Abstract:
Ein Ziel dieser Arbeit war zum einen die Untersuchung und Verbesserung erweiterter Abwasserbehandlungstechnologien und/ oder deren Kombination mit biologischen Prozessen an einer lokalen Großkläranlage zur Minimierung von Mutationsraten, horizontalem Gentransfer und Antibiotikaresistenz-Selektion. Zu den Kriterien für die Auswahl der Technologien gehört u.a. auch die Eliminierung von fakultativ pathogenen Bakterien, ARGs und Schadstoffen. Es wurden verschiedene Abwasserbehandlungsoptionen betrachtet, die die mikrobiologische Belastung, insbesondere mit fakultativ pathogenen Bakterien im Ablauf von Kläranlagen reduzieren können, um eine angemessene Wasserqualität zu erreichen. ... mehr
Da Ozon häufig zur Beseitigung chemischer Mikroverunreinigungen eingesetzt wird, konzentrierte sich diese Arbeit stark auf die Auswirkungen der Ozonbehandlung auf die Reduktion fakultativ pathogener Bakterien und auf die Verschiebung der mikrobiellen Abwasserpopulation. Molekularbiologische Analysen ergaben eine unterschiedliche Dynamik bei der Reduktion fakultativ pathogener Bakterien und ARGs durch die erweiterten Behandlungsmaßnahmen des biologisch gereinigten Abwassers.
Die Gesamtkeimbelastung und die Mehrzahl der klinisch relevanten Untersuchungsparameter wurden bei der Ozon- oder UV-Behandlung reduziert, aber nicht eliminiert. Hinsichtlich der absoluten Häufigkeit, auf der Basis des filtrierten Abwasservolumens, führte die UV-Behandlung zu geringen Reduktionswerten, während die Ozonbehandlung und die Kombination von Ozon und UV absolute Reduktionen von 70% bis unter die Nachweisgrenze zeigten. Darüber hinaus konnten fakultativ pathogene Bakterien und ARGs innerhalb der überlebenden Population, auf der Grundlage der extrahierten DNA, im Abwasser noch nachgewiesen werden und einige wiesen eine erhöhte relative Häufigkeit auf.
Die Ergebnisse der molekularbiologischen Analysen zeigten daher verschiedene selektive Prozesse und spezifische Vermehrungsraten der Mikroorganismen auf der Grundlage ihrer Anfälligkeit für die Ozonbehandlung. Untersuchungen zur Wiederverkeimung zeigten, dass insbesondere P. aeruginosa nach dreitägiger Inkubation von ozoniertem Abwasser in der Populationszusammensetzung dominierte. Daher ist eine Kombination verschiedener methodischer Ansätze erforderlich, um die mikrobielle Abwasserqualität umfassend zu bewerten und angepasste Standardrichtlinien zu erstellen, die auch langfristige Effekte berücksichtigen.
Immunologische Untersuchungen der innovativen Technologien zeigten, dass UV-Licht zu chemischen Veränderungen, einschließlich Pyrimidin-Dimere, sowie Cyclobutan-Pyrimidin-Dimere (CPDs) und Pyrimidin-Pyrimidin (6-4)-Photoprodukte führte. Diese mutagenen Läsionen verändern die Struktur der DNA und hemmen die Polymerasen und stoppen die Replikation. Diese DNA-Läsionen traten nur nach einer UV-Behandlung auf, nicht aber nach einer Ozon- oder Kombinationsbehandlung aus Ozon und UV.
Die Belastungssituationen im regionalen Bereich zeigten, dass Antibiotikaresistenzgene und fakultativ pathogene Bakterien in Oberflächengewässern nachweisbar waren und dass die gemessenen Häufigkeiten je nach Art des Oberflächenwassers, wie z.B. Fließgewässer oder Seen, variieren. Ebenso konnten die als besonders kritisch einzustufenden Resistenzgene, je nach Standort, in geringen Häufigkeiten nachgewiesen werden. Deutlich wurden jedoch die Auswirkungen der Kläranlagen auf die Abwasser aufnehmenden Gewässer. So konnte eine geringere Belastung oberhalb der Einleitungsstelle der Kläranlage und eine Erhöhung der Belastung unterhalb der Einleitungsstelle der Kläranlage beobachtet werden. Darüber hinaus wies die untersuchte Kläranlage im urbanen Gebiet eine höhere Belastungssituation auf als die Kläranlage im ländlich geprägten Gebiet. So waren im Ablauf der ländlichen Kläranlage 3 von 6 Parametern der fakultativ pathogenen Bakterien und keines der 6 als kritisch einzustufenden Antibiotikaresistenzgene nachweisbar. Im Auslauf der städtischen Kläranlage konnten alle 6 Parameter der fakultativ pathogenen Bakterien und alle 6 als kritisch einzustufenden Antibiotikaresistenzgene nachgewiesen werden. Diese unterschiedlichen Belastungen im Ablauf der Kläranlagen spiegeln sich auch im Vorfluter wider. Es besteht daher Handlungsbedarf in den jeweiligen Kläranlagen. Ein Vergleich von Fließgewässern zeigte auch, dass die Grundbelastung im ländlichen Gebiet geringer ist als im städtischen Gebiet. Die zusätzlichen Multiresistenzstudien vervollständigen das Bild und wiesen auf eine häufigere Verteilung von 3 MRGN und vereinzelt auch 4 MRGN in den analysierten Wassersystemen hin.
