Steffen Münch

• The spread of antibiotic-resistant bacteria poses a globally increasing threat to public health care. The excessive use of antibiotics in animal husbandry can develop resistances in the stables. Transmission through direct contact with animals and contamination of food has already been proven. The excrements of the animals combined with a binding material enable a further potential path of spread into the environment, if they are used as organic manure in agricultural landscapes. As most of the airborne bacteria are attached to particulate matter, the focus of the work will be the atmospheric dispersal via the dust fraction. Field measurements on arable lands in Brandenburg, Germany and wind erosion studies in a wind tunnel were conducted to investigate the risk of a potential atmospheric dust-associated spread of antibiotic-resistant bacteria from poultry manure fertilized agricultural soils. The focus was to (i) characterize the conditions for aerosolization and (ii) qualify and quantify dust emissions during agriculturalThe spread of antibiotic-resistant bacteria poses a globally increasing threat to public health care. The excessive use of antibiotics in animal husbandry can develop resistances in the stables. Transmission through direct contact with animals and contamination of food has already been proven. The excrements of the animals combined with a binding material enable a further potential path of spread into the environment, if they are used as organic manure in agricultural landscapes. As most of the airborne bacteria are attached to particulate matter, the focus of the work will be the atmospheric dispersal via the dust fraction. Field measurements on arable lands in Brandenburg, Germany and wind erosion studies in a wind tunnel were conducted to investigate the risk of a potential atmospheric dust-associated spread of antibiotic-resistant bacteria from poultry manure fertilized agricultural soils. The focus was to (i) characterize the conditions for aerosolization and (ii) qualify and quantify dust emissions during agricultural operations and wind erosion. PM10 (PM, particulate matter with an aerodynamic diameter smaller than 10 µm) emission factors and bacterial fluxes for poultry manure application and incorporation have not been previously reported before. The contribution to dust emissions depends on the water content of the manure, which is affected by the manure pretreatment (fresh, composted, stored, dried), as well as by the intensity of manure spreading from the manure spreader. During poultry manure application, PM10 emission ranged between 0.05 kg ha-1 and 8.37 kg ha-1. For comparison, the subsequent land preparation contributes to 0.35 – 1.15 kg ha-1 of PM10 emissions. Manure particles were still part of dust emissions but they were accounted to be less than 1% of total PM10 emissions due to the dilution of poultry manure in the soil after manure incorporation. Bacterial emissions of fecal origin were more relevant during manure application than during the subsequent manure incorporation, although PM10 emissions of manure incorporation were larger than PM10 emissions of manure application for the non-dried manure variants. Wind erosion leads to preferred detachment of manure particles from sandy soils, when poultry manure has been recently incorporated. Sorting effects were determined between the low-density organic particles of manure origin and the soil particles of mineral origin close above the threshold of 7 m s-1. In dependence to the wind speed, potential erosion rates between 101 and 854 kg ha-1 were identified, if 6 t ha-1 of poultry manure were applied. Microbial investigation showed that manure bacteria got detached more easily from the soil surface during wind erosion, due to their attachment on manure particles. Although antibiotic-resistant bacteria (ESBL-producing E. coli) were still found in the poultry barns, no further contamination could be detected with them in the manure, fertilized soils or in the dust generated by manure application, land preparation or wind erosion. Parallel studies of this project showed that storage of poultry manure for a few days (36 – 72 h) is sufficient to inactivate ESBL-producing E. coli. Further antibiotic-resistant bacteria, i.e. MRSA and VRE, were only found sporadically in the stables and not at all in the dust. Therefore, based on the results of this work, the risk of a potential infection by dust-associated antibiotic-resistant bacteria can be considered as low.…
