Interactions between milking procedure, animal welfare and mammary pathogens in dairy sheep: consequences for mastitis development and milk quality

Abstract

The general objective of this thesis was to study and highlight interactions that occur between milking procedure, animal welfare and mammary pathogens in dairy sheep. Moreover, through the study of dynamics of transmission of mammary pathogens, the work focuses on the elucidation of the consequences of these interactions for mastitis development and milk quality. The specific objectives of the thesis were as follows:-(i) the evaluation of the frequency of reactions potentially associated with reduced welfare of dairy sheep during the milking process, the identification of predictors associated with the presence of these reactions and the evaluation of associations with the quality of milk produced on a farm,-(ii) the evaluation of bacterial recovery from samples from ewes (teat duct material, milk) collected before and after milking, the description of sources of potential dissemination of staphylococci to ewes during the milking procedure and the identification of predictors related to the milking routine for increased dissemination of staphylococci and-(iii) the evaluation of the potential for dissemination of staphylococci within the milking system during the actual milking procedure in dairy sheep flocks and the potential for mastitis development by staphylococcal strains transmitted to ewes during the milking procedure. Chapter I includes the review of the relevant literature. The Chapter appraises the literature on milking systems and relevant technological developments, as well as their impact on udder health, in dairy sheep farms. Chapter II presents a study conducted in 52 dairy sheep farms in Greece. The farms were visited, the milking process was observed and monitored and the reactions of ewes during the milking process were recorded; samples from the bulk-tank milk were collected for somatic cell and total bacterial counting. Univariable and multivariable analyses were performed. The median duration of milking per row was 7.9 min and the median duration of the milking process was 105 min. The reaction observed less often from ewes was vocalisation (in 9.6% of farms) and the one observed more frequently was ‘spot stepping’ (in 98.1% of farms). In total, nine different predictors were identified for the displaying of the various reactions observed and recorded; of these, two were related to the milking systems and seven were related to the milking process. Moreover, three different predictors were identified for the milk quality parameters; of these, one was related to the milking system and two were related to the milking process. Finally, a mild correlation was seen between the proportion of ewes that attempted to remove the milking cluster, and the somatic cell counts in the bulk-tank milk (p = 0.023). The results confirmed that incorrect practices during machine-milking can be stress factors for dairy sheep. In light of the findings, procedures by milkers should be carefully carried out, which will contribute to minimising the nervousness and aggra-vation of ewes during milking. Stress factors can adversely affect the quality of milk produced on the farm. The findings underline that maintenance of animal welfare is linked to high product quality. This connection can further extend to consumer perceptions: the ethical treatment of dairy sheep is considered as an important facet of the overall food quality and sustainable production. Chapter III presents a study performed in four dairy sheep farms, visited thrice, one, three to four and five to six months after start of milking. In