Abstract:
Die Charakterisierung von Belastungssituationen unterschiedlicher aquatischer Bereiche und technischer Prozesse mit klinisch relevanten Bakterien und Antibiotikaresistenzen ist Gegenstand dieser Arbeit und soll dazu dienen, mikrobielle Hot Spots zu identifizieren und Ansätze zur Unterbrechung von Verbreitungswegen zu untersuchen. Als Untersuchungsgebiet wurde das Donauried ausgewählt, dessen anthropogen beeinflusste Wassersysteme verschiedene Wasserschutzzonen passieren oder sich in der Nähe von Trinkwasserfassungen befinden. Neben Fließgewässern mit direktem oder indirektem Abwassereinfluss, Regenüberlaufbecken und Grundwassermessstellen wurden auch Klinikabwässer und Kläranlagen unterschiedlicher Größe und Ausstattung untersucht. ... mehrDie mikrobiologische Charakterisierung dieser Wassersysteme erfolgte durch eine Auswahl von klinisch relevanten Antibiotikaresistenzen und opportunistischen Bakterien-Parametern. Zur deren Detektion und Quantifizierung wurden qPCR-Systeme entwickelt und Primer-Kombinationen für das vanA (Vancomycin) Resistenzgen, blaVIM (Imipenem) Resistenzgen, ampC (Ampicillin) Resistenzgen und ermB (Erythromycin) Resistenzgen verwendet. Als Parameter für die kritischen mikrobiologische Zielorganismen wurden genetische Marker für Enterokokken, Pseudomonas aeruginosa, Methicillin resistente Staphylococcus aureus (MRSA) und Koagulase negative Staphylokokken (CNS) genutzt.
In ungeklärten Krankenhausabwässern sowie in den entsprechenden Kläranlagenzuläufen wurden die höchsten Abundanzen an Antibiotikaresistenzen und opportunistischen Bakterien aller untersuchten Wassersysteme quantifiziert. In den Abläufen der jeweiligen Kläranlage wurden teilweise Reduktionen von 99% für einige, aber nicht alle, untersuchten opportunistischen Bakterien festgestellt. Im Gegensatz zu den taxonomischen Genmarkern wiesen die meisten der Antibiotikaresistenzgene einen gegenteiligen Trend auf. Einige Gene wurden demnach deutlich häufiger in der Bakterienpopulation des Kläranlagenablaufs nachgewiesen im Vergleich zum Zulauf. Der Einfluss dieser Emission von klinisch relevanten Antibiotikaresistenzgenen wurde auch in den aufnehmenden Vorflutern deutlich. Selbst einige Grundwässer, auch ohne die Anwesenheit der ursprünglichen Resistenzträger, wiesen Abundanzen aller vier Antibiotikaresistenzgene auf. Diese Diskrepanz zwischen taxonomischen Markern und Resistenzdeterminanten weist auf eine unterschiedliche Dynamik dieser Parametergruppen hin und unterstreicht die Wichtigkeit einer erweiterten mikrobiologischen Charakterisierung von anthropogen beeinflussten Habitaten.
Mit dem Hinblick auf die mikrobiologischen Ergebnisse aus der Modellregion Donauried zum Eintrag von klinisch relevanten Antibiotikaresistenzgenen und opportunistischen Bakterien durch Kläranlagen, wurde an der kommunalen Kläranlage Südhessen ein Ozonsystem in Kombination mit vier Filtersystemen (belüftete granulierter Aktivkohle, unbelüftete granulierter Aktivkohle, belüfteter Biofilter und unbelüfteter Biofilter) auf die Reduktion der mikrobiologischen Belastungen hin untersucht. Ozondosen von 0,85 ± 0,15 g Ozon pro g gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) wurden verwendet, um den Ablauf einer konventionellen Kläranlage zu behandeln. Dabei wurde neben der mikrobiellen Reduktion auch eine Selektion von spezifischen Antibiotika-resistenten Bakterien, sowie dem Bakterium P. aeruginosa festgestellt. Die vier nachfolgenden parallel installierten Filtersysteme bildeten den Abschluss dieser Abwasserbehandlung und zeigten neben hohen Schwankungen in den Abundanzen der untersuchten Antibiotikaresistenzgene und taxonomischen Markern im jeweiligen Ablauf keine signifikante Reduktion an.
Um das Phänomen der Selektion der untersuchten Antibiotikaresistenzgene weiter zu untersuchen, wurde am Großklärwerk Ulm-Steinhäule eine Pilotanlage mit einer Verfahrenskombination aus Ozon- und nachfolgender UV-Behandlung installiert. Dabei wurde ebenfalls der Einfluss verschiedener Ozondosen (0,7, 1,0 und 1,5 g O3 pro g DOC) berücksichtigt. Durch die nachfolgende UV-Behandlung (100 – 300 J pro m2) und Erhöhung der Ozondosis wurde eine zusätzliche Reduktion von P. aeruginosa, Enterokokken sowie von Imipenem-resistenten Bakterien (blaVIM) erreicht.
