Projektbeskrivelse

• At identificere hvordan det initiale vandindhold i jorden samt forskellige tørstofindhold i gylle influerer horisontal genoverførsel.
• At identificere fækale bakterier og antibiotika resistente bakterier i drænvand ved pyro-sekventering.
• At modellere udvaskningen af resistente og/eller fækale bakterier og evaluere hvordan gyllens tørstofindhold influerer den bakterielle transport.

Hypoteser

Gylle-jord miljøet er et "hot-spot" for genoverførsel.

• Gylle med et højt tørstofindhold øger risikoen for horisontal genoverførsel som følge af højere niveau af næringsstoffer sammenlignet med en gylle med lavt tørstofindhold.
• Et højere vandindhold vil øge risikoen for horisontal genoverførsel som følge af øget kontakt mellem næringsstoffer, forurenende stoffer og bakterier grundet en mere sammenhængende vandfilm.

• Gylle med lavt tørstofindhold vil øge præferentiel strømning fordi matrix porer blokeres af små organiske partikler I forhold til en gylle med højt tørstofindhold.
• Effekten af gylle med lavt tørstodindhold på præferentiel strømning forventes at være størst på jorden med lavt initialt vandindhold, grundet en større umiddelbar infiltration af gyllen sammenlignet med en jord med højere vandindhold.

Baggrund

Den store produktion og forbruget af antibiotika inden for human og animal sygdomsbekæmpelse har gennem de sidste 60 år gavnet både human sundhed samt landbrugsproduktionen verden rundt. Desværre, har der sideløbende været en stigning inden for antibiotika-resistente patogene bakterier, og denne udvikling kan i dag betragtes som en trussel mod fremtidige behandlingsmuligheder. Jones et al. (2008) analyserede ca. 300 sygdomsudbrud fra 1940 til 2004, og konkluderede at 60 % af disse udbrud var associeret med zoonoser og 20 % associeret med antibiotika-resistens. I en ny rapport fra Storbritannien blev det konkluderet, at antibiotika-resistens bør stå på den nationale liste over trusler mod samfundet, sammen med pandemi og terrorisme (Davis, 2013).

De store mængder antibiotika som bruges i dyreproduktionen, har medført en udbredelse af antibiotika-resistens i landbrugsmiljøet. Gylle er et reservoir af udskilt antibiotika, resistente bakterier samt patogene zoonoser, og derfor udgør udbringning af gylle på landbrugsjord en risiko for yderlig spredning i miljøet. Knapp et al. (2010) fandt, at der var en signifikant stigning af antibiotika-resistente gener i landbrugsjord fra 1940 til 2008. Gylleudbringning formodes at øge niveauet af resistente gener og resistente populationer i jorden (Heuer et al. 2011). De resistente gener sidder antageligt på plasmider. Vigtigheden af IncP-1 plasmidet for genoverførsel blev påvist i en gylle behandlet jord (Heuer et al. 2012). Den horisontale genoverførsel fra gylle til jordbakterier er en vigtig faktor i udbredelsen af resistens, da introducerede fækale bakterier typisk har en kortere levetid i jordmiljøet og inden for få måneder ikke længere kan detekteres (Agerso et al. 2006; Semenov et al. 2008; Semenov et al.2009). Derfor vil genoverførsel til jordbakterier øge risikoen for opbygning af en resistent pulje i jorden. Det er blevet påvist, at gylle øger risikoen for horisontal genoverførsel grundet et højere næringsniveau (Heuer & Smalla 2007).

Der er i dag begrænset viden om gylle egenskaber, og hvordan disse påvirker genoverførsel. Man ved at det mikrobielle samfund i jorden påvirkes af mængden og nedbrydeligheden af gyllen. Tilstedeværelsen af let nedbrydelige forbindelser kan resultere i en hurtig stigning i biomasse og derved favorisere vækst af copiotrofe i forhold til oligotrofe organismer (Fierer et al. 2007). Gylle med et højt tørstofindhold vil typisk have et højt C/N-forhold i modsætning til en gylle med et lavt tørstofindhold, som har et lavt C/N-forhold. Det må derfor forventes, at gylle med højt tørstofindhold vil favorisere olifotrofe bakterier og potentielt øge gen overførsel. En fysisk adskillelse af jordbakterier forventes at forhindre plasmid medieret genoverførsel mellem populationer (Heuer & Smalla 2012). Derfor vil der i en jord med højere vandindhold være en øget risiko for genoverførsel.

