Risiken durch Abwässer aus der intensiven Tierhaltung für Grund- und Oberflächenwasser

Transkript

1 Risikomanagement von neuen Schadstoffen und Krankheitserregern im Wasserkreislauf BMBF Verbund Risiken durch Abwässer aus der intensiven Tierhaltung für Grund- und

2 Eintragspfade von Spurenschadstoffen in Trinkwasser und Lebensmittel

3 Verbundpartner Prof. Dr. Wolfgang Dott IHU Institut für Hygiene und Umweltmedizin Prof. Dr. Norbert Räbiger Prof. Dr. Holger Schüttrumpf Frau Prof. Dr. Sabina Jeschke Prof. Dr. Gerd Hamscher Prof. Dr. Peter Kämpfer ILL Institut für Lebensmittelchemie und -biotechnologie IAM Institut für Angewandte Mikrobiologie Frau Ursula Fritzmeier

4 Risiken durch Abwässer aus der intensiven Tierhaltung für Grund- und Arzneimittel (Antibiotika) Futtermittelzusatzstoffe (Cu, Zn) Fragestellung Bakterien(-Population) Bakteriensporen antibiotikaresistente Bakterien Resistenzgene Arzneimittel (Antibiotika) Futtermittelzusatzstoffe (Cu, Zn) Bakterien(-Population) Bakteriensporen antibiotikaresistente Bakterien Resistenzgene

5 Darstellung des Arbeitsprogramms Chemisch/Toxikologisches Monitoring Teilprojekt 2 Schadstoffrückhaltung Wertstoffrückgewinnung Teilprojekt 1 Mikrobiologisch/Molekularbiologisches Monitoring Teilprojekt 3 Abwässer aus intensiver Tierhaltung Natürliche Barrieren Technologische Verfahren Natürliche Barrieren Trinkwasser Wissensmanagement und Risikoabschätzung Teilprojekt 4

6 Analytik : Sulfonamide und Tetracycline ILL Institut für Lebensmittelchemie und -biotechnologie Tetracyclineund Sulfonamide: Die europaweit am häufigsten eingesetzten Veterinärantibiotika Grave et al Isolierung, Charakterisierung und Identifizierung von Metaboliten: PräparativeHPLC, HPLC-Mikrobiologischer Assay, HPLC-HRMS (in Kooperation mit RWTH Aachen) Öktotoxikologische Bewertung der Antibiotika-Restgehalte und möglicher Metabolite

7 Identifizierung relevanter Veterinärantibiotika Zellwandsynthese ß-Lactam-Antibiotika Penicilline: Methicillin, Oxacillin, Piperacillin Cephalosporine: Ceftazidim, Cefuroxim, Ceftriaxon Carbapeneme: Imipenem, Meropenem Ampicillin, Cefquinom, Cephalothin Ceftiofur ß-Lactamase-Inhibitoren: Clavulansäure, Tazobactam, Sulbactam Glykopeptide: Vancomycon, Teicoplanin Folsäure Stoffwechsel DHF- Reduktase-Hemmer Trimethroprim Sulfonamide Sulfamethoxazol Co-Trimoxazol Cytoplasmamembran Colistin Polymyxin Nitrofurane Gyrasehemmstoffe Chinolone: Cipro-, Levo- und Moxifloxacin Enrofloxacin Novobiocin p-aminobenzoesäure Antibiotika in der Veterinärmedizin Zellmembran RNA-Verlängerung Zellwand Actinomycin DNA/RNA-Polymerase Rifampicin Proteinsynthese (50S Untereinheit) Chloramphenicol Makrolide: Erythromycin, Roxithromycin Pristamycine: Quinupristin/Dalfopristin Lincosamide: Clindamycin Pleuromutilin, Tiamulin Proteinsynthese (30S Untereinheit) Tetracycline Tetracyclin Aminoglykoside: Streptomycin, Spectinomycin Gentamicin Glycylcycline Tigecyclin Nitrofurane Proteinsynthese Mupirocin, Puromycin, Fusidinsäure

8 Identifizierung relevanter Veterinärantibiotika * im Humanbereich eingesetzt ** nur über Resistenzen im Umweltbereich nachweisbar Stoffklasse Tetracycline Sulfonamide Fluorquinolone Β-Lactame** Antibiotikum Chlortetracyclin Doxycyclin Oxytetracyclin Tetracyclin Sulfadiazin Sulfadimethoxine Sulfamerazin Sulfamethazin Sulfamethoxazol* Sulfamethoxypyridazin Sulfathiazol Sulfaguanidine Ciprofloxacin Enrofloxacin Lomefloxacin Norfloxacin Ofloxacin Penicillin G Nafcillin Ampicillin Tylosin Trimethroprim

