2.4.3.1 Rolle von Bioziden bei der Erfassung und Verbreitung von AMR
Biozide, die als Wirkstoffe und Zubereitungen definiert werden können, die einen oder mehrere Wirkstoffe enthalten, die schädliche Mikroorganismen inaktivieren oder eine kontrollierende Wirkung auf sie ausüben sollen, werden häufig zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Hygieneniveaus in landwirtschaftlichen Betrieben, Schlachthöfen und Lebensmittelverarbeitungsbetrieben eingesetzt . In landwirtschaftlichen Betrieben werden sie unter anderem zur Reinigung und Desinfektion von Bereichen verwendet, die mit Nutztieren in Verbindung stehen, einschließlich Wirtschaftsgebäuden, Bettzeug, Ausrüstung, Schuhbädern und Transportfahrzeugen. Darüber hinaus wird eine Reihe von Bioziden üblicherweise in Schlachthöfen und in Bereichen der Lebensmittelproduktion und -verarbeitung zur Desinfektion von Geräten und Oberflächen verwendet, um die Besiedlung durch potenziell gefährliche Mikroorganismen zu kontrollieren. Some of the most widely used biocides are alcohols, aldehydes, chlorine, and chlorine- releasing agents (sodium hypochlorite, chlorhexidine), iodine, peroxygen compounds (hydrogen peroxide, peracetic acid), phenolic type compounds, quaternary ammonium compounds (benzalkonium chloride), bases (sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate), and acids (mineral and organic acids).
Biozide werden in der Regel in landwirtschaftlichen Betrieben, Schlachthöfen und in der Lebensmittelindustrie in Konzentrationen eingesetzt, die deutlich über den minimalen Hemmkonzentrationen (MHK) aller wichtigen Zielmikroorganismen liegen, und sollten daher in der Lage sein, eine mikrobielle Inaktivierung zu gewährleisten und die Entwicklung von Biozidresistenzen zu vermeiden. Suboptimale Biozidkonzentrationen treten jedoch in ausgewählten Nischen (z. B. unter Objekten oder in Rissen und Spalten und anderen Hafenstellen) oder als Folge einer unsachgemäßen Verwendung auf. Das Vorhandensein organischer Stoffe (von denen bekannt ist, dass sie einige Biozide wie chlorierte Verbindungen inaktivieren) kann ihre Wirksamkeit verringern, während eine fehlerhafte Formulierung, eine unangemessene Lagerung von Formulierungen und eine unzureichende Verteilung der Verbindung auf Oberflächen und Geräten zu einer Abnahme der aktiven Biozidkonzentration an einigen Stellen in Räumlichkeiten führen können . Nischen mit niedrigen Biozidkonzentrationen können auch durch Spülen häufig gereinigter und desinfizierter Bereiche oder durch Biozidanwendung auf nasse Oberflächen auftreten, mit einer daraus resultierenden Verdünnung der Verbindung auf Konzentrationen, die für Mikroorganismen subletal sein können. Darüber hinaus können Abwasserentsorgungsleitungen einen dauerhaften Kontakt von Mikroorganismen mit geringen Biozidkonzentrationen ermöglichen. So wurden beispielsweise subletale Konzentrationen repräsentativer quartärer Ammoniumverbindungen wie Dialkyldimethylammoniumverbindungen und Benzalkoniumchloride im Flusssediment identifiziert (26 und 1.5 ppm) und Abwasser aus Krankenhäusern (1,5-4 ppm) . Gleiches gilt wahrscheinlich für Abwässer aus landwirtschaftlichen Betrieben, Schlachthöfen und Lebensmittelverarbeitungsbetrieben. Daher sind mikrobielle Gemeinschaften, die Umgebungen in landwirtschaftlichen Betrieben, Schlachthöfen und Lebensmittelproduktionsanlagen (einschließlich Umgebungen mit Lebensmittelkontakt) besiedeln, wiederholt subinhibitorischen Biozidkonzentrationen ausgesetzt, was sich auf die mikrobielle Ökologie und Lebensmittelsicherheit auswirken kann.