Abstract (englisch):
One objective of this work was the development of concepts to evaluate and improve advanced wastewater treatment technologies and/or their combination with biological processes on a local wastewater treatment plant (WWTP) to be implemented in critical points (e.g., WWTP, hospital effluents) to minimize mutation rates, horizontal gene transfer, and AR selection. The criteria for the selection of the technologies also includes the elimination of other emerging contaminants and pathogens. Several wastewater treatment options are discussed for their capability to reduce the microbiological load especially with facultative pathogens in the final effluent of wastewater treatment plants (WWTP) to achieve an adequate water quality. ... mehrStill, a coherent assessment concept is missing to prove the success of reduction efficiency of microbial parameters. This is concerning the choice of technical operations as well as the evaluation of their introduction.
Since ozone is frequently used to remove chemical micro-pollutants, this work tightly focuses on the impact of ozone treatment on the reduction of facultative pathogens as well as the shifts in microbial communities are of specific interest. Molecular biology analyses revealed different dynamics of facultative pathogens and ARGs by the advanced treatments of conventionally treated wastewater.
The overall bacterial load and the majority of other clinically relevant bacterial targets were reduced during ozone or UV treatment, but not eliminated. Regarding the absolute abundance based on volume, UV treatment led to minor reduction values, whereas ozone treatment and the combination of ozone and UV showed absolute reductions ranging from 70% up to the detection limit. Furthermore, the relative abundance within the surviving population based on extracted DNA, showed that antibiotic resistance genes were also present in the effluents under the adjusted parameters and some exhibited an increased relative abundance.
Hence, results from molecular biology analyses indicated different selective processes and specific recovery rates of microorganisms based on their susceptibility towards the ozone treatment. Regrowth experiments showed, that especially P. aeruginosa dominated in the population composition after three days of incubation of ozonated wastewater. Thus, a combination of different methodological setups is needed to evaluate microbial wastewater qualities and to generate adjusted standard guidelines considering also long-term effects.
Regarding the DNA, UV light led to chemical alterations including pyrimidine dimers, as well as cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs) and pyrimidine-pyrimidine (6-4) photoproducts. These mutagenic lesions alter the structure of the DNA and inhibit polymerases and arrest the replication. These lesions weren’t found after ozonation or the combination of ozone and UV treatment.
When considering the regional measurements, it can be stated that antibiotic resistance genes and facultative pathogenic bacteria were detectable in surface waters and that, depending on the type of surface water, such as running waters or lakes, the measured abundances vary. Likewise, the resistance genes, which are to be classified as particularly critical, could be detected in low abundances depending on the location. However, the impact of the wastewater treatment plants on adjacent water bodies became clear. Thus, a lower load above the discharge point of the WWTP and an increase in the load below the discharge point of the wastewater treatment plant could be observed. The investigated WWTP in urban areas showed a higher load situation than the wastewater treatment plant in rural areas. Thus, 3 of 6 parameters of facultative pathogenic bacteria and none of the 6 antibiotic resistance genes, which are to be classified as critical, were detectable in the outlet of the rural WWTP. In the outlet of the urban WWTP all 6 parameters of the facultative pathogenic bacteria and all 6 antibiotic resistance genes classified as critical could be detected. Furthermore, these different load situations in the effluents of the WWTPs are reflected in the receiving water body. Therefore, there is a need for action at the respective wastewater treatment plants. A comparison of running waters also showed that the basic pollution in rural areas was lower than in urban areas. The additional multi-resistance studies completed the picture and indicated a more frequent distribution of 3 MRGN and occasionally also 4 MRGN in the analyzed water systems.
