Mikrobiologische und molekulargenetische Untersuchungen zu bakteriellen Resistenzen in Abwasserproben verschiedener Herkunft

Hönings, Robert; Dott, Wolfgang; Blank, Lars Mathias; Peltroche-Llacsahuanga, Heidrun

doi:35552

Mikrobiologische und molekulargenetische Untersuchungen zu bakteriellen Resistenzen in Abwasserproben verschiedener Herkunft = Microbiological and molecular genetic studies on bacterial resistances in sewage samples of various origins

Hönings, Robert

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science RWTH Biologie Robert Johannes Hönings

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (vi, 342 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Peltroche-Llacsahuanga, Heidrun (Thesis advisor) ; Blank, Lars Mathias (Thesis advisor)^RWTH* ; Dott, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-10-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-089778
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/673967/files/673967.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/673967/files/673967.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Antibiotika (frei) ; Antibiotikaresistenz (frei) ; Abwasser (frei) ; Krankenhausabwasser (frei) ; Kläranlagen (frei) ; MRSA (frei) ; VRE (frei) ; ESBL (frei) ; AmpC (frei) ; Carbapenemresistenz (frei) ; Risikobewertung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Antibiotika-resistente Bakterien (ARB) stellen ein gravierendes Problem für die Gesundheit von Mensch und Tier dar. Antibiotika-Resistenzgene (ARG) und ARB, die aus anthropogenen Quellen wie klinischen Abwässern und Kläranlagen emittiert werden, sowie der hohe Verbrauch an Antibiotika in Human- und Veterinärmedizin, werden mittlerweile als ernste Bedrohung für die (aquatische) Umwelt angesehen und stark diskutiert. Allerdings reichen aktuelle Untersuchungen bisher nicht für eine aussagekräftige Risikobewertung aus und es mangelt vor allem an einheitlichen Methoden. Über einen Zeitraum von mehr als drei Jahren wurden daher in dieser Arbeit verschiedene Abwässer mittels modifizierten mikrobiologischen und molekulargenetischen Methoden, die ursprünglich aus der klinischen Diagnostik stammen, miteinander verglichen und eine umfängliche Risikobewertung angestrebt. Die Konzentrationen ausgewählter resistenter Erregergruppen mit hoher klinischer Relevanz wurden bestimmt und die Resistenzlagen von mehr als 4000 identifizierten Isolaten phänotypisch und genotypisch analysiert. Die untersuchten Abwässer stammten aus zwei kommunalen Aachener Kläranlagen, von denen nur eine klinische Abwässer aufnimmt, sowie dem zentralen Ablauf des Uniklinikums Aachen und dem Wohngebiet Aachen-Kullen.Die Konzentrationen der Gesamtmenge an kultivierbaren Bakterien und Enterobakterien waren über den gesamten Zeitraum nahezu konstant; höchste Konzentrationen fanden sich in den Zuläufen beider Kläranlagen. Enterobacteriaceae wiesen dabei jederzeit eine 10-fache geringere Konzentration auf. Durch den Klärprozess beider Kläranlagen kam es zu einer signifikanten Reduktion der Bakterienmenge um drei bis vier Zehnerpotenzen. Auch ESBL-bildende Enterobakterien wurden mit Ausnahme der Kläranlagenabläufe jederzeit nachgewiesen und lagen in geringeren Konzentrationen als die Menge an Gesamt-Enterobacteriaceae vor. Nahezu alle Isolate wurden molekulargenetisch als CTX-M1-Produzenten detektiert. Carbapenem-resistente Bakterien (CRB) wurden nur nach vorheriger Selektivanreicherung isoliert, die Abläufe hingegen wiesen auch nach Anreicherung keinerlei CRB auf. Verschiedene Genotypen wurden in den untersuchten Isolaten nachgewiesen (blaOXA-48, blaNDM-1, blaKPC). VRE konnten ausschließlich in den Zuläufen beider Kläranlagen sowie dem Abwasser des Klinikums in vergleichbaren Konzentrationen nachgewiesen werden. Entsprechende Isolate wurden allesamt als E. faecium mit vanA-Geno- und Phänotyp identifiziert. Die Konzentrationen von S. aureus und MRSA lagen dagegen zu jedem Zeitpunkt auch nach Anreicherung unter der kulturellen Nachweisgrenze.Die in dieser Arbeit etablierte neue Methodik liefert repräsentative, reproduzierbare und detaillierte Ergebnisse sowie genauere Einblicke in die Resistenzlage und Gefährdungspotentiale verschiedener Abwässer, so dass vor allem klinische und aus Kläranlagen-stammende Abwässer tatsächlich Hotspots für ARB und ARG darstellen, während die Prävalenz der untersuchten resistenten Erregergruppen in häuslichen Abwässern deutlich geringer ist. Außerdem scheinen die Mengen und die Quellen des in Kläranlagen eingeleiteten Abwassers keinen Einfluss auf die Resistenzlage und Bewertung des Gefährdungsrisikos der Zuläufe zu haben, da beim Vergleich beider Kläranlagen keine signifikanten Unterschiede in der Resistenzsituation feststellbar sind. Durch die hohe Überein-stimmung zu bekannten Daten klinischer Isolate scheint zudem eine indirekte Ableitung der lokalen Resistenzsituation auch über Abwässer möglich zu sein. Der dreistufige Klärmechanismus verläuft darüber hinaus unspezifisch und für beide Kläranlagen hoch effektiv, so dass die Konzentrationen der untersuchten Erregergruppen jederzeit unter der mikrobiologischen Nachweisgrenze liegen und somit eine Gefährdung der angeschlossenen aquatischen Umwelt am Beispiel der beiden Aachener Kläranlagen als sehr gering bzw. unwahrscheinlich angesehen werden kann.

