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. Dafür 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