Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft. 2. RiSKWa-Statusseminar September 2013, Karlsruhe

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1 Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ Untersuchung zu Einträgen von Antibiotika und der Bildung von Antibiotikaresistenz im urbanen Abwasser sowie Entwicklung geeigneter Strategien, Monitoring- und Frühwarnsysteme am Beispiel Dresden Wilhelm Kirch Thomas U. Berendonk Lars Bernard Peter Krebs Norbert Lucke Klinische Pharmakologie Hydrobiologie Geoinformationssysteme Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Stadtentwässerung Dresden 2. RiSKWa-Statusseminar September 2013, Karlsruhe

2 Folie 2 Projektstruktur Projektkoordination Datengetriebene Ermittlung der Antibiotikaeinträge Messungen und Analyse von Antibiotika und Antibiotikaresistenzen Modellbildung, Verfahrenstechnik und Stoffflussanalyse Bewertungskarten, Informations- und Warnsystem Kommunikation und Weiterbildung

3 Folie 3 Antibiotikaeinträge ins Abwassersystem Antibiotika in Kanalnetz und Kläranlage Resistenzen in der Kläranlage Mustererkennung und Informationssystem Kommunikation und Weiterbildung

4 Folie 4 Antibiotikaeinträge ins Abwassersystem Antibiotika in Kanalnetz und Kläranlage Resistenzen in der Kläranlage Mustererkennung und Informationssystem Kommunikation und Weiterbildung

5 Folie 5 Räumliches Muster von Antibiotika-Verschreibungen Clarithromycin-Verschreibungen (absolut) in Dresden (aus AOK-Daten)

6 Raum-zeitliches Muster: Jahresverlauf der ambulanten Antibiotika-Verordnungen in Stadtteilen Jahresverlauf von Azithromycin-Verschreibungen Relative Verschreibungen an AOK-Versicherten Januar Dezember 2.RiSKWa-Statusseminar Folie 6

7 Folie 7 Antibiotika aus dem Einzugsgebiet Dresden Definition Input Ambulante Verschreibungen in Dresden Ambulante Verschreibungen außerhalb von DD (ca. 20 % der Gesamtfracht) Anteil der Krankenhauseinträge am Gesamtzulauf zur Kläranlage 100% 0% 2% Azithromycin Verschreibungen in Dresdner Krankenhäusern Daten von 3 Krankenhäusern (ca. 65 % aller Krankenhausbetten im Einzugsgebiet) Starke Unterschiede bei der Relevanz von Antibiotika im Kläranlagenzulauf (s. Grafik) 81% Cefuroxim 17% 18% 15% Clarithromycin Clindamycin Penicillin V 2% Roxithromycin 20% 20% 30% 40% 4% 6% Sulfamethoxazol Trimethoprim Ciprofloxacin Ofloxacin Doxycyclin Amoxicillin 100% 100% Piperacillin Cefotaxim

8 Folie 8 Bilanzierung bzgl. Wiederfindungsrate im KA-Zulauf Erwartungsgemäß geringe Wiederfindungsrate für Beta-Laktame (hellblau) gute Wiederfindung von Cefuroxim (Cephalosporine 2. Generation), Azithromycin, Sulfamethoxazol und Doxycyclin Unsicherheiten: Ausscheidungsraten, Abbau und Sorption in der Kanalisation, Analyse Wiederfindungsraten von Antibiotika im Kläranlagenzulauf 111% 108% 83% 65% 62% 61% 57% 110% 72% 29% 14% 14% 5% Amoxicillin Cefotaxim Cefuroxim Penicillin V Piperacillin Azithromycin Clarithromycin Roxithromycin Ciprofloxacin Ofloxacin Sulfamethoxazol Trimethoprim Doxycyclin

9 Folie 9 Antibiotikaeinträge ins Abwassersystem Antibiotika in Kanalnetz und Kläranlage Resistenzen in der Kläranlage Mustererkennung und Informationssystem Kommunikation und Weiterbildung

10 Folie 10 Dynamik der Antibiotikafrachten bei Trocken- und Regenwetter Q [m3/h] Azithromycin ZEIT [h] Load [mg/h] Frachten unterliegen Trockenwettertagesgang Frachtspitzen bei Regenereignissen

11 Folie 11 Antibiotika-Akkumulation an Feststoffen/Sedimenten Spezifische Beladung bei kleinen Fraktionen am höchsten Mobilisierung schon bei geringen Scherkräften Beladung korreliert mit organischem Anteil an Feststoffen (Glühverlust) Beladung steigt mit Verweilzeit im Kanalnetz lange Trockenperioden problematisch [ngg-1] Ciprofloxacin 500 spec. Load lost on ignition < fraction [micrometer] Mathematische Beschreibung der Akkumulation f(fraktion, Temperatur, TW-Dauer, Glühverlust) [%]

12 Folie 12 Antibiotikakonzentrationen Kläranlagenzulauf Dresden-Kaditz Vergleich Juli/März 2013 (März = 100 %) 140% 120% 24 h Mischproben von je 3 Wochen 100% 80% Unterschiede Verschreibung bzw. Abbau Sorption in der Kanalisation? 60% 40% 20% 0%

