Antibiotikaresistenzen in Abwasser und Gewässern. Dr. Helmut Bürgmann, Abteilung Oberflächengewässer

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1 Antibiotikaresistenzen in Abwasser und Gewässern Dr. Helmut Bürgmann, Abteilung Oberflächengewässer

2 Antibiotikaresistenz - ein globales Problem Zunehmende Häufigkeit von antibiotikaresistenten Erregern % resistant 10.00% 9.50% 9.00% 8.50% 8.00% 7.50% 7.00%

3 Entstehung von Resistenzen Mutation and Selektion: Selektion Selektion (Antibiotika) (Antibiotika) o Zufällige genetische Mutationen erhöhen Resistenz o Einsatz von Antibiotika eliminiert sensitive Population o Wiederholter Antibiotikaeinsatz: Akkumulation weiterer Mutationen

4 Entstehung von Resistenzen Erwerb von Resistenzen durch Gentransfer: qnra Shewanella alga Klebsiella pneumoniae

5 Verbreitungswege o Humanmedizin & klassische Epidemologie Cantas et al. 2012;Frontiers in Microbiology

6 Verbreitungswege o Humanmedizin & klassische Epidemologie o Veterinärmedizin & Tierzucht Cantas et al. 2012;Frontiers in Microbiology

7 Verbreitungswege o Humanmedizin & klassische Epidemologie o Veterinärmedizin & Tierzucht o Umwelt Wasser & Landwirtschaft Cantas et al. 2012;Frontiers in Microbiology

8 Verbreitungswege Konsum, Kontakt Tierhaltung Aquakultur Bevölkerung Spitäler Pharma-Industrie o Humanmedizin & klassische Epidemologie o Veterinärmedizin & Tierzucht o Umwelt Wasser & Landwirtschaft o Eintrag von Antibiotikaresistenz und Antibiotika Gülleapplikation Boden Bewässerung Sickerung und Erosion Gewässer Aquifer Abwasserreinigungsanlagen Trinkwasser

9 Abwasserreinigungsanlagen «Hotspot» für Resistenzen? o Reinigungswirkung der ARA? o Gute Bedingungen für Evolution / Selektion? Resistenten Bakterien (Fäkalien) Antibiotika (Spurenschadstoffe) Toxine (Desinfektionsmittel, Schwermetalle) Hohe Zelldichten Diverse Bakterienpopulation Umweltkompetente Bakterien?

10 Unsere Motivation Risiken von Resistenzen in Abwasser und Umwelt Kurzfristig: o Freisetzung resistenter Krankheitserreger Langfristig: o Weiterverbreitung von Resistenzen in (harmlosen) Umweltbakterien und eventuell Weitergabe an Krankheitserreger o o Förderung der Ausbreitung von Resistenzen in harmlosen Darmbakterien innerhalb der Bevölkerung, erleichterter «Zugang» für Krankheitserreger Neukombination oder Evolution von Resistenzen, Mobilisierung natürlicher Resistenzgene und anschliessende Weitergabe an Krankheitserreger

11 Untersuchungen an Schweizer ARAs ARA eliminieren Bakterien und resistente Keime o ARA: Reduktion von (multi)resistenten Bakterien um 90-99% Bühler Bühler Basel Ind. Brusio Zulauf Brusio Basel Ind. Uerikon Ablauf Bühler Buttisholz Brusio Zulauf Basel Ind. Brusio Ablauf Czekalski et al. 2012; Czekalski, unpublished data

12 Untersuchungen an Schweizer ARAs Fluorochinolone o Auch geringe Antibiotika- Konzentrationen können selektierend wirken nmol / L Summe Fluorochinolone - Zufluss R² = sul1 / 16S nmol / L Summe Fluorochinolone - Abfluss 600 R² = sul1 / 16S

13 Untersuchungen an Schweizer ARAs Macrolide o Auch geringe Antibiotika- Konzentrationen können selektierend wirken o Co- oder Kreuzresistenz nmol / L Summe Macrolide - Zufluss R² = sul1 / 16S nmol / L Summe Macrolide - Abfluss 1200 R² = sul1 / 16S