9 Futtermittelzusatzstoffe (Cu, Zn) IHU Institut für Hygiene und Umweltmedizin Stoffklasse Organik Anorganik Schwermetalle Biochemie Toxikologie Einzelverbindungen CSB, DOC, AOX Phenolindexe, lipophilestoffe, KW gesamt NH 4 -N, NO 2 -N, NO 3 -N, PO 4 -P, P ges., Sulfat, Sulfid, Cyanid, Selen, Arsen Hg, Cd, Cr, Ni, Pb, Cu, Co, Zn, Sn, Cr 6+, Ag, V, F, Sb,Ba BSB, Gärpotential (VDI 3475), Gasausbeute (VDI 6030) Leuchtbaktereien, Algen, Daphnien, SOS/UMU

10 Mikrobiologisch/molekularbiologische Parameter Untersuchungsprinzip Indikatororganismen Resistenzen Diversität Resistenzgene Untersuchungsparameter/Methode E. coli, Salmonellaspec., Clostridiumdifficile, Clostridium botulinum, Stapylococcus aureus, Enterokokken, aerobe Sporenbildner MRSA, ESBL, VRE Populationanalysen, Starterkultur-Optimierungen nicht kultivierbare Bakterien Sulfonamide, Tetracycline, ß-Laktam-Antibiotika

11 Mikrobiologisch/molekularbiologisches Monitoring Parameter IHU IAM Institut für Institut für Hygiene und Angewandte Umweltmedizin Mikrobiologie Kultivierungsabhängige und -unabhängige Untersuchung von Umweltprobe zur bakteriellen Diversitätsbestimmung Kultivierungsabhängiger Ansatz Molekularer Ansatz KBE Komplex- und Selektivmedien Genomische DNA Plasmid DNA Antibiogramme Reinkultur Isolieren Plasmid DNA Antibiotika resistenzgene Genomische DNA 16S rrna Gen Sequenzierung Identifikation mikrobiellen Gemeinschaft (16S rrna Gen Klonbibliothek) Abundanz, Identifikation Detektion von Antibiotikaresistenzgenen Quantifizierung von Resistenzgenen

12 Kultivierungsabhängige Methoden Koloniebildende Einheiten in den Gülleproben bestimmen durch Verwendung von Standardmedien, z.b. R2A, CASO -> 100 Isolate pro Probe gewinnen, morphologisch und mittels 16S rrnagensequenzanalyse 1 taxonomisch einordnen Gesamtzellzahlen über DAPI-Analyse 2 IHU IAM Institut für Institut für Hygiene und Angewandte Umweltmedizin Mikrobiologie 1 Lane (1990) In Stackebrandt& Goodfellow(Eds.), Wiley, Chichester, pp Porter & Feig(1980) LimnolOceanogr25:

13 Kultivierungsabhängige Methoden IHU IAM Institut für Institut für Hygiene und Angewandte Umweltmedizin Mikrobiologie Nachweis von pathogenen Gattungen bzw. Arten in der Gülle Anzucht auf Selektivmedien: - Nachweis Escherichia coli Eosin-Methylenblau-Agar (EMB-Agar)* - Nachweis Salmonella Salmonella Shigella Agar (SS-Agar)* - Nachweis Staphylococcus Mannit-Kochsalz-Agar* - Nachweis Clostridium Blut-Agar*, pasteurisierte Gülle E. coli auf EMB-Agar E. coli (links) und Salmonella Typhimurium(rechts) auf SS-Agar Staphylococcusaureusauf Mannit-Kochsalz-Agar Clostridium perfringens auf Blut-Agar *Medien sind kommerziell erhältlich

14 Kultivierungsabhängige Methoden IHU Institut für Hygiene und Umweltmedizin Anteil resistenter Bakterienisolate aus unterschiedlichen Rindergüllen ökologisch konventionell Trimethoprim / Sulfamethoxazol Tilmicosin Tiamulin Tetracyclin Spectinomycin Penicillin Neomycin Gemtamicin Florfenicol Erythromycin Enrofloxacin Colistin Clindamycin Cephalothin Ceftiofur Cefquinom Apramycin Ampicillin Amoxizilin / Clavulansäure Anzahl der Bakterien in % (n=90) Anzahl der Bakterien in % (n=90) Sensibel Intermediär Resisten

