Abstract:
In der vorliegenden Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der Einleitung von kommunalen Kläranlagen und der Menge an Antibiotikaresistenzgenen (ARG) in Flusssedimenten des Vorfluters untersucht. Eine wesentliche Frage war dabei, was der Treiber für die Akkumulation der ARG ist. Zur Auswahl standen dabei die Einleitungen von Antibiotikarückständen (ABs) auf der einen Seite oder die partikuläre Fracht auf der anderen Seite. Letztere ist dafür bekannt, pathogene Organismen aber auch ARG mit sich zu führen.
Die Ergebnisse einer Feldstudie zeigten zunächst, dass die Selektion von ARG durch Antibiotikarückstände möglicherweise weniger entscheidend ist, als allgemein angenommen wird. ... mehrStattdessen wiesen sie auf die zweite der oben benannten Optionen für die Verbreitung von ARG hin: ARG (ermB, blaTEM, tetM, qnrS) assoziieren zum Teil stark mit den partikulären Bestandteilen im Abwasser und gelangen damit über die Sedimentation in das Sediment der Vorfluter.
Die ARG-Menge in der sedimentierbaren Fraktion von Abwasser (Genkopien pro g Schwebstoffe, engl. total suspended solids, TSS) korrelierte dabei positiv mit der Änderung der ARG-Menge im Flusssediment des Vorfluters (Differenz der Genkopien pro g Sediment unterhalb und oberhalb der Einleitungsstelle) (R² = 0,93; p < 0,05).
Jährlich werden mehrere hundert Tonnen an partikulären Bestandteilen aus dem untersuchten Klärwerk in den Vorfluter eingeleitet. Ca. 50 % davon kann sich unmittelbar hinter der Einleitungsstelle absetzen. Scheinbar ist die Sedimentation dieser Masse entscheidend für die Verbreitung von ARG im Flusssediment und führt zu einer Erhöhung um 0,5 – 2 Zehnerpotenzen.
Um die Dynamik des oben beschriebenen Sedimentationsprozesses besser zu verstehen, wurde im nächsten Schritt eine Partikelfraktion aus kommunalem Abwasser extrahiert (durch Sieben und Filtration) und in Batchreaktoren gegeben, welche zuvor mit natürlichen Flusssedimenten und Leitungswasser befüllt wurden. Parallel hierzu wurden ABs (Erythromycin, Tetrazyklin, Ciprofloxacin, Roxithromycin, Penicillin V und Sulfamethoxazol) hinzugegeben, um sie auf ihre Fähigkeit zur Selektion von ARG zu testen. Die Entwicklung der Häufigkeit von sechs ARGs (ermB, tetM, blaTEM, sul1, CTX-M-32 und qnrS) und die Gesamtzahl an Bakterien (16S rDNA) wurde in der Wasserphase und im Sediment über einen Zeitraum von zwei Monaten verfolgt. Trotz der relativ hohen Konzentration an ABs, welche über den gesamten Zeitraum auf konstantem Niveau gehalten wurde (5 μg/L), blieb die Häufigkeit der ARG unverändert. Die Zugabe von Abwasserpartikeln führte zu einem sofortigen, starken Anstieg an ARG in der Wasserphase (3 – 5 Zehnerpotenzen) und im Sediment (1 – 4 Zehnerpotenzen). Erhöhte ARG-Mengen gingen allerdings mit einem bestimmten und vollständigen Zerfall einher.
Die Ergebnisse sowohl aus dem Feldversuch als auch aus den gezielten Versuchen im Labor zeigen, dass die erhöhte Häufigkeit an ARG in Vorflutern durch den kontinuierlichen Eintrag von ARG aus Klärwerksabläufen verursacht wird. Sie lassen zudem vermuten, dass ARG nicht persistieren, wenn dieser Eintragspfad unterbrochen wird.
Abstract (englisch):
The relationship between wastewater discharge by wastewater treatment plants (WWTPs) and the abundance of antibiotic resistance genes (ARGs) in river sediments of the receiving waterbody was investigated. The goal was to assess which component of wastewater, i.e. residuals of antibiotics (ABs), or particulate matter, has the larger impact.
First results indicated that, at environmental concentrations, the selection of ARGs by ABs might not be as significant as widely accepted. Instead, they emphasized the significance of ARG transport, and highlighted the relevance of wastewater particles and associated microorganisms. ... mehrThey showed that ARGs (ermB, blaTEM, tetM, qnrS) as well as facultative pathogenic bacteria (FPB) (enterococci, Pseudomonas aeruginosa, Acinetobacter baumannii) inside the particulate fraction of WWTP effluent are likely to remain in the riverbed of the receiving water due to sedimentation. Moreover, ARG and FPB abundances measured in the particulate fraction strongly correlated with the delta ARG and FPB abundances measured in the receiving river sediment (downstream compared to upstream) (R² = 0.93, p < 0.05). Yearly, several hundred tons of suspended solids are discharged by the investigated WWTP, from which approximately 50 % are particles large enough to settle within a short distance downstream of the discharge point. Apparently, the sheer amount of associated ARGs and FPB is sufficient, to increase abundances in the receiving riverbed by 0.5 to 2 log units.
To better understand the dynamics of the above described sedimentation process, a particulate wastewater fraction was obtained through sieving and filtering, and added to batch reactors, which were previously filled with natural river sediments, and tap water. Additionally, ABs (erythromycin, tetracycline, ciprofloxacin, roxithromycin, penicillin V, and sulfamethoxazole) were spiked to investigate their capability to select for resistance. The abundance of six ARGs (ermB, tetM, blaTEM, sul1, CTX-M-32, and qnrS) as well as total bacteria (16S rDNA) was monitored in waters and in sediments for a duration of two months. Despite a continuous exposure to ABs (5 µg/L), the abundance of ARGs remained unaffected. Addition of wastewater particles resulted in a sudden and strong increase of ARGs in waters (3 – 5 log units) and sediments (1 – 4 log units), however, elevated ARG levels underwent a certain and complete decay. Our results indicate that the increased ARG abundances in receiving rivers are the result of a continuous import of ARGs from wastewater discharges or sewer overflow events. They further imply that elevated ARGs do not persist in receiving rivers, if this continuous import is removed.