the milking system, three different teatcups were selected at random and swab samples were obtained from these, as well as from the mammary glands milked into these teatcups before and after completion of milking. Dissemination was defined when all isolates considered to be implicated in a chain (teat duct to teatcup to teat duct of subsequent ewes) were identified similarly. Dissemination sources (milk, teat duct material) were considered for potential dissemination to subsequent dissemination targets (teatcups, teat ducts). The rate of dissemination incidents during the milking procedure was considered and predictors were evaluated. The proportion of samples from which no bacteria were isolated after milking although bacteria had been isolated before that: 48.4%, was significantly higher than proportion of samples with a shift in status in the opposite direction: 27.5%. A significantly higher proportion of teatcups from which bacteria were recovered during the milking procedure, was recorded during the second visit to the farms (85.0%) (p < 0.0001). In total, 118 incidents of dissemination of staphylococci were recorded, of which a higher proportion was seen also during the second visit to the farms (41.6%) (p < 0.0001). In multivariable analysis, the decreasing ambient temperature within the parlour during the milking procedure emerged as a predictor for the rate of dissemination (p = 0.041). The study highlighted a tendency for bacterial flushing from mammary glands during the milking procedure, which may contribute to reduction of potential intramammary infections. However, the bacterial flushing, occurring primarily from populations in the teat duct, can also contribute to the dissemination of pathogens to mammary glands that will be milked subsequently in the same teatcup. Low environmental temperatures appeared to increase the rate of staphylococcal dissemination. Chapter IV describes work carried out in a dairy sheep farm; two replications were performed. Samples of teat duct material and milk were collected from ewes immediately before milking, whilst swabs were also obtained from teatcups in the milking system; the samples were cultured for recovery of staphylococcal isolates. Subsequently, milk samples were further collected from these ewes for bacteriological and cytological examination, to detect cases of mastitis in the animals. In all, 77 and 90 samples of teat duct material, as well as of milk, were collected during the first and the second replication of the study. These originated from 50 distinct mammary glands of 37 ewes during the first replication and from 62 distinct mammary glands of 46 ewes during the second replication. Additionally, 95 (first replication) and 108 (second replication) swab samples from teatcups were also collected. Finally, 385 (first replication) and 450 (second replication) samples of milk were collected for detection of subclinical mastitis. Five cases of subclinical mastitis developed in the study ewes. Among these, three dissemination incidents were identified, which involved Staphylococcus chromogenes, S. aureus or S. equorum, as confirmed by Whole Genome Sequence of isolates recovered from teat duct material of ewes, teatcup swabs and milk of ewes with subclinical mastitis. The results confirmed a chain of dissemination of the bacteria (teat duct material or teatcups ----> mammary glands milked subsequently in the same teatcups) and the possibility of the staphylococcal transmission and subsequent development of mastitis during the milking procedure. In conclusion, the overall results have emphasized that mastitis is directly linked to health management practices applied on farms, in turn, underlining