For at kunne vurdere risikoen for kontaminering af ferskvand, er det nødvendigt med en kombineret forståelse af overlevelse/persistens sideløbende med detaljerede udvaskningsforsøg. Flere studier har vist risiko for udvaskning af zoonoser eller antibiotika-resistente bakterier fra gylle behandlede jorde til drænvand (Chee-Sanford et al. 2001; Chee-Sanford et al. 2009; Bech et al. 2010; Bech et al. 2011) og grundvand (Ethelberg et al. 2005; Gubbels et al. 2012). De komplicerede transportprocesser gennem den umættede zone gør at der til dags data endnu ikke er en fuld forståelse udvaskningen af fækale bakterier fra landbrugsjorde. Præferentielt flow generer hurtigt flow med minimal kontakt med jord matrix (Lin et al. 1997), og har derfor en dominerende effekt på infiltration og kontaminering af ferskvand (McMurry et al. 1998; Artz et al. 2005). Tidligere studier har ofte testet udvaskningen af E. coli ved urealistiske høje nedbørshændelser, hvilket højst sandsynligt ikke repræsenterer virkelige forhold. Vi så fra mark-skala forsøg, at udvaskning til dræn af tetracyklin-resistente bakterier fandt sted under umættede forhold ved lav nedbørsintensitet. Dette resultat udfordrer noget af den eksisterende litteratur, da jordens vandmætning antages at være vigtig for præferentiel strømning.

Der har yderligere været en tendens til at fokusere på coliforme bakterier, totale bakterier, fækale coliforme og fækale streptococci som indikator mikroorganismer. Nylige studier har sat spørgsmålstegn ved korrektheden af dette, da der ikke er fundet korrelationer mellem disse indikator-organismer og tilstedeværelsen af patogene bakterier i ferskvand (Duris et al. 2009; Shelton et al. 2011).

Agerso, Y., G. Wulff, E. Vaclavik, B. Halling-Sorensen, & L.B. Jensen (2006): Effect of tetracycline residues in pig manure slurry on tetracycline-resistant bacteria and resistance gene tet(M) in soil microcosms. Environment International. Vol. 32, no. 7, pp. 876-882.

Artz, R.R.E., J. Townend, K. Brown, W. Towers, & K. Killham (2005): Soil macropores and compaction control the leaching potential of Escherichia coli O157 : H7. Environmental Microbiology. Vol. 7, no. 2, pp. 241-248.

Bech, T., A. Dalsgaard, O.S. Jacobsen, & C.S. Jacobsen (2011): Leaching of Salmonella enterica in Clay Columns Comparing Two Manure Application Methods. Ground Water. Vol. 49, no. 1, pp. 32-42.

Bech, T.B., K. Johnsen, A. Dalsgaard, M. Laegdsmand, O.H. Jacobsen, & C.S. Jacobsen (2010): Transport and Distribution of Salmonella enterica Serovar Typhimurium in Loamy and Sandy Soil Monoliths with Applied Liquid Manure. Applied and Environmental Microbiology. Vol. 76, no. 3, pp. 710-714.

Chee-Sanford, J.C., R.I. Aminov, I.J. Krapac, N. Garrigues-Jeanjean, & R.I. Mackie (2001): Occurrence and diversity of tetracycline resistance genes in lagoons and groundwater underlying two swine production facilities. Applied and Environmental Microbiology. Vol. 67, no. 4, pp. 1494-1502.

Chee-Sanford, J.C., R.I. Mackie, S. Koike, I.G. Krapac, Y.F. Lin, A.C. Yannarell, S. Maxwell, & R.I. Aminov (2009): Fate and Transport of Antibiotic Residues and Antibiotic Resistance Genes following Land Application of Manure Waste. Journal of Environmental Quality. Vol. 38, no. 3, pp. 1086-1108.

Davis, C. S. (2013): Annual Report of the Chief Medical Officer. Duris, J.W., S.K. Haack, & L.R. Fogarty (2009): Gene and Antigen Markers of Shiga-toxin Producing E. coli from Michigan and Indiana River Water: Occurrence and Relation to Recreational Water Quality Criteria. Journal of Environmental Quality. Vol. 38, no. 5, pp. 1878-1886.

