Characterization of antimicrobial resistance and bacterial diversity in the gastrointestinal and respiratory tract of calves fed different types of milk

Abstract

L’ús de la llet de rebuig procedent de vaques tractades amb antimicrobians en l’alimentació de vedells lactants és una pràctica habitual entre els ramaders. En aquesta tesi es van realitzar tres estudis per avaluar els efectes de l’alimentació de vedelles lactants amb llet de rebuig sobre el desenvolupament de bacteris resistentsa antimicrobians i la microbiota del tracte gastrointestinal i respiratori. En el primer estudi es van avaluar els patrons de resistència a antimicrobians d’Escherichia coli aïllada de mostres fecals i Pasteurella multocida de mostres nasals de vedelles Holstein alimentades amb llet de rebuig o amb llet en pols. L’alimentació amb llet de rebuig va augmentar la prevalença d’ E.colifecal i de P. multocidanasal resistent a alguns de antimicrobians testats. No obstant, patrons de resistència similars entre colònies d’E. coli aïllades de mostres ambientals i de vedelles al naixement i a les 6 setmanes d’edat suggereixen l’existència d’altres factors, tals com la contaminació ambiental, en l’adquisició de bacteris resistents. També es van observar diferencies en les probabilitats d’aïllar E. coli resistent segons l’edat dels vedells. En el segon i tercer estudi, es va utilitzar llet de rebuig pasteuritzada amb residus d’antibiòtics beta-lactàmics o llet en pols per alimentar vedelles lactants Holstein. La resistència antimicrobiana d'aïllats d’E. coli fecal va ser avaluada tant a nivell fenotípic com genotípic a l’inici de l’estudi, i abans i després del deslletament.L'alimentació dels vedells amb llet de rebuig pasteuritzada va augmentar la prevalença d’E. coli fenotípicament resistent a diferents antimicrobians beta-lactàmics, així com la probabilitat d’aïllar colònies d’E. coli portadores del gen de resistència a cefalosporines blaCMY-2. No obstant, un cop les vedelles eren deslletades, la prevalença d’E. coli resistent a beta-lactàmics disminuïa en vedelles alimentades amb llet de rebuig tot i que seguia sent superior que en aquelles alimentades amb llet en pols. Pel que fa a la microbiota del tracte gastrointestinal i respiratori de les vedelles, ni la diversitat ni la riquesa de les poblacions bacterianes es van veure afectades pel tipus de llet consumida. No obstant, l’anàlisi de distàncies filogenètiques entre comunitats bacterianes va indicar diferències significatives entre règims alimentaris tant en la microbiota nasal com la fecal suggerint un efecte dels residus antimicrobians presents a la llet o d’altres substàncies que no es troben en els lacto-reemplaçants sobre la microbiota de les vedelles. D’altra banda, l’alimentació de vedelles amb llet de rebuig pasteuritzada també va afectar la composició taxonòmica de les poblacions bacterianes del tracte respiratori però no la d’aquelles del tracte gastrointestinal. En conclusió, l’alimentació de vedelles lactants amb llet de rebuig fomenta la presència de bacteris resistents en el tracte gastrointestinal i nasal del vedells, així com influencia l’estructura de les comunitats bacterianes que colonitzen aquestes parts del cos.

The use of waste milk produced by cows treated with antimicrobials to feed dairy calves is a frequent practice among dairy operators.In this thesis, three studies were conducted to evaluate the effects of feeding waste milk to dairy calves on the development of antimicrobial resistant bacteria and on microbiotaof both, the gastrointestinal and respiratory tract. In the first study antimicrobial resistance profiles in fecal Escherichia coli and nasal Pasteurella multocida isolated from Holstein dairy calves fed waste milk or milk replacer were compared. Feeding waste milk to dairy calves increased the prevalence of resistant fecal E. coli and nasal P. multocidato some of the antimicrobials tested. However, similar profiles of antimicrobial resistance among colonies of E. coli isolated from environmental samples and calves at birth and at 6 week of age suggested other factors, such as environmental contamination, in the acquisition of resistant bacteria. Furthermore, differences on the probabilities to isolate resistant E. coli were also observed depending on calf age. In the second and third study, pasteurized waste milk containing beta-lactam antimicrobial residues was used to feed Holstein dairy calves. Antimicrobial resistance in fecal E. coli isolates was evaluated at both, phenotypic and genotypic level, before and after weaning. Feeding pasteurized waste milk to calves increased the prevalence of phenotypic resistant E. coli to different beta-lactam antimicrobials, as well as the probability to isolate E. coli colonies carrying the cephalosporin resistance gene blaCMY-2. However, once calves were weaned, the prevalence of resistant E. coli to beta-lactams decreased in calves fed pasteurized waste milk, although it continued being greater in such calves than in those fed milk replacer. Regarding microbiota of both, the gastrointestinal and respiratory tract of calves, neither diversity nor richness of bacterial populations was affected by the type of milk ingested. However, the analysis of phylogenetic distances among bacteria communities indicated significant differences between feeding regimes in nasal and fecal microbiota, suggesting an effect of the presence of antimicrobial residues or other substances in waster milk but not in milk replacers. On the other hand, feeding pasteurized waste milk to calves also affected taxonomic composition of nasal bacterial communities but nor those from the gastrointestinal tract. In conclusion, feeding dairy calves waste milk triggers the presence of resistant bacteria in both, the gastrointestinal and respiratory tract of dairy calves, as well as it influences the structure of bacterial communities colonizing these body regions.