14 Eintrag von Resistenzen in unsere Gewässer Beispiel 1: Sediment im Genfersee o Bis zu 300 mal mehr resistente Bakterien an der Einleitungsstelle Sufonamidresistenz (abs) Quecksilber (Hg) Sufonamidresistenz (rel) Czekalski et al. 2014, ISME J

15 Eintrag von Resistenzen in unsere Gewässer Beispiel 2: Spuren im Sedimentarchiv Genfersee, Rhonecanyon o Bakterielle Sporen bilden ein abbauresistentes genetisches Archiv o Historische Zunahme der Resistenzhäufigkeit deutlich sichtbar. Zhanna Bayrychenko, Pilar Junier, U. Neuchâtel

16 Eintrag von Resistenzen in unsere Gewässer Beispiel 3 Schweizer Seen o Gibt es in Seen mit starkem anthropogenem Einfluss mehr Resistenzen? o 21 Seen mit und ohne ARA im Einzugsgebiet Czekalski et al. 2015, Env. Int.

17 Eintrag von Resistenzen in unsere Gewässer Beispiel 3 Schweizer Seen o Häufigkeit von Reistenzgen sul1 ist in Seen mit ARA-Einfluss erhöht 1.00E E E E E E E E E E E E E E E E+00 Impacted tetw sul1 Unimpacted

18 Eintrag von Resistenzen in unsere Gewässer Beispiel 3 Schweizer Seen 11 Seen mit ARA Einfluss o Seen mit überdurchschnittlich hohen Konzentrationen von Resistenzgenen haben meist ARA im Einzugsgebiet o Die sul1 Häufigkeit korreliert mit der Abwassermenge im Zufluss sul1 2 3 tetw Seen

19 Eintrag von Resistenzen in unsere Gewässer Beispiel 4: Schweizer Fliessgewässer sul1, tet(w)/16s o Resistenzgene nehmen unterhalb der Einleitungen zu o Mehr als nur ein Mischungseffekt sul1,tet(w) / 16S Genkopien 1e+0 1e-1 1e-2 1e-3 1e-4 1e-5 1e-6 1e-7 sul1 1e-8 tet(w) 1e WTP in WTP out upstream downstream

20 Lassen sich Resistenzen aus dem Abwasser entfernen? Beispiel 1: Pulveraktivkohle-Ultrafiltration o Pulveraktivkohle entfernt Antibiotika aber keine Bakterien o Ultrafiltration ist effiziente Barriere für Keime o Nachteil: Teuer, Umgang mit Filtrat / Rückspülung CFU / L 1.00E E E E E+01 Sul/Trm/Str Nor/Cef resistant 1.00E+00 WWTP in Bio out Bio+DN out PAC-UF

21 Lassen sich Resistenzen aus dem Abwasser entfernen? Ozonung OR 1 o Laborversuche (Kinetik) o Untersuchungen an der ARA Dübendorf SE OR 2 SF

22 Lassen sich Resistenzen aus dem Abwasser entfernen? Ozonung o Resistente Bakterien werden stark reduziert o Wiederbesiedlung im Sandfilter

23 Lassen sich Resistenzen aus dem Abwasser entfernen? Ozonung o Resistenzgene werden nicht zerstört o Insgesamt nur geringe Vorteile, Verbesserungspotential 1.E+8 1.E+6 Genkopien [ml -1 ] 1.E+4 1.E+2 16S_457 bp sul1_827 bp 1.E+0 SE OR1 OR2 SF

24 Fazit Antibiotikaresistenzen in Abwasser und Gewässern o Resistenzen gelangen trotz ARA in die Gewässer o Ausbreitung in der Umwelt ist nachweisbar o Abschätzungen der tatsächlichen Risiken müssen entwickelt werden o Technische Entfernung von Resistenzen aus Abwasser ist möglich

25 Dank o Nadine Czekalski o Urs v. Gunten o Karolin Schweichler o Marjan Veljkovic o Karin Beck o José Santos o S. Imminger o F. Hammes o E. Salhi o H.R. Sigrist o J. Fleiner o C. McArdell o H. Singer o C. Stamm o Allen mitarbeitenden ARAs (Neugut)