Mikrobielle Kreisläufe Boden, Pflanze, Tier/Mensch. M. Krüger Institut für Bakteriologie und Mykologie

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1 Mikrobielle Kreisläufe Boden, Pflanze, Tier/Mensch M. Krüger Institut für Bakteriologie und Mykologie

2 Mikrobielle Diversität im Dickdarm (Mensch, Maus, Fisch) Ozean, Boden Mensch Maus Fisch Ozean Stromatolith Boden Ley et al. (2006), Cell 124,

3 Mikroökosystem Boden Viren Bakterien Pilze Hefen Protozoen Existenzformen von Bakterien: aktiv, hypometabol, somnolent Bodenfruchtbarkeit Bodenfruchtbarkeit unterstützend unterstützend vermindernd verringernd Antibiotika Sulfonamide Kokzidiostatika Schwermetalle

4 Lebensraum Boden Mikroflora (Bakterien, Pilze) 90% Abbauarbeit n x 10 6 Bakterien m Pilzmyzel/g Mikrofauna (ca. 400 Prozozoenarten, bis10 6 /g) Pioniere in Rohböden, fressen Bakterien, Pilze, Pflanzenparasiten

5 Mikroorganismengemeinschaften Autochthon (Standortflora) Allochthon (passagere, temporäre Flora) Restflora (pathogene Flora)

6 Potentiell oder obligat pathogene Bakterien im Bodenhabitat Naturherdinfektionen Leptospirose Borreliose Bakterien, die mit Ausscheidungen in Boden und Grundwasser gelangen E. coli Salmonellen Clostridien Mensch/Tier

7 Schädigungen von M/T durch bodenbürtige Mikroorganismen 1. Toxine Mikroorganismen Produkte Fusarium spp., Mykotoxine Penicillium spp. Mykotoxine Aspergillus spp. Mykotoxine Bacillus cereus Enterotoxine S. aureus Enterotoxine C. perfringens Enterotoxine Cyanobacterium spp. Hepatotoxin C. botulinum Neurotoxin

8 Schädigungen durch bodenbürtige Mikroorganismen 2. Infektionen (meist immunkomprimierte Patienten) Enterobakterien (Klebsiellen, Serratia, Erwinia, Enterobacter u.a. Staphylococcus spp. Säurefeste Stäbchen (z.b. Mykobakterien) Vibrionen Hefen Pilze

9 Kontaminationen von pflanzlichen Lebens-/Futtermitteln mit Pathogenen Epiphytisch Endophytisch Bodenbeimengungen im Produkt Wasser

10 Kreisläufe pathogener Mikroorganismen Pflanze Boden Futtermittel Nahrungsmittel Tier Mensch

11 Kreislauf von C. botulinum

12 Clostridium botulinum Anaerobier Sporenbildner Neurotoxinbildner Bodenseuchenerreger

13 Anti-BotNt-A bis D

14 Epidemiologie Weltweit verbreitet durch Globalisierung keine Regionalität ubiquitär vorkommend Darmbewohner Eintrag in Boden durch Fäkalien Toxinbildung abhängig von Erregerzahl 7 Toxintypen, Mischformen

15 C. botulinum-haltige Substrate Kot Pflanzen Staub Schlämme Abfälle Kompost Boden Futter/ Lebensmittel

16 Epidemiologische Zusammenhänge zwischen Umwelt und Clostridium botulinum-neurotoxinwirkung im Makroorganismus (modifiziert nach Böhnel, 2002) Wasser Klima Luft Boden C. botulinum in der Umwelt Ackerfläche Weideland Bodenbiologie Bodenchemie Bodentechnologie Antibiotikarückstände Wild Bodendünger, kontaminiert mit C. botulinum

17 Epidemiologische Zusammenhänge zwischen Umwelt und Clostridium botulinum-neurotoxinwirkung im Makroorganismus (modifiziert nach Böhnel, 2002) Biofilmbildung Bodentechnologie Import v. Futter-/ Lebensmitteln Tourismus Wasser Luft Klima exotische C. botulinum Bodenbiologie Bodenchemie allgemeines Hygienemanagement Boden C. botulinum in der Umwelt Futter Ackerfläche Weideland Antibiotikarückstände Schimmelpilze Wild Zinküberschuss Nitratverringerung Bodendünger, kontaminiert mit C. botulinum Phosphormangel

18 Epidemiologische Zusammenhänge zwischen Umwelt und Clostridium botulinum-neurotoxinwirkung im Makroorganismus (modifiziert nach Böhnel, 2002) Bodenchemie Bodentechnologie Import v. Futter-/ Lebensmitteln Tourismus Bodenbiologie Wasser Klima exotische C. botulinum allgemeines Hygienemanagement Luft Biofilmbildung Endotoxine Boden C. botulinum in der Umwelt Futter BotulinumNT -bildung Ackerfläche Weideland Antibiotikarückstände Schimmelpilze Antibiotikabehandlung Wild Zinküberschuss Nitratverringerung Bodendünger, kontaminiert mit C. botulinum Erntetechnologie Phosphormangel Fütterungsmanagement Jahreszeit