Es wurde beschrieben, dass die Selektion biozidresistenter Mikroorganismen durch Exposition gegenüber suboptimalen Biozidkonzentrationen für einige Biozidverbindungen und mikrobielle Spezies (z. B. Li. monocytogenes—quartäre Ammoniumverbindungen, Natriumhypochlorit; Salmonella Typhimurium—Triclosan; E. coli—Trinatriumphosphat, Natriumnitrit, Natriumhypochlorid) auftritt . Die Resistenz gegen Biozide stellt ein potenziell großes Problem für die öffentliche Gesundheit dar, da sie zur erhöhten Persistenz pathogener und verderblicher Mikroorganismen in der Nahrungskette beitragen kann. Die bakterielle Persistenz, die als das Überleben über einen längeren Zeitraum an einem bestimmten Ort definiert werden kann, ist für die Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung, da sie zur wiederholten Kontamination von Lebensmitteln mit Verderb oder pathogenen Mikroorganismen führen kann, wodurch die Gesundheit der Verbraucher ernsthaft beeinträchtigt wird und Lebensmittelunternehmen große wirtschaftliche Verluste erleiden. Ein gutes Beispiel für einen Zusammenhang zwischen Persistenz und Biozidresistenz ist der Fall des Stammes Li. monocytogenes 6179. Listeria monocytogenes 6179 ist ein Serotyp 1 / 2a-Stamm, der am Teagasc Food Research Centre (Irland) wiederholt über einen Zeitraum von 12 Jahren aus bestimmten Umgebungen in einer Käseverarbeitungsanlage isoliert wurde . Die Sequenzierung des Li. monocytogenes 6179-Genoms ermöglichte die Identifizierung eines neuartigen Transposons, Tn6188, das drei aufeinanderfolgende Transposasegene (tnpABC), ein qacH-Gen, das für einen Transporter der Small Multidrug Resistance Protein Family (SMR) codiert, der für den Export von quartären Ammoniumverbindungen verantwortlich ist, und einen mutmaßlichen Transkriptionsregulator der tetR-Familie stromaufwärts des Transporters umfasste . Untersuchungen zeigten auch, dass die Exposition gegenüber Benzalkoniumchlorid (BAC) eine Zunahme der qacH-Expression verursachte und dass ein qacH-Deletionsmutantenstamm eine geringere BAC-Toleranz aufwies als der Wildtypstamm. Jüngste Studien, die auch in Irland durchgeführt wurden, haben verschiedene persistente Stämme identifiziert, die durch gepulste Feldgelelektrophoreseanalyse nicht von Li. monocytogenes 6179 zu unterscheiden sind und die in den Jahren 2013 und 2014 wiederholt aus Umgebungen und Lebensmitteln von fünf verschiedenen Fischindustrien isoliert wurden. Alle diese Stämme beherbergten das Tn6188-Transposon und hatten signifikant höhere MHK gegen BAC als andere Stämme, die im gleichen Zeitraum isoliert wurden und denen das Tn6188-Transposon fehlte . Bakterienisolate wie diese, die Biozidresistenzdeterminanten tragen, bestehen in der Industrie für lange Zeiträume und sind eine wahrscheinliche Quelle für Lebensmittelkontaminationsereignisse.
Der Verdacht, dass die Exposition gegenüber suboptimalen Konzentrationen von Bioziden zu einer erhöhten Resistenz gegen klinisch relevante Antibiotika führen kann, ist in letzter Zeit ebenfalls aufgetaucht. Einige in den letzten zehn Jahren durchgeführte Studien, in denen Biozid- und Antibiotikaresistenzen von Sammlungen von Stämmen wichtiger lebensmittelbedingter Krankheitserreger verglichen wurden, zeigten eine Korrelation zwischen Resistenzen gegen beide Wirkstoffe . Leider schränkten die kleinen verwendeten Datensätze und das Fehlen geeigneter statistischer Analysen die Ergebnisse dieser Studien ein. In jüngerer Zeit haben Coelho et al. durchführung einer eleganten Studie mit Methoden des maschinellen Lernens zur Analyse der Antibiotika- und Biozidempfindlichkeit der bisher größten Sammlung von Isolaten, die für diesen Zweck getestet wurden (1632 Isolate), in diesem Fall von St. aureus. They described that reduced susceptibility to two biocides, clorhexidine and BAC, which belong to different structural families, was associated with resistance to several antibiotics (amoxicillin/clavulanate, cefuroxime, cefaclor, cefpodoxime, clindamycin, erythromycin, clarithromycin, azithromycin, telithromycin, ciprofloxacin, levofloxacin, gatifloxacin, and moxifloxacin). Other authors isolated stable mutant strains with increased resistance to one or several antibiotics after exposure to sublethal