurde und Isolate von Lokalisationen, wo unterschiedliche Mastgruppen eingestallt worden waren, mittels MICRONAUT-S untersucht und die Resistenzprofile verglichen. Dabei zeigten einige Isolate ein identisches Resistenzmuster, während die meisten Isolate ein unterschiedliches Resistenzverhalten aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass es nicht nur einen dominanten Stamm zu geben scheint, der zwischen allen Mastschweinen innerhalb der gleichen Gruppe zirkuliert oder zwischen unterschiedlichen Mastgruppen der gleichen Lokalisation übertragen wird, sondern auch mehrere Stämme vorhanden sein könnten. Von den untersuchten Wildschweinkotproben konnte ein Isolat (0,8 %; 1 von 121) als ESBL-bildender E. coli identifiziert werden. Dieses Isolat zeigte mittels VITEK 2 Untersuchung Resistenzen gegen Ampicillin, Piperazillin, Ampicillin/Sulbactam und die Cephalosporine Cefuroxim, Cefotaxim und Cefpodoxim. Das Isolat trug das ESBL-Gen blaCTX-M-1 und gehörte zum Sequenztyp 101. Da CTX-M-1 bei Lebensmittel liefernden Tieren als auch bei Menschen gefunden werden kann, erscheint ein Eintrag aus beiden Quellen in die Umwelt mit Übertragung auf Wildschweine möglich. Mithilfe der in silico Analyse wurden drei Plasmide identifiziert. Die Lokalisation der Resistenzgene blaCTX-M-1 und mphA auf dem IncN-Plasmid hat wahrscheinlich zu ihrer weiten Verbreitung beigetragen. In jedem Fall ist der Nachweis ESBL-bildender E. coli bei Wildschweinen Besorgnis erregend, weil er die Verbreitung der Keime in der Umwelt anzeigt