their importance for maintenance of optimum mammary health. The results confirmed that incorrect practices during the process of machine-milking process can act as a stress factor for dairy sheep. Stress factors can adversely affect the quality of milk produced on the farm. This can be considered as analogous to the preslaughter stress and the adverse effects on the quality of meat further underline that the maintenance of animal welfare is linked to high product quality. Moreover, the results highlighted a tendency for bacterial flushing from mammary glands during the milking procedure, which may contribute to reduction of potential intramammary infections. The findings also confirmed the possibility for staphylococcal transmission to ewes and subsequent development of mastitis during the milking procedure However, the bacterial flushing, occurring primarily from populations in the teat duct, can also contribute to the dissemination of pathogens to mammary glands that will be milked subsequently in the same teatcup. Low environmental temperatures appeared to increase the rate of such dissemination. The findings have highlighted the importance of correct milking routine and strict hygiene during the milking procedure. Finally, the findings have reinforced the need for strict application of the established milking routine protocols.

Η παρούσα διατριβή αποσκοπούσε στη μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ της διαδικασίας του αρμέγματος, της ευζωίας των ζώων και των παθογόνων του μαστικού αδένα σε εκτροφές προβάτων. Επιπλέον, η διατριβή εστίασε στη διερεύνηση της δυναμικής της μετάδοσης των παθογόνων του μαστικού αδένα και στη διαλεύκανση των συνεπειών αυτής στην εκδήλωση μαστίτιδας και στην ποιότητα του γάλακτος. Οι ειδικότεροι στόχοι της διατριβής ήταν οι παρακάτω:-(i) η αξιολόγηση της συχνότητας εμφάνισης αντιδράσεων, που ενδεχομένως σχετίζονταν με μειωμένη ευζωία των προβάτων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αρμέγματος, ο προσδιορισμός των παραγόντων που σχετίζονταν με τις αντιδράσεις αυτές και η διερεύνηση ενδεχόμενης συσχετίσης τους με την ποιότητα του παραγόμενου γάλακτος,-(ii) η διερεύνηση απομόνωσης βακτηρίων από δείγματα από ζώων που αρμέγονταν (δείγμα θηλαίου πόρου, δείγμα γάλακτος), τα οποία συλλέχθηκαν πριν από και μετά το άρμεγμα, η περιγραφή των δυνητικών πηγών μόλυνσης των ζώων από σταφυλοκόκκους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αρμέγματος και η ταυτοποίηση προσδιοριστών που σχετίζονταν με τη διαδικασία του αρμέγματος και την αυξημένη διάδοση σταφυλοκόκκων,-(iii) η αξιολόγηση της δυνητικής επιμόλυνσης από σταφυλοκόκκους κατά τη διάρκεια του αρμέγματος μέσω του αρμεκτικού συστήματος σε εκτροφές προβάτων και η δυνατότητα εκδήλωσης μαστίτιδας από στελέχη σταφυλοκόκκων, τα οποία μεταδόθηκαν κατά τη διαδικασία του αρμέγματος. Στο Κεφάλαιο I περιλαμβάνεται η ανασκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας. Σε αυτό, παρατίθεται η βιβλιογραφία αναφορικά με τα αρμεκτικά συστήματα και τις σχετικές τεχνολογικές εξελίξεις στις εκτροφές προβάτων, καθώς και με την επίδραση αυτών στην υγεία του μαστικού αδένα των προβάτων. Στο Κεφάλαιο II παρουσιάζεται μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε 52 εκτροφές προβάτων στην Ελλάδα, στις οποίες έλαβε χώρα παρακολούθηση της διαδικασίας του αρμέγματος, καταγραφή των αντιδράσεων των ζώων κατά τη διάρκεια αυτής και συλλογή δειγμάτων γάλακτος παγολεκάνης για τον προσδιορισμό του αριθμού των σωματικών κυττάρων και της ολικής μεσόφιλης χλωρίδας. Πραγματοποιήθηκαν μονοπαραγοντικές και πολυπαραγοντικές αναλύσεις. Η διάμεση τιμή της διάρκειας του αρμέγματος ήταν 7,9 λεπτά ανά σειρά αρμεγόμενων ζώων, ενώ η διάμεση τιμή της