composting facilities and bioaerosols as sources - ETH E

DISS. ETH NO. 21679
COMPOSTING FACILITIES AND BIOAEROSOLS AS SOURCES
OF LEGIONELLA AND AMOEBAE
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
LISA CONZA
Diploma in Natural Sciences
born on 09.03.1983
citizen of Rovio TI
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Thomas Egli (examiner)
Prof. Dr. Hubert Hilbi (co-examiner)
Prof. Dr. Martin Ackermann (co-examiner)
PD Dr. Orlando Petrini (co-examiner)
Dr. Valeria Gaia (co-examiner)
2013
Summary
xiii
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Summary
Legionnaires’ disease (LD) is caused by several pathogenic species of Legionella, a
Gram negative bacterium. The disease incidence in Europe is 1-3 cases for every 100,000
inhabitants per year, a rate observed in Switzerland as well. The Swiss southern alpine
region, however, is exceptional, with a LD incidence of 10 cases for every 100,000 inhabitants
per year.
The main reservoir of Legionella is water, but these bacteria have also been detected
in soil, potting soil and compost. Some species of free-living amoebae that are naturally
present in water and soil have also been described as hosts for Legionella spp.
Thus, this work has been designed to investigate the presence of Legionella spp. and
amoebae in bioaerosols and composts and to study differences between composting
facilities of two geographical regions divided by the Alps.
I assessed the prevalence of both microorganisms in facilities from southern
Switzerland using mainly co-culture as the method of choice, because it proved to be more
sensitive than the reference culture technique, detecting 102-103 L. pneumophila cells in 1 g
soil or 1 m3 air, as compared to 105-106 in 1 g soil and 1 m3 air using the standard method.
Legionella spp. (including L. pneumophila) were detected in approximately 70% and
free-living
amoebae
(predominantly
Acanthamoeba,
Hartmannella,
Naegleria
and
Vahlkampfia) were detected in more than 90% of the composts. In bioaerosols, amoebae
were recovered from 21% and L. pneumophila from 11% of the samples investigated.
Composts (63.6%) were positive for both Legionella and amoebae, but both organisms were
never detected simultaneously in bioaerosols.
The prevalence of Legionella spp. and amoebae in composts and bioaerosols in
facilities located in the two Swiss regions was also investigated to understand the role of the
climate and geography in the transmission of LD from community sources. Legionellae were
identified in 13.3% of bioaerosols collected in composting facilities in southern Switzerland,
where a higher proportion (P=0.0146) of compost samples contains Legionella compared to
northern Switzerland. Amoebae were isolated at different extents from composts (88.2% in
the north vs. 69.2% in the south) and bioaerosols (6.3% in the north vs. 13% in the south). The
two regions showed a different degree of compost contamination and these differences
could be explained by different meteorological situations. The onsets of communityacquired cases in both regions are highly correlated with temperature and vapour pressure.
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Composting facilities and bioaerosols as sources of Legionella and amoebae
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Summary
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The different climate and the presence of highly contaminated alternative reservoirs could
be causing the higher incidence of LD in Canton Ticino. In particular, bioaerosol containing
Legionella could be dispersed at higher temperature and vapour pressure.
In conclusion, compost can release bioaerosol containing amoebae and/or Legionella
and could represent a source for infection of LD for workers and the community.
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Composting facilities and bioaerosols as sources of Legionella and amoebae
Riassunto
xv
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Riassunto
La malattia del legionario (LD) è una polmonite causata da diverse specie patogene di
Legionella, un batterio Gram negativo. L'incidenza europea di legionellosi si situa attorno a 13 casi ogni 100.000 abitanti per anno, quest’ incidenza é osservata anche in Svizzera, ma
nella regione sud alpina della Svizzera si situa eccezionalmente a 10 casi ogni 100.000
abitanti per anno.
Il serbatoio principale per Legionella è l'acqua, ma questi batteri sono stati rilevati
anche nel suolo, nei terricci e nel compost. Le amebe a vita libera sono presenti nell'acqua e
nel suolo e sono state descritte come ospiti per Legionella.
Questa tesi è stata concepita per studiare la presenza di Legionella spp. e amebe nei
bioaerosol e nei compost, inoltre sono anche state valutate le differenze tra centri di
compostaggio di due regioni geograficamente divise dalle Alpi.
Il metodo di scelta per la rilevazione di Legionella nei centri di compostaggio del sud è
stata la co-coltura che si è rivelata più sensibile rispetto alla tecnica di riferimento: la coltura.
Il limite di rilevamento della co-coltura raggiunge 102-103 cellule di L. pneumophila in 1 g di
terreno o 1 m3 d'aria, rispetto a 105 in 1 g di terreno e 106 in 1 m3 d'aria usando il metodo
standard.
A sud delle Alpi, Legionella spp. (L. pneumophila compresa) sono state rilevate in circa
il 70% dei compost, mentre le amebe a vita libera (prevalentemente Acanthamoeba,
Hartmannella, Naegleria e Vahlkampfia) sono state rilevate in più del 90%. Tra i bioaerosol, il
21% sono risultati positivi per amebe e l’11% per L. pneumophila. 63,6% dei compost sono
risultati positivi sia per Legionella e amebe, tuttavia entrambi gli organismi non sono mai
stati rilevati simultaneamente nei bioaerosols.
Nel corso di questa tesi, abbiamo valutato la prevalenza di Legionella spp. nei compost
e bioaerosols in centri localizzati nelle due regioni svizzere per comprendere il ruolo del clima
e della geografia nella trasmissione di LD da fonti d’infezione situate sul territorio. Legionella
sono state identificate solo nei bioaerosol (13,3%) dei centri del sud e una percentuale più alta
(P=0.0146) di compost contiene Legionella rispetto al nord delle Alpi.
Le amebe sono state isolate con percentuali diverse nel compost (nel 88,2% dei
compost del nord vs. 69,2% dei compost del sud) e bioaerosol (6.3% dei bioaerosols nei centri
del nord e 13% dei bioaerosols al sud). Le due regioni hanno mostrato un diverso tasso di
contaminazione del compost e queste differenze sembrano essere promosse da diverse
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Riassunto
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situazioni meteorologiche. In entrambe le regioni abbiamo evidenziato una correlazione tra
casi di malattia del legionario acquisita in comunità con la temperatura e la pressione
vapore.
Il clima diverso e la presenza di serbatoi alternativi altamente contaminati potrebbero
essere coinvolti nell’alta incidenza di LD in Canton Ticino. In particolare, il bioaerosol
potrebbe essere disperso a temperatura e a pressione vapore più elevate.
In conclusione, questa tesi mostra che il compost può rilasciare bioaerosol contenente
amebe e / o Legionella e potrebbe rappresentare una fonte d’infezione di legionellosi per la
popolazione.
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