15 Kultivierungsunabhängige Methoden IHU Institut für Hygiene und Umweltmedizin Nachweis von Antibiotika-Resistenzen: Untersuchung mehrerer Antibiotika-Resistenzgene mittels PCR und Real-time PCR -Nachweis Tetracycline z.b. tet(w) und tet(o) Gene 1 Methode: Real-time PCR, TaqManAnsatz 1, Primer sind in der Literatur beschrieben 2 -Nachweis Sulfonamide z.b.suli 1 Methode: Real-time PCR, TaqManAnsatz 1, Primer sind in der Literatur beschrieben 3 1 Munir & Xagoraraki(2011) J EnvironQuality40: Aminovet al.(2001) ApplEnviron Microbiol67: Peyet al. (2006) WaterRes40:

16 Kultivierungsunabhängige Methoden IAM Institut für Angewandte Mikrobiologie Nachweis von Antibiotika-Resistenzen: Untersuchung mehrerer Antibiotika-Resistenzgene mittels PCR und Real-time PCR - Nachweis ESBL (extended spectrum beta-lactamase) z.b. CTX-M ESBL -> Real-time PCR, TaqManAnsatz 1 (CTX-M Typ in Enterobacteriaceae vermutlich weltweit am häufigsten) z.b. SHV ESBL -> Real-time PCR, TaqManAnsatz 2 (Ursprung: SHV-Enzym, welches häufig in Klebsiella pneumoniae gefunden wird, sind inzwischen u.a. in E.coli und Pseudomonas aeruginosa zu finden) 1 Birkettet al.(2007)jmed Microbiol56: Alfaresi& Elkoush(2010) Indian J Med Microbiol28:

17 Technologische Verfahren als Barrieren Standorte der Biogasanlagen Biogasanlagen Michvieh Rindermast Festmist Geflügel Ort / Region Selfkant Kassel München Kassel Bremen Selfkant Schweinemast Lebensmittelabfälle + Gülle (NaWaRo) Kassel Hameln, München Selfkant Kassel

18 Technologische Verfahren als Barrieren Technikentwicklung zur nachhaltigen Rückhaltung wassergefährdender Stoffe (Biozide, Pharmaka, Schwermetalle, antibiotikaresistente Keime) selektiven Abtrennung im Wasser enthaltener Wertstoffe (Stickstoffe, Phosphor, Kupfer) aus dem flüssigen Reststoffstrom von Biogasanlagen.

19 Strahlzonenschlaufenreaktor (SZR) -Funktionsprinzip Ausbildung der unteren Schlaufenströmung (mittels Energieeintrag) Substrat Sauerstoff Bakterienflocke Konzentrationsprofile in einer Bakterienflocke (Strahlzone) Grenzschicht Substrat Sauerstoff oberes Einsteckrohr Vermischungsrohr Zweistoffdüse Ausbildung der oberen Druckluft Schlaufenströmung (aufgrund hydrodynamischer Betriebsbedingungen) Abwasser Reakt ktionszone Dispergierung der Gasphase in der flüssigen Phase durch Zweistoff-Düse (Vermischung) Bakterienflocke Prallplatte Stoffaustauschzone Abwasser Konzentrationsprofile in einer Bakterienflocke (Reaktionszone) Grenzschicht Abwasser unteres Einsteckrohr Prof. Dott - RiskWa

20 Beispiel: Abwasserbehandlung einer Biogasanlage Zweistufige Pilotanlage: Strahl-Zonen-schlaufen-Reaktor (SZR) Membran-Schlauch-Modul-Reaktors (MSM) Weitgehender Abbau der Stickstofffracht durch Nitrifikation und Denitrifikation in einem Prozessschritt Metalllösung und Phosphorrückgewinnung durch Bioleaching und saure Poly- und Eisen-Phosphatfixierung in einem Prozessschritt

21 Natürliche Barrieren: Experimentelle Untersuchungen an Bodensäulen Untersuchung von Transportprozessen in Boden/Grundwasser unter zyklischen Belastungen (Belastungsphasenund Durchsickerungnach Niederschlag und Eintrag von Stoffen in den Boden) Engmaschige Analytik Ergänzung der Datengewinnung zu Stoffströmen und Eliminierungsraten Untersuchung der Skalierbarkeit von Transportprozessen, Metabolisierung durch Bodenorganismen etc. von kleinskaligen zu großskaligen Bodensäulen Verifikationsbeispiel für die numerische Modellierung der Transport-, Umwandlungs-und Sorptionsprozesse Versuchszylinder Ø 2,0 m Beregnung Güllebeschickung Ungesättigte Bodenzone Gesättigte Bodenzone Verortung der experimentellen Anlage: Versuchshalle des IWW, RWTH Aachen Versickerung & Vertikaltransport Durchströmung& Horizontaltransport Vertikaltransport