συνολικής διάρκεια της διαδικασίας του αρμέγματος ήταν 105 λεπτά ανά εκτροφή. Η αντίδραση που παρατηρήθηκε λιγότερο συχνά στα ζώα ήταν οι φωνητικές εκδηλώσεις (σε 9,6% των εκτροφών), ενώ εκείνη που καταγράφηκε συχνότερα ήταν ο επιτόπιος βηματισμός (σε 98,1% των εκτροφών). Συνολικά, ταυτοποιήθηκαν εννέα διαφορετικοί προσδιοριστές που σχετίζονται με την εκδήλωση διάφορων αντιδράσεων που καταγράφηκαν, από τους οποίους δύο αφορούσαν στο αρμεκτήριο και επτά στη διαδικασία του αρμέγματος. Επιπλέον, ταυτοποιήθηκαν τρεις διαφορετικοί προσδιοριστές για τις παραμέτρους ποιότητας του γάλακτος, από τους οποίους ένας αφορούσε στο αρμεκτήριο και δύο στη διαδικασία του αρμέγματος. Τέλος, βρέθηκε συσχέτιση μεταξύ του αριθμού των ζώων που επιχείρησαν να απομακρύνουν την αρμεκτική μονάδα (θήλαστρο) από τον μαστό και του αριθμού σωματικών κυττάρων στο γάλα της παγολεκάνης. Τα ευρήματα επιβεβαίωσαν ότι οι λανθασμένοι χειρισμοί κατά τη διάρκεια του μηχανικού αρμέγματος ενδεχομένως αποτελούσαν παράγοντες καταπόνησης για τα πρόβατα. Η προσεκτική εφαρμογή των ορθών πρακτικών αρμέγματος συμβάλει στη μείωση της καταπόνησης των ζώων. Οι παράγοντες αυτοί μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά την ποιότητα του παραγόμενου γάλακτος, γεγονός που αναδεικνύει τη συσχέτιση μεταξύ της ευζωίας των ζώων και της ποιότητας του παραγόμενου προϊόντος. Η συσχέτιση αυτή επεκτείνεται και στις αντιλήψεις των καταναλωτών, καθώς η ηθική μεταχείριση των ζώων θεωρείται σημαντική πτυχή της ποιότητας των τροφίμων και της βιώσιμης παραγωγής. Στο Κεφάλαιο III παρουσιάζεται μελέτη πεδίου, η οποία διενεργήθηκε σε τέσσερις εκτροφές προβάτων, με πραγματοποίηση τριών επισκέψεων σε καθεμιά, κατά τον πρώτο, τον τρίτο ή τέταρτο και τον πέμπτο ή έκτο μήνα της γαλακτικής περιόδου. Σε κάθε επίσκεψη, επιλέγονταν τυχαία τρία διαφορετικά θήλαστρα από το αρμεκτικό συγκρότημα και λαμβάνονταν δείγματα με βαμβακοφόρους στυλεούς, πριν από και μετά το άρμεγμα κάθε ζώου. Επίσης, συλλέγονταν δείγματα υλικού θηλαίου πόρου και γάλακτος, πριν από και μετά το άρμεγμα κάθε ζώου στα συγκεκριμένα θήλαστρα. Ως περιστατικό επιμόλυνσης ορίστηκε η περίπτωση κατά την οποία όλα τα στελέχη βακτηρίων που απομονώθηκαν και συμμετείχαν σε μία αλυσίδα μετάδοσης (από τον θηλαίο πόρο στο θήλαστρο και στη συνέχεια στον θηλαίο πόρο του επόμενου αρμεγόμενου ζώου) ταυτοποιήθηκαν ως όμοια. Οι πηγές επιμόλυνσης (θετικά δείγματα θηλαίου πόρου και γάλακτος πριν το άρμεγμα) θεωρήθηκαν υπεύθυνες για την πιθανή επιμόλυνση των στόχων μετάδοσης παθογόνων (θετικά δείγματα θηλάστρων και θηλαίου πόρου μετά το άρμεγμα). Επίσης, αξιολογήθηκαν η συχνότητα των περιστατικών επιμόλυνσης κατά τη διάρκεια του αρμέγματος και οι παράγοντες που την επηρέαζαν. Η αναλογία δειγμάτων από τα οποία δεν απομονώθηκαν βακτήρια μετά το άρμεγμα κάθε ζώου, αν και είχαν απομονωθεί πριν από αυτό, ήταν 48,4%, σημαντικά μεγαλύτερη σε σχέση με την απομόνωση βακτηρίων κατά την αντίθετη κατεύθυνση, η οποία ήταν 27,5%. Κατά την δεύτερη επίσκεψη στις εκτροφές παρατηρήθηκε σημαντικά μεγαλύτερος αριθμός θηλάστρων, από τα οποία απομονώθηκαν βακτήρια κατά τη διαδικασία του αρμέγματος (85,0%). Συνολικά, καταγράφηκαν 118 περιστατικά επιμόλυνσης από σταφυλόκοκκους, από τα οποία η μεγαλύτερη αναλογία εντοπίστηκε κατά τη δεύτερη επίσκεψη στις εκτροφές (41,6%). Στην πολυπαραγοντική ανάλυση, αναδείχθηκε η μείωση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος στο αρμεκτήριο κατά τη διάρκεια του αρμέγματος ως σημαντικός προσδιοριστής για τη συχνότητα της επιμόλυνσης. Επίσης, διαπιστώθηκε μία τάση για απομάκρυνση μικροβίων από τους μαστικούς αδένες κατά τη διαδικασία του αρμέγματος, η οποία μπορούσε να μείωνε τη συχνότητα ενδεχόμενων ενδομαστικών μολύνσεων. Ωστόσο, η απομάκρυνση