Antibiotika in der aquatischen Umwelt: Eintrag, Elimination und Wirkung auf Mikroorganismen

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1 Antibiotika in der aquatischen Umwelt: Eintrag, Elimination und Wirkung auf Mikroorganismen Bad Honnef Symposium PEG Antibiotikatherapie scherer ambulant erworbener Infektionen Königswinter März 2008 Prof. Dr. rer. nat. habil. Klaus Kümmerer Klaus.Kuemmerer@uniklinik-freiburg.de

2 Übersicht Stoffemengen und Quellen Verbleib Wirkungen Resistenz Zusammenfassende Bewertung

3 Einige Daten Ca. 250 verschiedene antibiotische und antimykotische Wirkstoffe zugelassen in Deutschland Verbrauch: 3-6 g pro Kopf und Jahr (je nach ( Region

4 Antibiotikaverbrauch ( EU+CH,1999 ) Gesamt t ( t (USA % 6 % 65 % Humanmedizin Veterinärmedizin Leistungsförderer FEDESA 2001, Union of Concerned Scientists 2001

5 Antibiotika-Emissionen ins Abwasser Verbrauch Humanmedizin 1998: 412 t in Deutschland Emission Humanmedizin 1998: 277 t in Deutschland t/a Ärztliche Praxen Krankenhäuser 0 Penicilline Cephalosp. Sulfonamide Aminoglykos. Tetracycline Makrolide Glykopeptide Chinolone Sonstige Kümmerer und Henninger, Clinical Microbiology and Infection, 9, , 2003

6 Entsorgung von Arzneimitteln über das häusliche Abwasser (2006) Nein, nie 84,3% Ja 15,7% Ja, immer 1,0% Ja, häufig 2,1% Ja, manchmal 6,8% Tabletten 15,7% der Befragten schließen die Entsorgung über das Abwasser nicht völlig aus Ja, selten 5,8% Basis: Befragte Ja, immer 10,2% Flüssige Arzneimittel Nein, nie 56,6% Ja 43,4% Ja, häufig 8,3% Ja, manchmal 13,1% fast 20% der Befragten entsorgt flüssige Arzneimittelreste immer oder häufig über das Abwasser Ja, selten 11,8% Basis: Befragte Götz und Keil, UWSF, 2007

7 Verteilung von Arzneimitteln im Wasserkreislauf ( Schema (vereinfachtes Krankenhäuser Pharma- Industrie Haushalte Kläranlage Bodenpassage Landwirtschaft Trinkwasser Oberflächengewässer Infiltration Grundwasser Wasserwerk Uferfiltrat

8 Der kleine Wasserkreislauf Quelle: Der Abfall, Edelhoff AG Essen, 1988

9 Werden die Stoffe eliminiert?

10 Mineralisation von 14C-markierten Antibiotika in Modellkläranlagen Share of radioactivity (cumulative) [%] Verluste Loss due durch to Probenahme sampling Mineralisation Auslauf Effluent Radioaktivität Radioactivity in in der Kläranlage STP Total gesamte recovery Wiederfindung 14C-Benzylpenicillin 14C-Ceftriaxone 14C-Trimethoprim T. Junker, R. Alexy, T. Knacker, K. Kümmerer, Environ. Sci. & Technol., 40 (2006),

11 Elimination von Arzneimitteln in kommunalen Kläranlagen Antibiotika: 0-100% Zytostatika: 0-100% Hormone: 20-80% Statine (Lipidsenker) 0-50% Schmerzmittel 0-50% Antidepressiva 0-50% Desinfektionsmittel: 0-100% Diagnostika (Röntgen, Kernspin): 0-20%., Golet et al. 2002, Färber et al. 2002, Kolpin et al. 2002, Sacher et al. 2001, Kümmerer et al. 2000, Hamscher et al. 2002, Zuccato et al. 2001, Hirsch et al. 1999, Ternes 1998ff, Heberer 1996ff, Richardson und Bowron 1985,.

12 Elimination von Antibiotika in einer Kläranlage: Einfluss der Struktur Konzentration [ng/l] oder [µg/kg TS] Clarithromycin Zulauf Ablauf Belebtschlamm Überschussschlamm Konzentration [ng/l] oder [µg/kg TS] Roxithromycin Zulauf Ablauf Belebtschlamm Überschussschlamm O NOCH 2 OC 2 H 5 OCH 3 Alexy, Sacher, Wenz, Kümmerer, Acta hydrochim. Hydrobiol., 2006

13 μg/l 6 Arzneimittelwirkstoffe im Kläranlagenabfluss Antirheumatikum Zytostatikum Antibiotika Antidepressivum Spasmolytikum Röntgenkontrastmittel BLAC (Bund/Länderausschuss für Chemikaliensicherheit) (2003): Arzneimittel in der Umwelt. Auswertung der Untersuchungsergebnisse. Berlin.

14 Arzneimittelwirkstoffe in Oberflächengewässern μg/l 0,5 Antibiotika BLAC (Bund/Länderausschuss für Chemikaliensicherheit) (2003): Arzneimittel in der Umwelt. Auswertung der Untersuchungsergebnisse. Berlin.

15 Arzneimittelwirkstoffe im Uferfiltrat μg/l 0,2 Antibiotika BLAC (Bund/Länderausschuss für Chemikaliensicherheit) (2003): Arzneimittel in der Umwelt. Auswertung der Untersuchungsergebnisse. Berlin.

16 Arzneimittelwirkstoffe im Deponiesickerwasser μg/l 20 Antibiotika BLAC (Bund/Länderausschuss für Chemikaliensicherheit) (2003): Arzneimittel in der Umwelt. Auswertung der Untersuchungsergebnisse. Berlin.