Antibiotic-resistant bacteria (ARB) are a serious problem for the health of humans and animals. Antibiotic resistance genes (ARG) and ARB, which are emitted from anthropogenic sources such as clinical wastewaters and wastewater treatment plants (WWTP), as well as the high consumption of antibiotics in human and veterinary medicine, are now regarded as a serious threat to the (aquatic) environment. However, current investigations are not sufficient for a meaningful risk assessment and there is a lack of uniform methods. Therefore, different wastewaters were compared over a period of more than three years by modified microbiological and molecular genetic methods, which were originally derived from clinical diagnostics, and a comprehensive risk assessment was attempted. The concentrations of different resistant pathogens with high clinical relevance were determined and the resistance patterns of more than 4000 identified isolates were analyzed phenotypically and genotypically. The investigated wastewaters came from two municipal WWTPs, only one of which received clinical effluents, as well as the central sewer of the Aachen University Hospital and the residential area of Aachen-Kullen.The concentrations of the total number of cultivable bacteria and overall enterobacteria were nearly constant over the entire period; highest concentrations were found in the inflows of both WWTPs. Enterobacteriaceae exhibited a 10-fold lower concentration at all times. The treatment process of both WWTPs resulted in a significant reduction in the quantity of bacteria. ESBL-producing enterobacteria were also detected at all times, with the exception of the WWTP effluents, and were present in lower concentrations than the counts of overall Enterobacteriaceae. Almost all isolates were detected as CTX-M1 producers. Carbapenem-resistant bacteria (CRB) were only isolated after previous selective enrichment, whereas no CRB were detected in the effluents of both WWTPs even after enrichment. Different genotypes were detected in the examined isolates (blaOXA-48, blaNDM-1, blaKPC). VRE could be detected exclusively in the inflows of both WWTPs and the sewage of the hospital in comparable concentrations. Corresponding isolates were all identified as E. faecium with vanA genotype and phenotype. In contrast, the concentrations of S. aureus and MRSA were below the cultural detection limit at all times.The new methodology provides representative, reproducible and detailed results as well as more detailed insights into the resistance situation and potential hazards of different wastewaters so that primarily wastewaters from WWTPs and the clinical setting are actually hotspots for ARB and ARG, while the prevalence of the investigated resistant bacteria is significantly lower in domestic effluents. Furthermore, the quantities and the sources of the incoming sewage in WWTPs do not seem to have any influence on the resistance situation and risk-assessment of the inflows, since no significant differences could be observed when comparing both WWTPs. Due to the high correlation with published data from clinical iso-lates, an indirect derivation of the local resistance situation also appears to be possible via wastewaters. The three-stage clarification mechanism is also unspecific and effective for both WWTPs so that the concentrations of the investigated groups of resistant bacteria are always below the microbiological detection limit, and thus a threat to the connected aquatic environment by both WWTPs in Aachen can be regarded as very low or unlikely.

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