19 Epidemiologische Zusammenhänge zwischen Umwelt und Clostridium botulinum-neurotoxinwirkung im Makroorganismus (modifiziert nach Böhnel, 2002) Bodenchemie Bodentechnologie Import v. Futter-/ Lebensmitteln Tourismus orale Toleranz Mukosa-Immunität Weideland Bodenbiologie Boden Ackerfläche Wild Wasser Luft Antibiotikarückstände Klima C. botulinum in der Umwelt exotische C. botulinum Biofilmbildung Zinküberschuss Phosphormangel Futter genetische Veranlagung Endotoxine BotulinumNT -bildung humorale Immunität BotulinumNT -wirkung andere Erkrankungen allgemeines Hygienemanagement Kolonisations- Botulismus muskulärer Botulismus Bodendünger, kontaminiert mit C. botulinum Fütterungsmanagement Schimmelpilze Nitratverringerung Erntetechnologie Mineralstoffversorgung Organophosphate Antibiotikabehandlung Jahreszeit

20 Erkrankungen durch C. botulinum Mensch Neurointoxikation Wundbotulismus Säuglingsbotulismus Visceraler Botulismus Rind und andere Tierarten Neurointoxikation Kolonisationsbotulismus

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24 O. D. (bei 450nm X 1000) Einfluß der Sporenzahl auf Toxinbildung 10% Rinderkotsuspension in RCM-Medium ohne ca. 10 Sporen ca. 100 Sporen ca Sporen ca Sporen Inkubationstag

25 BotNt-A (REE) Betrieb A zugegebene Sporenzahl BotNt-A (REE) Betrieb B Einfluss der Kotprobe auf die zugegebene Sporenzahl Toxinbildung BotNt-A (REE) Betrieb C zugegebene Sporenzahl Rinderkot 1 (unerhitzt) Rinderkot 2 (unerhitzt) Rinderkot 1 (erhitzt 80 C/10min) Rinderkot 2 (erhitzt 80 C/10min)

26 Clostridieneintrag Eubiose MDF Dysbiose MDF gesund krank

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29 C. botulinum-kreislauf im Betrieb SA (Botulismusunverdächtig) Kot Mist Boden Futtermittel

30 C. botulinum Nachweis bei unverdächtigen Kühen, Bestand SA Tierzahl IgG Kot IgG Kot AB CD A B C D A CDB A B C 60 Kühe 6 10,0 8 13,3-1 1,7 3 5,0 2 3, Färsen 1 10,0 2 20,

31 Nachweis von C. botulinum in Gülle und Mist, Bestand SA Probe Clostridien/g Anreicherung BoNt A B C D Gülle Rind Gülle Schwein Mist Krankenstall Mist Trockensteher Mist Frischabkalber Mist Jungrinder Mist Kälberstall Mistlager Feld (1) Mistlager Feld (2) Mistlager Feld (3)

32 Clostridiengehalt/g Boden ausgewählter Felder über 6 Monate verteilt (DRCM), Betrieb SA

33 C. botulinum-nachweis im Boden ausgewählter Felder über 6 Monate verteilt (DRCM), Betrieb SA Pos. C.b. A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D in % %

34 Clostridiengehalt in Bodenproben nach Düngung mit Schweinegülle, Betrieb SA Proben Düngung (Schweingülle) Mai (unbehandelter Boden) Mai (7d nach Düngung) Juni Juli Oktober (nach Maisernte) Düngung Güllemenge /ha Clostridien/ g Boden Anreicherung BotNT A B C D /ml m m m m m m m m

35 Clostridiengehalt in verwendeten Futtermitteln, Betrieb SA Futtermittel Anreicherung BotNT A B C D Clostridien /g DRCM Lactobacillus spp. Hefen GPS Gras < 10 3 < 10 3 Maissilage Frisch < 10 3 < 10 3 Luzernesilage Frisch ,1x10 5 < 10 3 Silage aus gehäckseltem Mais x10 4 1x10 3 Sojaschrot < 10 3 < 10 3 Rapsschrot < 10 3 < 10 3 Biertreber siliert x10 5 1,3x10 4 Biertreber frisch x10 5 1,8x10 4 Rübenpressschnitzel x10 6 1,3x10 4

36 Keimdynamik in TMR im 18 h-verlauf TMR laktierende Tiere Temp. ( C) Entnahme Anreicherung BotNT A B C D TMR 5 Uhr 30 xx x10 6 <10 3 TMR 9 Uhr xx ,4x10 7 2,7x10 5 TMR Haufen 11 Uhr TMR Futtert. 11 Uhr TMR Haufen 13 Uhr TMR Futtert. 13 Uhr TMR Haufen 15 Uhr TMR Futtert. 15 Uhr TMR Haufen 18 Uhr TMR Futtert. 18 Uhr Clostridien/g DRCM Lactobacillus spp. 18 (+) x10 6 5x10 5 xx x10 4 4x ,5x10 7 1x10 5 xx x10 5 1,8x ,7x10 6 4x10 4 xx ,4x10 6 6x x10 6 Schimmel pilz xx (Clostridium Überschwärmt sp.) Hefen 5x10 3