• Die Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien stellt eine global zunehmende Gefahr für die öffentliche Gesundheitsfürsorge dar. Über den unsachgemäßen Einsatz von Antibiotika in der Tierhaltung können sich in den Ställen Resistenzen entwickeln. Übertragungen über den direkten Kontakt mit Tieren und der Kontaminierung von Lebensmitteln wurden bisher schon nachgewiesen. Die Exkremente der Tiere in Verbindung mit einem Bindemedium ermöglichen einen weiteren potentiellen Ausbreitungspfad in die Umwelt, wenn sie als organische Wirtschaftsdünger in Agrarlandschaften verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Feld- und Windkanalmessungen durchgeführt, um dem von den Ackerflächen ausgehenden potentiellen Risiko einer partikulären Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien nachzugehen. Kern der Arbeit ist zum einen die Bedingungen zu charakterisieren, die zu Staubemissionen während der Prozesskette (Düngerausbringung mit Geflügelmist, nachfolgende Feldbearbeitungen, Winderosion) führen, zum anderen Staubemissionen dieserDie Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien stellt eine global zunehmende Gefahr für die öffentliche Gesundheitsfürsorge dar. Über den unsachgemäßen Einsatz von Antibiotika in der Tierhaltung können sich in den Ställen Resistenzen entwickeln. Übertragungen über den direkten Kontakt mit Tieren und der Kontaminierung von Lebensmitteln wurden bisher schon nachgewiesen. Die Exkremente der Tiere in Verbindung mit einem Bindemedium ermöglichen einen weiteren potentiellen Ausbreitungspfad in die Umwelt, wenn sie als organische Wirtschaftsdünger in Agrarlandschaften verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Feld- und Windkanalmessungen durchgeführt, um dem von den Ackerflächen ausgehenden potentiellen Risiko einer partikulären Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien nachzugehen. Kern der Arbeit ist zum einen die Bedingungen zu charakterisieren, die zu Staubemissionen während der Prozesskette (Düngerausbringung mit Geflügelmist, nachfolgende Feldbearbeitungen, Winderosion) führen, zum anderen Staubemissionen dieser Prozesskette zu klassifizieren und quantifizieren. Flächenbezogene Emissionen für PM10 als ein Teil des Schwebstaubs (sogenannte PM10 Emissionsfaktoren) wurden zum ersten Mal für die Düngerausbringung mit Geflügelmist bestimmt. Sie lagen zwischen 0,05 und 8,37 kg ha-1 PM10 und waren abhängig vom Wassergehalt des Materials, der durch die Vorbehandlungen (frisch, kompostiert, gelagert, getrocknet) der Düngervarianten bestimmt war. Im Vergleich dazu wurden für die nachfolgenden Bodenbearbeitungen zwischen 0,35 kg ha-1 und 1,15 kg ha-1 PM10 freigesetzt. Zwar waren Mistpartikel weiterhin Bestanteil der Staubemissionen während der Bodenbearbeitung, jedoch sank ihr Anteil durch die Verdünnung des Düngers im Boden nach der Düngereinarbeitung auf unter 1 % ab. Ähnliche Tendenzen ergaben sich bei der mikrobiellen Betrachtung der freigesetzten Bakterien während der Ausbringung und Einarbeitung des Geflügelmists. Trotz eines höheren PM10 Austrags während der Düngereinarbeitung, verglichen mit der Ausbringung des Düngers, waren die Bakterienemissionen während der Düngerausbringung relevanter als bei der Düngereinarbeitung. Winderosion sorgt für eine bevorzugte Verfrachtung des Geflügelmists auf sandigen Böden, nachdem der Dünger frisch eingearbeitet wurde. Da vor allem organische Bestandteile im Boden durch ihre geringe Dichte von der Auswehung betroffen sind, führt Winderosion auch bei mit Geflügelmist gedüngten Böden bereits kurz nach Erreichen der Schwellenwindgeschwindigkeit von 7 m s-1 zu einer Entmischung der eingebrachten organischen Mistpartikel und der mineralischen Bestandteile des Bodens. Diese Effekte treten vor allem dann auf, wenn in trockenen Böden der Gefügezustand zwischen mineralischen und organischen Partikeln kaum oder nicht vorhanden ist. In Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit konnten potentielle Austräge zwischen 101 und 854 kg ha-1 bei einer eingebrachten Düngermenge von 6 t ha-1 bestimmt werden. Der bevorzugte Austrag von Mistpartikeln bedingt auch einen bevorzugten Austrag von Bakterien fäkalen Ursprungs, da diese nach der Einarbeitung an den Mistpartikeln mit geringerer Dichte anhaften. Obwohl in den Geflügelställen antibiotikaresistente Bakterien in Form von ESBL bildenden Escherichia Coli (E. coli) in hohen Keimzahlen gefunden wurden, konnten keine weiteren Kontaminationen mit resistenten E.coli im Mist, in gedüngten Böden oder im Staub nachgewiesen werden. Parallelstudien aus dem Projekt zeigten, dass eine mehrtägige Lagerung von Hühnerstreu ausreichend ist (36 – 72 h), die Mehrzahl resistenter E.coli zu reduzieren, sodass sie sich nach der Düngerausbringung nicht mehr über Agrarflächen ausbreiten konnten. Weitere antibiotikaresistente Bakterien (MRSA, VRE) wurden nur vereinzelt in den Ställen und überhaupt nicht im Staub nachgewiesen. Aus unseren Versuchen kann daher das Risiko einer möglichen Infektion durch staubassoziierte antibiotikaresistente Bakterien als gering eingeschätzt werden.…