17 Nachweis von Antibiotika in der aquatischen Umwelt Berichte aus: A, AUS, BRA, CDN, CH, D, DK, E, F, GB, I, NL, USA Krankenhausabwasser, kommunales Abwasser, Kläranlagen, Flüsse, Seen, Grund- und vereinzelt auch Trinkwasser im ng/l-µg/l Bereich aus fast allen Gruppen (soweit Messverfahren existieren) z.b. Ciprofloxacin, Sulfamethoxazol/Trimethoprim, Erythromycin, Roxithromycin, ß- Lactame,..Golet et al. 2002, Färber et al. 2002, Kolpin et al. 2002, Sacher et al. 2001, et al. 1996, Richardson und Bowron 1985,.

18 Keine oder nur partielle (Bio)degradation/Elimination: Wirkungen?

19 Mögl. Wirkungen von Antibiotika auf Bakterien in der Umwelt? Respiration Wachstum Nitrifikation Resistenz

20 Bakterienarten: Umwelt vs. Medizin > (?) Bakterienarten in der Umwelt (... Sedimente (Böden, Kläranlagen, nur 5% der Umweltbakterien bekannt! Zelles 1996, Hiraishi 1998

21 ß-Lactame und 5-Fluorouracil (5-FU) Wachstumshemmtest mit Ps. putida ( Cefazolin ) Factor: 4*10 2 1,5 *10 4 EC50 in µg/l Amoxicillin Cefazolin Cefuroxim Piperacillin AB-Mix 5FU 5FU+Amoxicillin 1:1 5FU+Cefazolin 1:1 5FU+Cefuroxim 1:1 5FU+Piperacillin 1:1 5FU+AB-Mix 1:1 R. Alexy, J. Backhaus, A. Längin, K. Kümmerer, in Vorbereitung

22 Resistenz: Simulation mit Laborkläranlagen Blank Control 1 Control 2 Test Synthet. Abwasser; Inoculum kommunale Kläranlage Antibiotikamix Ø Deutschland 6 Wirkstoffe, 6 Gruppen, gem. resistentmuster des A. baumanii; 2 Konzentrationlevels: 50 µ/l und 500 µg/l + + multi resistenter Acinetobacter baumanii + + Kümmerer et al., submitted

23 Verbleib des multi-resistenten Acinetobacter baumanii 1,0E+09 Blank Test Control 1 Control 2 CFU/mL 1,0E+07 1,0E+05 1,0E before 27 after before day 55 after Biomarker: Acinetbacter Zugabe klar erkennbar, jedoch keine signifikanten Unterschiede zwischen Kläranlagen mit und ohne Antibiotikamix Kümmerer et al., submitted

24 Pathogene Bakterien im Zulauf von drei unterschiedlichen kommunalen Kläranlagen 1.0E E E E E+06 CFU/ml (STP A) 1.0E+06 CFU/ml multiple resistant (STP A) CFU/ml 1.0E E E E E E E+01 CFU/ml STP B CFU/ml multiple resistant (STP B) CFU/ml (STP C) 1.0E E+00 CFU/ml multiple resistant (STP C) J. Wiethan, J. Unger, A. Brunswik-Titze, K. Kümmerer, 2002

25 Reduktion pathogener Bakterien in kommunalen Kläranlagen CFU Enterococci/ml 4.0E E E E E E+04 influent 9.4E E E+03 activated sludge tank 2.9E+02 effluent 3.7E+00 Enterococci VRE J. Wiethan, J. Unger, A. Brunswik-Titze, K. Kümmerer, 2002

26 Bewertung

27 Resistenz in der aquat. Umwelt: Kenntnisstand Antibiotikakonzentrationen ausreichend für Förderung/Selektion resistenter Bakterien? Elimination durch Sorption: Wirkstoffe remobilisierbar? Noch aktiv? Transfer von Resistenz in Kläranlagen nachgewiesen, relevant? Gute Elimination resistenter Bakterien aus dem Wasser in ( 99% (> Kläranlagen Eintrag bereits resistenter Bakterien aus AB-Anwenendung Hauptquelle für resistente Bakterien in der aquat. Umwelt

28 Resistenz in der in Trinkwasserversorgung: Antibiotika vereinzelt im Trinkwasser nachgewiesen (ng/l, USA) Resistenzplasimide in Trinkwasserbiofilmen nachgewiesen, keine direkte Korrelation mit Antibiotikaanwesenheit Eintrag bereits resistenter Bakterien aus AB-Anwenendung Hauptquelle für resistente Bakterien in der aquat. Umwelt

29 Zusammenfassung: Antibiotika und Resistenz in der aquatischen Umwelt ca. 70% als aktive Substanz ausgeschieden Privathaushalte Hauptquelle fast immer unvollständige Elimination teilweise Elimination durch Sorption biologische Abbaubarkeit sehr unterschiedlich Nachweis in Oberflächen-, Grund und vereinzelt Trinkwasser Wirkung von Stoffgemischen Resistenz in der Umwelt vor allem aus der Anwendung Multiresistenz eher aus Kliniken

30 Danke! Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit, meinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, den Geldgebern: DFG, BMBF, EU, European Science Foundation, COST Action 636, Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Umweltministerium Baden-Württemberg, Badenova AG, Schering AG, ASTA Medica, Bayer AG, Bode GmbH, Schülke & Mayr GmbH,

31 Ich freue mich auf die Diskussion mit Ihnen!

32 Ich freue mich auf die Diskussion mit Ihnen! Discussion

33 Mehr Information? 1 rst Ed. Springer nd Ed. Springer rd Ed. Springer 2008