biocide concentrations. For instance, Langsrud et al. berichtet, dass die serielle Kultivierung von zwei E. coli-Stämmen in Gegenwart von subinhibitorischen Konzentrationen von BAC zu einer erhöhten Resistenz gegen verschiedene Antibiotika (Ampicillin, Penicillin G, Norfloxacin, Nalidixinsäure, Kanamycin, Gentamicin, Chloramphenicol, Tetracyclin und Erythromycin) führte, wobei die MHK–Werte 1,5-20-fach höher waren als die für Kontrollkulturen beobachteten. In: Randall et al. beschrieben, dass die Exposition gegenüber einem Desinfektionsmittel auf Aldehydbasis zu S. Typhimurium-Mutanten mit einer verringerten Empfindlichkeit gegenüber Ciprofloxacin in verschiedenen Bakterienstämmen führte. Karatzas et al. nach längerer Behandlung von S. Typhimurium mit drei weit verbreiteten landwirtschaftlichen Desinfektionsmitteln (eine Mischung aus oxidierenden Verbindungen; ein quartäres Ammoniumdesinfektionsmittel, das Formaldehyd und Glutaraldehyd enthält; und ein Biozid, das aus organischen Säuren und Tensiden besteht), erhielt von jeder Behandlung eine stabile individuelle Variante, die eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber einer Reihe von Antibiotika (Ciprofloxacin, Chloramphenicol, Tetracyclin und Ampicillin) aufwies. Whitehead et al. isolierte zwei Mutanten von S. Typhimurium nach einmaliger Exposition gegenüber In-Use-Konzentrationen von zwei Bioziden (einer Mischung aus Aldehyden und quaternären Ammoniumverbindungen und einer halogenierten tertiären Aminverbindung), die eine stark verringerte Empfindlichkeit gegenüber Nalidixinsäure, Chloramphenicol, Tetracyclin und Ciprofloxacin aufwiesen. In: Webber et al. zeigte, dass vier verschiedene Biozide (eine Mischung aus Aldehyden und quaternären Ammoniumverbindungen, eine quaternäre Ammoniumverbindung, eine oxidative Verbindung und eine halogenierte tertiäre Aminverbindung) multiresistente S. Typhimurium-Mutanten mit verminderter Antibiotikaempfindlichkeit auswählten.
Es ist nicht vollständig bekannt, wie die Exposition gegenüber Biozidverbindungen zu einer erhöhten Resistenz gegen Antibiotika führt, aber es werden zwei Mechanismen postuliert, Kreuzresistenz und Kernresistenz. Da bestimmte Biozide und Antibiotika dieselben zellulären Ziele haben, ist es wahrscheinlich, dass einige Biozidresistenzdeterminanten und vorteilhafte Mutationen, die zu einer erhöhten Biozidresistenz führen, auch für den Erwerb von Antibiotikaresistenzen in mikrobiellen Populationen verantwortlich sind. Zum Beispiel können einige Multidrug-Effluxpumpen, die mehr als ein Substrat haben, das chemisch nicht miteinander verwandt sein könnte, eine gleichzeitige Resistenz gegen Antibiotika und Biozide verleihen, wenn sie überexprimiert werden . Dies wird als Kreuzresistenz bezeichnet. Darüber hinaus kann selbst bei solchen Bioziden, die kein Ziel mit Antibiotika teilen, eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Antibiotika auf den horizontalen Transfer verschiedener Resistenzdeterminanten (Antibiotikaresistenzdeterminanten und Biozidresistenzdeterminanten) zurückzuführen sein, die zusammen mit gemeinsamen genetischen Elementen wie Plasmiden, Phagen, Integronen oder Transposons assoziiert sind und sich auf andere Stämme, Arten oder Gattungen ausbreiten können . Dies wird als Coresistance bezeichnet. Ein Beispiel für dieses Phänomen sind Integrone der Klasse 1, von denen bekannt ist, dass sie eine breite Palette von Genkassetten enthalten, einschließlich einiger, die für Resistenzen gegen verschiedene Antibiotika und quaternäre Ammoniumverbindungen kodieren. In der Tat ist die Existenz von Umweltreservoirs von Klasse-1-Integronen seit einiger Zeit bekannt, und das Klasse-1-Integron-Integrase-Gen intI1 wurde kürzlich als Biomarker für selektiven Druck durch anthropogene Verschmutzung vorgeschlagen . Mikroorganismen (einschließlich nichtpathogener und nicht kultivierbarer), die in Lebensmitteln und lebensmittelbezogenen Umgebungen vorkommen, können eine wichtige Rolle bei den Coresistance-Ereignissen spielen. In der Tat sind sie gute Reservoire für AMR-Gene (antimikrobielle Resistenz) und können die Verbreitung von AMR-Genen in verschiedenen Umweltökosystemen, einschließlich Lebensmittelökosystemen, erleichtern .