Norwegian raw cow`s milk, a potential source of zoonotic pathogens?

Abstract

The worldwide emerging trend of eating “natural” foods, that has not been processed, also applies for beverages. According to Norwegian legislation, all milk must be pasteurized before commercial sale but drinking milk that has not been heat-treated, is gaining increasing popularity. Scientist are warning against this trend and highlights the risk of contracting disease from milkborne microorganisms. To examine potential risks associated with drinking unpasteurized milk in Norway, milk- and environmental samples were collected from dairy farms located in south-east of Norway. The samples were analyzed for the presence of specific zoonotic pathogens; Listeria monocytogenes, Campylobacter spp., and Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC). Cattle are known to be healthy carriers of these pathogens, and Campylobacter spp. and STEC have a low infectious dose, meaning that infection can be established by ingesting a low number of bacterial cells. L. monocytogenes causes one of the most severe foodborne zoonotic diseases, listeriosis, that has a high fatality rate. All three pathogens have caused milk borne disease outbreaks all over the world, also in Norway.

During this work, we observed that the prevalence of the three examined bacteria were high in the environment at the examined farms. In addition, 7% of the milk filters were contaminated by STEC, 13% by L. monocytogenes and 4% by Campylobacter spp. Four of the STEC isolates detected were eaepositive, which is associated with the capability to cause severe human disease. One of the eae-positive STEC isolates were collected from a milk filter, which strongly indicate that Norwegian raw milk may contain potential pathogenic STEC.

To further assess the possibilities of getting ill by STEC after consuming raw milk, we examined the growth of the four eae-positive STEC isolates in raw milk at different temperatures. All four isolates seemed to have ability to multiply in raw milk at 8°C, and one isolate had significant growth after 72 hours. Incubation at 6°C seemed to reduce the number of bacteria during the first 24 hours before cell death stopped. These findings highlight the importance of stable refrigerator temperatures, preferable < 4°C, for storage of raw milk.

The L. monocytogenes isolates collected during this study show genetic similarities to isolates collected from urban and rural environmental locations, but different clones were predominant in agricultural environments compared to clinical and food environments. However, the results indicate that the same clone can persist in a farm over time, and that milk can be contaminated by L. monocytogenes clones present in farm environment.

Despite testing small volumes (25 mL) of milk, we were able to isolate both STEC and Campylobacter spp. directly from raw milk. A proportion of 3% of the bulk tank milk and teat milk samples were contaminated by Campylobacter spp. and one STEC was isolated from bulk tank milk. L monocytogenes was not detected in bulk tank milk, nor in teat milk samples. The agricultural evolvement during the past decades have led to larger production units and new food safety challenges. Dairy cattle production in Norway is in a current transition from tie-stall housing with conventional pipeline milking systems, to modern loose housing systems with robotic milking. The occurrence of the three pathogens in this project were higher in samples collected from farms with loose housing compared to those with tiestall housing.

Pasteurization of cow’s milk is a risk reducing procedure to protect consumers from microbial pathogens and in most EU countries, commercial distribution of unpasteurized milk is legally restricted. Together, the results presented in this thesis show that the animal housing may influence the level of pathogenic bacteria in the raw milk and that ingestion of Norwegian raw cow’s milk may expose consumers to pathogenic bacteria which can cause severe disease, especially in children, elderly and in persons with underlying diseases. The results also highlight the importance of storing raw milk at low temperatures between milking and consumption.

Å spise mat som er mindre prosessert og mer «naturlig» er en pågående trend i Norge og i andre deler av verden. Interessen for å drikke melk som ikke er varmebehandlet, såkalt rå melk, er også økende. I Norge er det påbudt å pasteurisere melk før kommersielt salg for å beskytte forbrukeren mot sykdomsfremkallende mikroorganismer. Fagfolk advarer mot å drikke rå melk, og påpeker risikoen for å bli syk av patogene bakterier som kan finnes i melken.