13 Folie 13 Verhältnis Ablauf-/Zulauf-Konzentrationen der Kläranlage Dresden % Hypothesen Stets komplett eliminiert: Doxycyclin und Cefotaxim Keine Elimination: Trimethoprim, Fluconazol (Tracer) und Clindamycin-Sulfoxid 100% 80% 60% 40% 20% 0% Juli (heiß) Hochwasser März (kalt) Zunahme der Elimination im Sommer: Cefuroxim und Makrolide Azithromycin, Roxithromycin und Clarithromycin Heterogenes Verhalten nach Starkregen 24 h Mischproben von je 3 Wochen

14 Folie 14 Antibiotikaeinträge ins Abwassersystem Antibiotika in Kanalnetz und Kläranlage Resistenzen in der Kläranlage Mustererkennung und Informationssystem Kommunikation und Weiterbildung

15 Folie 15 Probenahme in beiden Zuläufen der Kläranlage sowie im Ablauf Phänotypische Charakterisierung von antibiotikaresistenten E.coli und Quantifizierung von Antibiotikaresistenzgenen

16 Folie 16 Saisonale Charakterisierung der Antibiotikaresistenzen für E.coli 100 Sommer Frühling %

17 Folie 17 Saisonale Charakterisierung der Antibiotikaresistenzen für E. coli 100 Winter 12/13 Frühling Sommer %

18 Multiresistente Escherichia coli-isolate 2.RiSKWa-Statusseminar Folie 18

19 Multiresistente Escherichia coli-isolate 2.RiSKWa-Statusseminar Folie 19

20 Folie 20 Screening der Antibiotika-Resistenzgene Resistenzgene Sulfonamide β-lactame sul1 sul2 ctx-m-32 oxa58

21 Folie 21 1,0E+05 Saisonale Abundanz spezifischer Resistenzgene im Abwasser ,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 Sul1 Sul2 oxa58 ctx-m-32 1,0E+01 1,0E+00 ALT NEU OUT ALT NEU OUT ALT NEU OUT Frühling Sommer Winter

22 Folie 22 Antibiotikaeinträge ins Abwassersystem Antibiotika in Kanalnetz und Kläranlage Resistenzen in der Kläranlage Mustererkennung und Informationssystem Kommunikation und Weiterbildung

23 Nutzung von Indikatoren zur Vorhersage von Antibiotika-Verschreibungen Google Suchanfragen korrelieren mit Fällen akuter Atemwegserkrankungen ( bzw. Ginsberg et al. 2009, Nature, 457) Fälle akuter Atemwegserkrankungen korrelieren mit Antibiotika-Verschreibungen Absolute Antibiotikaverschreibungen pro Woche Wöchentliche Atemwegsinfektionen und Makrolid-Verschreibungen in Sachsen Fälle von Atemwegsinfektionen pro Einwohner pro Woche Kalenderwochen Fälle Atemwegsinfektionen Azithromycin Clarithromycin Roxythromycin Quelle Grippedaten: Google Flu Trends ( 2.RiSKWa-Statusseminar Folie 23

24 Folie 24 Zeitbasierter Webclient zur Datenvisualisierung und -analyse

25 Folie 25 Antibiotikaeinträge ins Abwassersystem Antibiotika in Kanalnetz und Kläranlage Resistenzen in der Kläranlage Mustererkennung und Informationssystem Kommunikation und Weiterbildung

26 Folie 26 Kommunikation und Weiterbildung Risikokommunikation erfolgt zielgruppenspezifisch: Bevölkerung Fachpublikum mittels: Informationsflyer, Broschüren, Internetauftritt Bundesweite Kommunikation an Fachverbände Präsentation auf Fachveranstaltungen wie Konferenzen und Messen Einbindung der Thematik in die fachliche Aus- und Weiterbildung Veranstaltungen 2013 ( Flyer): Fachtagung zu Antibiotika und Resistenzen am in Dresden 2 Workshops (Analytik und Datenakquise) am in Dresden

27 2.RiSKWa-Statusseminar Folie 27

28 Folie 28 Ausblick Abbauversuche verschiedener Antibiotika Resistenzbildung als Funktion unterschiedlicher Betriebszustände Identifikation möglicher Verfahrensführungen zur Verminderung der Resistenzbildung Stoffspezifische Integration von Eigenschaften, Prozessen und Verfahren Frühwarnsystem basierend auf Metatrends Dissemination Portal, Fachtagungen, Publikationen

29 Folie 29 Vielen Dank - ans BMBF für die Förderung - an die Kolleginnen und Kollegen: Serena Caucci, Luise Hutka, Daniel Kadner, Thomas Käseberg, Rita Knoche, Volker Kühn, Grit Kühne, Norbert Lucke, Conrad Marx, Viktoria Mühlbauer, Reinhard Oertel, Claudia Seiler, Sara Schubert, Patrick Timpel - für Ihre Aufmerksamkeit