Nachweis von Antibiotikaresistenzen in Rohwässern und Elimination durch Aufbereitungsverfahren

Die aquatische Umwelt kann zur Entwicklung und Verbreitung von klinisch bedeutsamen Antibiotikaresistenzgenen (ARG) beitragen. Das Potenzial der aquatischen Umwelt als Reservoir für ARG in Gebieten, die anthropogen beeinflusst sind, wurde bereits in einigen Studien beschrieben. Die Zusammenhänge zwischen dem Erwerb von Resistenzen durch Umweltbakterien und der rapiden Entwicklung multiresistenter Keime im klinischen Bereich müssen jedoch noch detaillierter aufgeschlüsselt werden, um konkrete Übertragungswege erkennen zu können und so gezielt gegen die alarmierende Entwicklung vorzugehen. ... mehrDafür wurde zum einen ein Monitoring verschiedener Bereiche in der Umwelt, wie Oberflächenwässer und Sedimente, durchgeführt. Proben chinesischer und deutscher Trinkwasser-Reservoirs weisen ähnliche Muster von Resistenzgen-Vorkommen auf, was die globale Relevanz der aquatischen Umwelt als Quelle für Antibiotikaresistenzen unterstreicht. Um Risiken durch die Verbreitung von Resistenzen durch Umweltbakterien, freie DNA oder Phagen besser abwägen zu können, wurde eine Methode entwickelt, um ARG speziell in diesen Fraktionen nachzuweisen und diese als mögliche Distributoren für ARG zu identifizieren. Für erste Oberflächenwässer, die mit diesen Methoden untersucht wurden, konnte gezeigt werden, dass Resistenzen gegen Sulfonamide (sul1 und sul2), sowie β-Laktame (blaTEM) eine Relevanz in Phagen und in frei vorliegender DNA aufweisen. Da sich mikro- und molekularbiologische Methoden stets ergänzen, wurde der Fokus sowohl auf Polymerasekettenreaktion (PCR)-basierte Methoden zum Nachweis von ARG, als auch auf kulturbasierte Verfahren zum Nachweis von Umwelt-relevanten antibiotikaresistenten Bakterien (ARB) aus Umweltproben gelegt. Durch diese auf R2A-Medien mit geringem Nährstoffgehalt basierenden Kulturverfahren konnte gezeigt werden, dass β-Laktam-Resistenzen (gegen Cephalosporine der 3. Generation und die Reserveantibiotika-Gruppe der Carbapeneme) unter oligotrophen Umweltbakterien in deutschen Oberflächenwässern bereits weit verbreitet sind. Somit konnten die Ergebnisse dieser Arbeit die Vermutung stützen, dass Umwelt-relevante Bakteriengattungen zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen beitragen. Da für die Entwicklung neuer Strategien zur Vermeidung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen meist die menschliche Gesundheit im Fokus liegt, ist auch die Elimination von ARG und ARB aus Oberflächenwässern ein entscheidender Schwerpunkt der aktuellen Forschung, um eine Gefährdung der Exposition durch Trinkwässer auszuschließen. Deshalb wurden auch im Rahmen dieser Arbeit Trinkwasseraufbereitungsanlagen beprobt und auf Antibiotikaresistenzen untersucht. Dabei standen Proben aus China und Deutschland zur Verfügung, durch die die Effizienz verschiedener Behandlungsverfahren hinsichtlich der Entfernung von Resistenzen evaluiert werden konnte. Hierbei konnten deutliche Unterschiede zwischen der ARG-Eliminationseffizienz deutscher und chinesischer Wasserwerke beobachtet werden, wobei ARG-Rückstände nach der Wasserbehandlung nur in den am Tai See (Nähe Shanghai) lokalisierten Wasserwerken feststellbar waren, was auf vergleichsweise höheren Einträgen von Abwässern aus Industrie, Agrarwirtschaft und urbanen Ballungsräumen zurückzuführen ist. Die Entwicklung und Anwendung quantitativer Long-Amplikon PCR Methoden zum Nachweis vollständiger Resistenzgene (darunter sul1 und blaTEM) konnten die Reduktion der ARG durch reaktive Behandlungsverfahren wie Chlorung, UV-Bestrahlung und Ozonung hierbei besser abbilden als die konventionellen qPCR Methoden, mit denen eine Überschätzung der Genkopienzahl wahrscheinlich ist. Innovative Layer-by-Layer-Membrantechnologien konnten zudem auf den Rückhalt von ARG untersucht werden. Ihr Potential für die Anwendung in der Trinkwasseraufbereitung konnte sowohl im Labor- als auch im Pilotmaßstab bestätigt werden.

The aquatic environment may contribute to the development and spread of clinically important antibiotic resistance genes (ARGs). The potential of the aquatic environment as a reservoir for ARGs in areas that are anthropogenically influenced has been described in several studies. However, the links between the acquisition of resistance by environmental bacteria and the rapid development of multidrug-resistant germs in the clinical setting need to be identified in more detail in order to detect specific transmission pathways and thus take targeted action against the alarming development. ... mehrTo this end, monitoring of various areas in the environment, such as surface waters and sediments, was carried out. Samples of Chinese and German drinking water reservoirs show similar patterns of resistance genes, which underlines a certain global relevance of the aquatic environment as a source of antibiotic resistance. To idinvestigate the spread of resistance by environmental bacteria, free DNA, or phages, a method was developed to detect ARGs specifically in these fractions and identify them as potential distributors of ARGs. For initial surface waters analyzed using these methods, resistance to sulfonamides (sul1 and sul2), and β-lactams (blaTEM) was shown to be relevant in phages and in free DNA. Since microbiological and molecular biological methods are complementary, the focus was on both polymerase chain reaction (PCR)-based methods for the detection of ARG, and culture-based methods for the detection of environmentally relevant antibiotic-resistant bacteria (ARBs) from environmental samples. These culturing methods based on R2A media with low nutrient content demonstrated that β-lactam resistance (to 3rd generation cephalosporins and the reserve antibiotic group of carbapenems) is already widespread among oligotrophic environmental bacteria in German surface waters. Thus, the results of this work could support the assumption that environmentally relevant bacterial genera contribute to the spread of antibiotic resistance. Since human health is usually the focus for the development of new strategies to prevent the spread of antibiotic resistance, the elimination of ARGs and ARBs from surface waters is also a crucial focus of current research in order to exclude exposure hazards from drinking waters. Therefore, drinking water treatment plants were also sampled and analyzed for antibiotic resistance as part of this work. Samples from China and Germany were available to evaluate the efficiency of different treatment processes with regard to the removal of resistances. Significant differences between the ARG elimination efficiency of German and Chinese waterworks were observed, with ARG residues after water treatment only detectable in the waterworks located at Lake Tai (near Shanghai), which can be attributed to comparatively higher inputs of wastewater from industry, agriculture and urban agglomerations. The development and application of quantitative long-amplicon PCR methods to detect complete resistance genes (including sul1 and blaTEM) improved the mapping of the ARG-reduction by reactive treatment processes such as chlorination, UV irradiation, and ozonation, compared to conventional qPCR methods, which are likely to overestimate gene copy numbers. Innovative layer-by-layer membrane technologies could also be investigated for ARG retention. Their potential for application in drinking water treatment could be confirmed both in laboratory and pilot scale.