I denne avhandlingen undersøker vi den potensielle risikoen det medfører å drikke upasteurisert melk fra Norge. I tillegg til å samle inn tankmelk- og speneprøver fra melkegårder i sørøst Norge, samlet vi også miljøprøver fra de samme gårdene for å kartlegge forekomst og for å identifisere potensielle mattrygghetsrisikoer i melkeproduksjonen. Alle prøvene ble analysert for de zoonotiske sykdomsfremkallende bakteriene Listeria monocytogenes, Campylobacter spp., og Shiga toksin-produserende Escherichia coli (STEC). Kyr kan være friske smittebærere av disse bakteriene, som dermed kan etablere et reservoar på gårdene. Bakteriene kan overføres fra gårdsmiljøet til melkekjeden og dermed utfordre mattryggheten. Disse bakteriene har forårsaket melkebårne sykdomsutbrudd over hele verden, også i Norge. Campylobacter spp. og STEC har lav infeksiøs dose, som vil si at man kan bli syk selv om man bare inntar et lavt antall bakterieceller. L. monocytogenes kan gi sykdommen listeriose, en av de mest alvorlige matbårne zoonotiske sykdommene vi har i den vestlige verden.

Resultater fra denne oppgaven viser en høy forekomst av de tre patogenene i gårdsmiljøet. I tillegg var 7% av melkefiltrene vi testet positive for STEC, 13% positive for L. monocytogenes og 4% positive for Campylobacter spp.. Fire av STEC isolatene bar genet for Intimin, eae, som er ansett som en viktig virulensfaktor som øker sjansen for alvorlig sykdom. Ett av de eae-positive isolatene ble funnet i et melkefilter, noe som indikerer at norsk rå melk kan inneholde patogene STEC. For å videre vurdere risikoen for å bli syk av STEC fra rå melk undersøkte vi hvordan de fire eae-positive isolatene vokste i rå melk lagret ved forskjellige temperaturer. For alle isolatene økte antall bakterier etter lagring ved 8°C, og for et isolat var veksten signifikant. Etter lagring ved 6°C ble antallet bakterier redusert de første 24 timene, deretter stoppet reduksjonen i antall bakterier. Disse resultatene viser hvor viktig det er å ha stabil lav lagringstemperatur for rå melk, helst < 4°C.

L. monocytogenes isolatene som ble samlet inn fra melkegårdene viste genetiske likheter med isolater samlet inn fra urbane og rurale miljøer rundt omkring i Norge. Derimot var kloner som dominerte i landbruksmiljøet forskjellige fra kliniske isolater og isolater fra matproduksjonslokaler. Videre så man at en klone kan persistere på en gård over tid og at melk kan kontamineres av L. monocytogenes kloner som er til stede i gårdsmiljøet.

Til tross for små testvolum av tankmelken (25 mL) fant vi både STEC og Campylobacter spp. i melkeprøvene. 3% av tankmelkprøvene og speneprøvene var positive for Campylobacter spp. og ett STEC isolat ble funnet i tankmelk. L. monocytogenes ble ikke funnet direkte i melkeprøvene. Landbruket i Norge er i stadig utvikling der besetningene blir større, men færre. Melkebesetningene er midt i en overgang der tradisjonell oppstalling med melking på bås byttes ut med løsdriftssystemer og melkeroboter. Forekomsten av de tre patogenene funnet i denne studien var høyere i besetningene med løsdrift sammenliknet med besetningene som hadde melkekyrne oppstallet på bås.

Pasteurisering er et viktig forebyggende tiltak for å beskytte konsumenter fra mikrobielle patogener, og i de fleste EU-land er kommersielt salg av rå melk juridisk begrenset. Denne studien viser at oppstallingstype kan påvirke nivåene av patogene bakterier i gårdsmiljøet og i rå melk. Inntak av rå melk kan eksponere forbruker for patogene bakterier som kan gi alvorlig sykdom, spesielt hos barn, eldre og personer med underliggende sykdommer. Resultatene underbygger viktigheten av å pasteurisere melk for å sikre mattryggheten, og at det er avgjørende å lagre rå melk ved kontinuerlig lave temperaturer for å forebygge vekst av zoonotiske patogener.