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 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 10 2-10 3 L. pneumophila cells in 1 g soil or 1 m 3 air, as compared to 10 5-10 6 in 1 g soil and 1 m 3 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.
xiv Summary 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.
Riassunto xv 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 1-3 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 10 2-10 3 cellule di L. pneumophila in 1 g di terreno o 1 m 3 d'aria, rispetto a 10 5 in 1 g di terreno e 10 6 in 1 m 3 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
xvi Riassunto 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.