Überwachung fakultativ pathogener Bakterien und der Antibiotika-Resistenzlage in Wässern aus Kläranlagen mit und ohne erweiterten Behandlungsverfahren und in abwasserbeeinflussten Umwelt-Kompartimenten
Creators: name: Jäger, Thomas
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: AMR
Antibiotic resistance
MRGN
Wastewater
Wastewater treatment plant

description: 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. 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.