Bioremediation von Antibiotika-resistenten Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen in Pflanzenkläranlagen

CAMILA KNECHT; HEINZ KÖSER; JOCHEN A. MÜLLER

Frankfurt

Conferencia; SUK 2018 Spurenstoffe und Krankheitserreger im Wasserkreislauf; 2018

DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.

Die weltweit zunehmende Verbreitung von Antibiotikaresistenzen ist ein vorrangiges medizinisches Problem des 21. Jahrhunderts. Kläranlagen (KA) spielen eine wichtige Rolle beim Austragantibiotikaresistenter Bakterien (ARB) in die Umwelt sowie der Generierung neuer ARB durch horizontalen Gentransfer (HGT). Pflanzenkläranlagen (PKA) sind eine Alternative zu konventionellen KA, um Abwasser zu reinigen. Die Frage, ob PKA für die Entfernung von Antibiotika, ARB und Antibiotikaresistenzgenen (ARG) geeignet sind, ist noch nicht ausreichend erforscht und Schwerpunkt dieser Arbeit. Zu diesem Zweck wurden zwei parallel-betriebene und horizontal-durchströmte PKA untersucht, in die das gleiche, vorgereinigte kommunale Abwasser floss. Das System H50p (H =horizontal flow, p = planted, 50 = 50 cm tief) repräsentierte einen häufigen PKA Designtyp und das HAp (A =aeration) ein belüftetes hybrides System. Belüftete PKA wiedas HAp zeigen eine bessere Reinigungsleitung in Bezug auf Standard-Abwasserparameter als nicht-belüftete Systeme wie das H50p. Es wurden Proben vom Zufluss, Abfluss und von vier Stellen im Verlaufder Fließstrecke analysiert. Als Modell-Antibiotika wurden Sulfamethoxazol (SMX) und Trimethoprim (TMP) quantifiziert. Mit Hilfe der quantitativen PCR (qPCR) Methode wurden Konzentrationen von Genen nachgewiesen, die am häufigsten für die Resistenz gegen SMX (sul1 und sul2) und TMP (dfrA1) verantwortlich sind. Zudem wurde die Häufigkeit des Gens intl1 bestimmt, welches ein Indikator für HGT von ARG ist. Zusätzlich wurden über 1500 ARB isoliert und charakterisiert. Escherichia coli, welches gleichzeitig ein Indikator für fäkale Kontamination und ein häufiger Trägervon ARG ist, wurde durch kultivierungs-abhängige Methoden und qPCR quantifiziert. Die Ergebnisse zeigten, dass das HAp System für alle untersuchtenmikrobiologischen Parameter eine bessere Reinigungsleistung aufwies. Die Entfernung war >95% für alle ARG in beiden PKA, aber die Konzentrationen im Abfluss vom HAp waren eine Größenordnung kleiner als im dem vom H50p. Auffällig war, dass in der ersten Hälfte des belüfteten PKA die Konzentrationen von sul1, sul2 und intI1 anstiegen. Dagegen zeigte das Gen dfrA1 einevergleichbare Abnahme in beiden PKA, was darauf hindeutet, dass die anfängliche Zunahme der anderen Gene spezifisch war. Bei den isolierten ARB wurde festgestellt, dass die Hauptträger deruntersuchten Gene zu der Familie Enterobacteriaceae und zu den Genera Pseudomonas und Aeromonas gehörten. Bei der Quantifizierung von E. coli zeigte das HAp entlang der Fließstrecke einen zunehmenden Häufigkeitsunterschied zwischen kultivierbaren und nicht kultivierbaren Zellen. Dabei nahmen die kultivierbaren Bakterien schneller ab als die Bakterien die durch qPCR nachgewiesen werden können. Das bedeutet, dass ein großer Teil der E. coli Zellen entweder abgestorben ist, oder in einem nicht kultivierbaren aber immer noch aktivem Status vorliegt. Dies war bei den H50p nicht zu sehen. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Konzentrationen der untersuchten Antibiotika in beiden Systemen mindestens eine Größenordnung unter der minimalen Hemm-Konzentration lagen.Die Studie zeigt, dass PKA eine geeignete Technologie für die Entfernung von ARB/ARG vom Abwasser ist, wobei insbesondere das belüftete System eine sehr gute Abreinigung erzielt. Die Unterschiede zwischen den PKA bezüglich E. coli und dievorübergehende Zunahme von ARG könnte ein Hinweis darauf sein, dass 1) Bakterien in HAp gestresst sind und es 2) bei HAp Systemen einen Anstieg im HGT gibt. Es ist zu vermuten, dass die Belüftung in einer KA mit Belebtschlammverfahren ebenfalls HGT von ARG induziert. p { margin-bottom: 0.25cm; direction: ltr; color: #00000a; line-height: 120%; text-align: left; orphans: 2; widows: 2; background: transparent }p.western { font-family: "Arial", serif; font-size: 12pt; so-language: de-DE }p.cjk { font-family: "Times New Roman"; font-size: 12pt; so-language: de-DE }p.ctl { font-family: "Times New Roman"; font-size: 10pt; so-language: ar-SA }