22 Numerische Modellierung von Transportvorgängen im Grundwasser Ziel ist der Lückenschluss zwischen Emission von Schadstoffen und der möglichen Schadwirkung im Wasserkreislauf, welcher durch die Abbildung von Transportprozessen im Grundwasser erfolgt Entwicklung eines für die betrachtete Fragestellung geeigneten Konzepts zur Strömungs-und Stofftransportmodellierung im Grundwasser (Modellverfahren), unter Betrachtung von Kopplungsprozessen mit Oberflächengewässern Implementierung von zielgerichteten Stofftransport-und Stoffumsatzansätzen in ein numerisches Modellierungswerkzeug Verifikation der Modellansätze an einer experimentellen Bodensäule (vgl. Baustein 2 des IWW) Aufbau von numerischen Modellen für die Fokusgebiete Szenarienberechnungen zur Untersuchung von Handlungsoptionen und Risiken Verfügbarmachung der Erkenntnisse für das Risikomanagement (RM-DSS) und die Erarbeitung von Handlungsdirektiven

23 Handlungsorientierter Wissenstransfer Implementierung der Wissensplattform Wissensidentifikation und -aufbereitung Identifizierung, Kategorisierung und Aufbereitung der in den Teilprojekten erzielten Ergebnisse (zzgl. der vorliegenden Erfahrungen der Akteure aus der Praxis) Die in den Teilprojekten 1 bis 3 erzielten Ergebnisse zzgl. der vorliegenden Erfahrungen der Akteure aus der Praxis werden identifiziert und kategorisiert. Im Anschluss erfolgt die Aufbereitung der Ergebnisse in Form von Wissensanwendungs-bzw. Wissensentwicklungslandkarten. Ein Wissensmodell (in Gestalt eines semantischen Netzes) wird zur Sicherstellung der gemeinsamen Wissensbasis aufgebaut und ständig erweitert. Informationstechnologische Umsetzung Aufbau des informationstechnologischen Wissensportals auf Basis des entwickelten Wissensmodells (Abbildung des semantischen Netzes) Passende Wissenszugänge und -instrumente werden allen am Projekt beteiligten Institutionen zur Verfügung gestellt. Die Inhalte auf der Plattform werden ständig ergänzt bzw. vervollständigt. Die bereitgestellten Informationen bilden die Grundlage für die Erstellung der Handlungsdirektiven im folgenden Arbeitspaket

24 Handlungsorientierter Wissenstransfer Erstellung der Handlungsdirektiven unter Einbindung der relevanten Akteure Aufbereitung der Projekterkenntnisse unter Einbindung der relevanten Akteure Projektergebnisse werden durch die projektexternen relevanten Akteure einem Qualitätsfeedback unterzogen (Pre-Test): Konkrete Erfahrungen aus der Praxis fließen in die Handlungsdirektiven ein. Mögliche Schwachstellen einer praktischen Umsetzung der Projektergebnisse werden frühzeitig aufgedeckt. Erstellung der Handlungsdirektiven und Risikoableitung Erstellung von zielgruppen-und problemspezifischen Handlungsdirektiven zur bedarfsgerechten Verwendung der erzielten Ergebnisse in der Praxis: Die ständige Verfahrensoptimierung wird sichergestellt. Auf diesem Wege wird eine frühzeitige Risikoabschätzung bzw. -vermeidung ermöglicht.

25 Ergebnisse Biogasanlagen SZR,MSM (anaerober Prozess) (aerobe Prozesse) Chemisch/Toxikologisches Monitoring Teilprojekt 2 Schadstoffrückhaltung Wertstoffrückgewinnung Teilprojekt 1 Mikrobiologisch/Molekularbiologisches Monitoring Teilprojekt 3 Abwässer aus intensiver Tierhaltung Natürliche Barrieren Technologische Verfahren Natürliche Barrieren Trinkwasser Boden -, Grundwasserpassage Wissensmanagement und Risikoabschätzung Teilprojekt 4 Boden-, Grundwasserpassage

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.