Neben dem Nachweis von Antibiotikaresistenzen und opportunistischen Bakterien wurde über PCR, Illumina 16S Amplicon-Sequenzierung und PCR-DGGE Analysen die Selektion von ozonrobusten Bakterien bestätigt, so dass der Anteil dieser hygienisch relevanten Parameter in der überlebenden Bakterienpopulation durch die Ozonbehandlung nicht verringert, sondern erhöht wurde (Anreicherung); trotz einer allgemeinen Reduktion der Bakterienfracht von ca. 96%.
Um die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen und opportunistisch pathogenen Bakterien durch Kläranlagen zu verringern, sind weiterführende Abwasserbehandlungsmaßnahmen notwendig, damit die Wasserressourcen im Donauried besser geschützt werden können. Eine Ozonbehandlung von konventionell gereinigtem Abwasser stellt ein Mittel zur Reduktion hygienisch wichtiger mikrobiologischer Parameter dar. Dennoch war die Anreicherung einiger Antibiotikaresistenzgene und Bakterien durch die Ozonbehandlung nur teilweise mit einer höheren Ozondosis in Kombination mit UV zu verhindert. Die Verknüpfung aus Ozonung und UV-Behandlung führt zu einer weiteren Verbesserung der Abwasserqualität, eliminiert das bestehende Restrisiko der Verbreitung von hygienisch relevanten mikrobiologischen Parametern jedoch nicht vollständig.
Abstract (englisch):
The dissemination of medically relevant antibiotic resistance genes (blaVIM, vanA, ampC, ermB, and mecA) and opportunistic bacteria (E. faecium/faecalis, P. aeruginosa, Enterobacteriaceae, S. aureus, and CNS) was determined in different anthropogenically influenced aquatic habitats in a selected region of Germany (Donauried). Over a period of two years, four differently sized wastewater treatment plants (WWTP) with and without clinical influence, three surface waters, four rain overflow basins, and three groundwater sites were analyzed by quantitative Polymerase Chain Reaction (qPCR). ... mehrResults were calculated in cell equivalents per 100 ng of total DNA extracted from water samples biomass, firstly, and, secondly, per 100 mL sample volume, which seems to underestimate the abundance of antibiotic resistance and opportunistic bacteria. High abundances of opportunistic bacteria and antibiotic resistance genes (ARGs) were quantified in clinical wastewaters and influents of the adjacent WWTP. The removal capacities of WWTP were up to 99% for some, but not all investigated bacteria. The abundances of most ARG targets were found to be increased in the bacterial population after conventional wastewater treatment. As a consequence, downstream surface water and also some groundwater compartments displayed high abundances of all four ARGs. It became obvious that the dynamics of the ARG differed from the dynamics of the opportunistic bacteria.
An ozone treatment system was installed at the municipal WWTP Südhessen and was investigated to analyze its impact on clinically relevant bacteria and antibiotic resistant genes. A dosage of 0.85 ± 0.15 g ozone per 1 g DOC was used to treat conventional clarified wastewater. PCR, qPCR analyses, Illumina 16S Amplicon Sequencing, and PCR-DGGE indicated a diverse pattern of robustness and susceptibilities of opportunistic bacteria and accumulation of some ARGs after ozone treatment. Molecular marker genes for enterococci indicated a high susceptibility towards ozone and were reduced by almost 99%, but were still present in the bacterial population after ozone treatment. In contrast, Pseudomonas aeruginosa displayed only minor changes in abundance after ozone treatment. The investigated ARGs demonstrated an even more diverse pattern. After ozone treatment, the erythromycin resistance gene (ermB) was reduced by 2 orders of magnitude, but simultaneously, the abundance of two other clinically relevant ARGs increased within the surviving wastewater population (vanA, blaVIM). PCR-DGGE analysis and 16S-Amplicon-Sequencing confirmed a selection-like process in combination with substantial diversity loss within the vital wastewater population after ozone treatment. Especially the PCR-DGGE results demonstrated the survival of GC-rich bacteria after ozone treatment.
To investigate the phenomenon of antibiotic resistance genes selection by ozone treatment, additional analyses were performed at the municipal WWTP of Neu Ulm-Steinhäule. Alongside different ozone doses (0.7, 1.0 and 1.5 g O3 per g DOC) the impact of a process combination utilizing ozone treatment with subsequent UV irradiation (100 – 300 J per m2) on the abundance of antibiotic resistance genes and opportunistiv bacteria was investigated. Combining these two processes resulted in an additional reduction of P. aeruginosa, enterococci and blaVIM.
To minimize the dissemination of antibiotic resistance genes and opportunistic bacteria via discharge from municipal WWTPs into the environment of Donauried, additional wastewater treatments are needed to protect the water resources in this area. An additional ozone treatment displayed the capability to reduce hygienically relevant microbial parameters in wastewater. The observed selection of some antibiotic resistance genes and opportunistic bacteria in the surviving population is only partially countered by using a higher ozone concentration in combination with UV irradiation. Also, no total elimination of hygienically relevant microbial parameters was observed.