βακτηρίων που προέρχονταν από πληθυσμούς του θηλαίου πόρου, μπορούσε επίσης να συνέβαλε σε επιμόλυνση των μαστικών αδένων, που επρόκειτο να αρμέγονταν στο ίδιο θήλαστρο, από τα παθογόνα αυτά. Η χαμηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος βρέθηκε ότι οδηγούσε σε αύξηση της συχνότητας επιμόλυνσης από σταφυλοκόκκους. Στο Κεφάλαιο IV παρουσιάζεται μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε μία εκτροφή προβάτων, με δύο επαναλήψεις. Λήφθηκαν δείγματα θηλαίου πόρου και γάλακτος από τα ζώα αμέσως πριν από το άρμεγμα και δείγματα με βαμβακοφόρους στυλεούς από τα θήλαστρα του αρμεκτικού συστήματος. Σε όλα τα δείγματα πραγματοποιήθηκαν βακτηριολογικές εξετάσεις με σκοπό την απομόνωση και ταυτοποίηση στελεχών σταφυλοκόκκων. Στη συνέχεια, δείγματα γάλακτος συλλέχθηκαν από αυτά τα ζώα για βακτηριολογική και κυτταρολογική εξέταση, με σκοπό τη διάγνωση μαστίτιδας. Συνολικά, συλλέχθηκαν 77 και 90 δείγματα θηλαίου πόρου και γάλακτος κατά την πρώτη και δεύτερη επανάληψη του πειράματος, αντίστοιχα. Τα δείγματα αυτά προέρχονταν από 55 διαφορετικούς μαστικούς αδένες 37 ζώων κατά την πρώτη και από 62 μαστικούς αδένες 46 ζώων κατά τη δεύτερη επανάληψη. Επιπλέον, συλλέχθηκαν 95 (πρώτη επανάληψη) και 108 (δεύτερη επανάληψη) δείγματα βαμβακοφόρων στειλεών, καθώς επίσης και 385 (πρώτη επανάληψη) και 450 (δεύτερη επανάληψη) δείγματα γάλακτος για τη διάγνωση υποκλινικής μαστίτιδας. Στη διάρκεια της μελέτης βρέθηκαν πέντε περιστατικά υποκλινικής μαστίτιδας. Μεταξύ αυτών, εντοπίστηκαν τρία περιστατικά της λοίμωξης, που είχαν προκληθεί από Staphylococcus chromogenes, S. aureus ή S. equorum, ειδικότερα από στελέχη τα οποία απομονώθηκαν συγκεντρωτικά από δείγματα θηλαίου πόρου προηγούμενων στη σειρά αρμέγματος ζώων, θηλάστρου και γάλακτος ζώων με υποκλινική μαστίτιδα, όπως τεκμηριώθηκε με πραγματοποίηση αλληλούχισης ολόκληρου του γονιδιώματος των συγκεκριμένων στελεχών. Τα αποτελέσματα απέδειξαν μία αλυσίδα μετάδοσης των βακτηρίων (υλικό θηλαίου πόρου ή θήλαστρο ----> μαστικοί αδένες ζώων που αρμέχτηκαν στο ίδιο θήλαστρο) και τη δυνατότητα μετάδοσης των σταφυλοκόκκων κατά τη διάρκεια του αρμέγματος και την επακόλουθη ανάπτυξη μαστίτιδας. Συμπερασματικά, τα ευρήματα της μελέτης στο σύνολό τους αποδεικνύουν τη συσχέτιση των πρακτικών διαχείρισης υγείας των ζώων με την εκδήλωση μαστίτιδας, επιβεβαιώνοντας τη σημασία της εφαρμογής τους για τη διατήρηση της βέλτιστης υγείας του μαστικού αδένα. Επίσης, οι λανθασμένες πρακτικές κατά τη διαδικασία του μηχανικού αρμέγματος μπορούν να αποτελέσουν παράγοντες καταπόνησης των προβάτων, και, συνακόλουθα, να επηρεάσουν αρνητικά την ποιότητα του παραγόμενου γάλακτος. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως κατάσταση αντίστοιχη με την καταπόνηση προ της σφαγής, η οποία επιδρά στην ποιότητα του κρέατος, υποδεικνύοντας ότι η διασφάλιση της ευζωίας των ζώων συσχετίζεται με την παραγωγή ζωοκομικών προϊόντων καλής ποιότητας. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν επίσης ότι η απομάκρυνση των βακτηρίων από τον μαστικό αδένα κατά τη διάρκεια του αρμέγματος μπορεί να μειώσει τη συχνότητα των ενδομαστικών μολύνσεων. Επιπλέον, αποδεικνύεται το ενδεχόμενο μετάδοσης σταφυλοκόκκων κατά τη διάρκεια του αρμέγματος και η επακόλουθη ανάπτυξη μαστίτιδας. Ωστόσο, όταν η απομάκρυνση βακτηρίων προέρχεται από πληθυσμούς του θηλαίου πόρου, η απομάκρυνση μπορεί να συμβάλει σε επιμόλυνση των μαστικών αδένων που πρόκειται να αρμεχτούν στο ίδιο θήλαστρο. Η χαμηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος βρέθηκε ότι αύξανε τη συχνότητα αυτής της επιμόλυνσης. Έτσι, αποδεικνύεται η σημασία της εφαρμογής σωστών πρακτικών κατά το άρμεγμα και η πιστή τήρηση των πρωτόκολλων υγιεινής στην διαδικασία του αρμέγματος.