Ethelberg, S., J. Simonsen, P. Gerner-Smidt, K.E.P. Olsen, & K. Molbak (2005): Spatial distribution and registry-based case-control analysis of Campylobacter infections in Denmark, 1991-2001. American Journal of Epidemiology. Vol. 162, no. 10, pp. 1008-1015.

Fierer, N., M.A. Bradford, & R.B. Jackson (2007): Toward an ecological classification of soil bacteria. Ecology. Vol. 88, no. 6, pp. 1354-1364.

Gubbels, S., K.G. Kuhn, J.T. Larsson, M. Adelhardt, J. Engberg, P. Ingildsen, L.W. Hollesen, S. Muchitsch, K. Molbak, & S. Ethelberg (2012): A waterborne outbreak with a single clone of Campylobacter jejuni in the Danish town of Koge in May 2010. Scandinavian Journal of Infectious Diseases. Vol. 44, no. 8, pp. 586-594.

Heuer, H., C.T.T. Binh, S. Jechalke, C. Kopmann, U. Zimmerling, E. Krogerrecklenfort, T. Ledger, B. Gonzalez, E. Top, & K. Smalla (2012): IncP-1epsilon Plasmids are Important Vectors of Antibiotic Resistance Genes in Agricultural Systems: Diversification Driven by Class 1 Integron Gene Cassettes. Frontiers in Microbiology. Vol. 3, p. 2.

Heuer, H., H. Schmitt, & K. Smalla (2011): Antibiotic resistance gene spread due to manure application on agricultural fields. Current Opinion in Microbiology. Vol. 14, no. 3, pp. 236-243.

Heuer, H. & K. Smalla (2007): Manure and sulfadiazine synergistically increased bacterial antibiotic resistance in soil over at least two months. Environmental Microbiology. Vol. 9, no. 3, pp. 657-666.

Heuer, H. & K. Smalla (2012): Plasmids foster diversification and adaptation of bacterial populations in soil. Fems Microbiology Reviews. Vol. 36, no. 6, pp. 1083-1104. Jones, K.E., N.G. Patel, M.A. Levy, A. Storeygard, D. Balk, J.L. Gittleman, & P. Daszak (2008): Global trends in emerging infectious diseases. Nature. Vol. 451, no. 7181, pp. 990-9U4.

Knapp, C.W., J. Dolfing, P.A.I. Ehlert, & D.W. Graham (2010): Evidence of Increasing Antibiotic Resistance Gene Abundances in Archived Soils since 1940. Environmental Science & Technology. Vol. 44, no. 2, pp. 580-587.

Lin, H.S., K.J. McInnes, L.P. Wilding, & C.T. Hallmark (1997): Low tension water flow in structured soils. Canadian Journal of Soil Science. Vol. 77, no. 4, pp. 649-654. McMurry, S.W., M.S. Coyne, & E. Perfect (1998): Fecal coliform transport through intact soil blocks amended with poultry manure. Journal of Environmental Quality. Vol. 27, no. 1, pp. 86-92.

Semenov, A.V., E. Franz, L. van Overbeek, A.J. Termorshuizen, & A.H.C. van Bruggen (2008): Estimating the stability of Escherichia coli O157 : H7 survival in manure-amended soils with different management histories. Environmental Microbiology. Vol. 10, no. 6, pp. 1450-1459.

Semenov, A.V., L. van Overbeek, & A.H.C. van Bruggen (2009): Percolation and Survival of Escherichia coli O157:H7 and Salmonella enterica Serovar Typhimurium in Soil Amended with Contaminated Dairy Manure or Slurry. Applied and Environmental Microbiology. Vol. 75, no. 10, pp. 3206-3215.

Shelton, D.R., J.S. Karns, C. Coppock, J. Patel, M. Sharma, & Y.A. Pachepsky (2011): Relationship between eae and stx Virulence Genes and Escherichia coli in an Agricultural Watershed: Implications for Irrigation Water Standards and Leafy Green Commodities. Journal of Food Protection. Vol. 74, no. 1, pp. 18-23.