37 Nachweis ausgewählter Clostridium spp. im Kreislauf Kot (Rind) Gülle/Mist Boden Futtermittel Kot Mist Boden Futter Isolate C.botulinum A, B C.botulinum B C.sporogenes C.butyricum C.tetani unklare Einordnung

38 C. botulinum - Nachweis in Kotproben aus Rinderbeständen verschiedener Grösse (gesunde Bestände) Probenzahl Proben / pos / ges. Toxintyp (pro Eins.) Bestände (%) / 11 3 / 57 (5,3) > / 8 10 / 145 (6,9) > / 3 8 / 158 (5,1) 2xB, 1xD 4xA, 5xB, 1xD 3xA, 1xB, 3xC, 1xD

39 C. bot.-nachweis in Tonsillen* von Schlachtrinder % BoNT A BoNT B BoNT C BoNT D BoNT E 0 n = 96 * mit Ultra Turrax zerkleinert

40 Schlußfolgerungen C. botulinum kommt in klinisch unauffälligen Rinderbeständen Sachsens und weiterer Bundesländer vor. Über Gülle und Mist wird C. botulinum in den Boden eingebracht und kann von hier über Futtermittel wieder in die Bestände gelangen.

41 Schlußfolgerungen Im Kot und im Boden wurde C. botulinum mit der größten Häufigkeit nachgewiesen. Rinder bilden protektive Antikörper gegen den Erreger und seine Neurotoxine.

42 Erregernachweis bei erkrankten Tieren

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46 C. botulinum-nachweis bei erkrankten Kühen Untersuchtes Substrat Tier-Nr. (Labor) C. botulinum- Erregernachweis Typ E C. botulinum- Erregernachweis Typ B C. botulinum- Erregernachweis Typ ABE Pansen Pansen (A) Pansen (A) Pansen (A) Pansen (A) Pansen 6 +/ (A) Pansen (A) Pansen Pansen (A) Pansen (A) Pansen (A) Pansen Pansen 13 +/ (A) Pansen 14 +/ (A) Pansen 15 +/ (A)

47 Untersuchtes Substrat Tier-Nr. (Labor) C. botulinum- Erregernachweis Typ E C. botulinum- Erregernachweis Typ B C. botulinum- Erregernachweis Typ ABE bzw. A Caecum Caecum 2 +/ (A) Caecum (A) Caecum Caecum Caecum Caecum Caecum Caecum Caecum Caecum Caecum Caecum 13 +/ (A) Caecum Caecum

48 C. botulinum-nachweis in Stuhlproben von Landwirten aus erkrankten Beständen Untersuchtes Substrat Probennummer C. botulinum- Erregernachweis Typ E C. botulinum- Erregernachweis Typ B C. botulinum- Erregernachweis Typ ABE Stuhl (A) Stuhl Stuhl Stuhl (A) Stuhl Stuhl 6 +/ (A) Stuhl

49 Clostridium botulinum-gehalt in Futtermitteln (Problembestände) % A B C D E 0 Kraftf. Grassilage Kraftfutter: n=126 Grassilage: n=34

50 C. botulinum Nachweis in Rinderkotproben aus Rinderbeständen mit Biogasanlage (erkrankte Bestände) Bestand Nr. Tierzahl pos./ n (%) Bh / 22 (27,2) Ghm / 20 (35,0) Toxintyp 2xCD; 1xC; 1 x D; 2 x B 3xC; 4xD; 2xB Gärsub. Rd.-, Schw.-G. Silagen Rd.-G. Silagen

51 C. botulinum- Nachweis in Gülle, Fermenterinhalt, Gärresten (erkrankte Bestände) Substr. n BoNT A Gülle R / 11 1 x pos 9.1% S / 2 Ferm.- Inhalt 5 1 x pos 20,0% Gärrest 26 2 x pos 7,7% BoNT B BoNT C BoNT D 5 x pos 2 x pos 45,5% 18,2% 2 x pos 100% 1 x pos 20,0% 3 x pos 6 x pos 11,5% 23, 1%

52 Schwimmdecke auf Gärrestlakune

53 Schlußfolgerungen An Kolonisationsbotulismus erkrankte Tiere scheiden mehr C. botulinum-erreger aus, die in die Umwelt (Staub) und in den Boden gelangen. Menschen und Tiere können über Staub, Tierkontakt, Lebensmittel Sporen aufnehmen.

54 Schlußfolgerungen Bei ausreichender Sporenzahl und Dysbiose des MDT können C. botulinum- Keime kolonisieren und Toxin bilden. Es entsteht das Erkrankungsbild des Kolonisationsbotulismus.