Resistance to cephalosporins and carbapenems in gram-negative bacteria isolated from swine, soil, and wastewater of a pig production unit

Abstract

Some antibiotics of veterinary importance belong to the same class and share the same mechanisms of action of antibiotics used for humans such as carbapenems, which can trigger the selection and spread of multidrug resistant bacteria from animals to the environment through waste and wastewater. The objective of this study was to evaluate the co-occurrence of genetic determinants conferring resistance to cephalosporins and carbapenems in Gram-negative bacteria isolated from finishing pigs, soil and wastewater from a swine production unit. For this, the different isolates obtained were characterized for the presence of genes encoding extended spectrum beta-lactamases (ESBL) and/or carbapenemases. After an initial screening in selective MacConkey agar supplemented with ceftiofur (8 mg/L), 77 isolates were obtained from the rectal swabs of finishing pigs, in addition to 58 isolates from soil and 52 isolates from wastewater, both collected from environments of the production unit. Susceptibility was evaluated against carbapenems (meropenem and imipenem) and cephalosporins of 1st (cefazolin), 3rd (cefotaxime and ceftriaxone) and 4th (cefepime) generations. The results indicated that 70 % of the isolates from all environments were resistant to imipenem and 20 % to meropenem. Regarding susceptibility to cephalosporins, more than 90 % of the swine and wastewater isolates and more than 81 % of the soil isolates were resistant to at least one of the cephalosporins tested. The highest frequencies of resistance to cephalosporins were observed in bacterial isolates from wastewater, with 95.5 % showing resistance to cefazolin, ceftriaxone and cefepime, and 90.9 % to cefotaxime. In addition to the resistance profile, genes associated with resistance to beta-lactams were identified, including blaCTX-M, blaVIM and blaIMP. Approximately 85 % of the isolates from the three environments carried at least one resistance determinant. The blaVIM gene was the most frequent among isolates from soil and wastewater, while blaCTX-M was the most frequent gene in pig isolates, corroborating the hypothesis that genetic determinants of resistance to cephalosporins and carbapenems coexist in Gram-negative bacteria isolated from swine, soil and wastewater. Furthermore, the results suggest the existence of cross-resistance between cephalosporins and carbapenems through resistance determinants between the three environments. Keywords: Antibiotic resistance. Food-producing animals. ESBL. Swine. Cross-resistance.

O objetivo deste estudo foi avaliar a co-ocorrência de determinantes genéticos para resistência à cefalosporinas e carbapenêmicos em bactérias Gram- negativas isoladas de suínos em fase de terminação, solo e água residual da unidade de produção. Para isso, os isolados bacterianos obtidos foram caracterizados em relação à presença de genes que codificam beta-lactamases de espectro estendido (ESBL) e/ou beta-lactamases carbapenemase. Após uma triagem inicial em meio seletivo MacConkey suplementado com ceftiofur (8 mg/L) foram obtidos 77 isolados a partir de swab retal de 92 suínos em fase de terminação, além de 58 isolados de solo e 52 isolados de água residual, provenientes de amostras coletadas de ambientes da unidade de produção. A susceptibilidade aos carbapenêmicos (meropenem e imipenem) e a outras cefalosporinas de 1° (cefazolina), 3° (cefotaxima e ceftriaxona) e 4° (cefepime) geração também foi avaliada. Os resultados indicaram que 70 % dos isolados de todos ambientes foram resistentes ao imipenem e 20 % ao meropenem. Com relação à susceptibilidades às cefalosporinas, mais de 90 % dos isolados de suínos e de água residual e mais de 81 % dos isolados de solo foram resistentes a pelo menos uma das cefalosporinas testadas. As maiores frequências de resistência às cefalosporinas foram observadas nos isolados bacterianos de água residual, com 95.5 % apresentando resistência à cefazolina, ceftriaxona e cefepime, e 90.9 % à cefotaxima. Além do perfil de resistência, foram identificados genes associados à resistência aos beta-lactâmicos (blaCTX-M, blaVIM e blaIMP), sendo que 85 % dos isolados dos três ambientes carreavam pelo menos um determinante de resistência. O gene blaVIM foi o mais frequente entre os isolados do solo e da água residual, enquanto blaCTX-M foi o gene mais frequente nos isolados de suínos, corroborando com a hipótese de que determinantes genéticos de resistência às cefalosporinas e aos carbapenêmicos coexistem em bactérias Gram-negativas recuperadas de suínos, solo e água residual. Além disso, os resultados sugerem a existência de resistência cruzada entre cefalosporinas e carbapenêmicos por meio de determinantes de resistência entre os três ambientes. Palavras-chave: Resistência antimicrobiana. Animais de produção. ESBL. Suínos. Resistência cruzada.