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Forschergruppe (FOR) 5095: Interaktionen von Schadstoffen, Antibiotikaresistenz und Pathogenen in einem sich ändernden Abwasserbewässerungssystem, Teilprojekt: Bedeutung von natürlichen Nanopartikeln und Kolloiden für die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Antibiotika im Boden

Natürliche Kolloide, einschließlich Nanopartikel, sind in der Umwelt ubiquitär und wichtige Sorptionspartner für Arzneimittel wie Antibiotika. Es ist jedoch fast nichts darüber bekannt wie Abwasserbehandlung sowie Bodentyp die Prävalenz von Kolloiden und kolloidassoziierter Antibiotika modulieren. Auch Auswirkungen von Kolloiden auf die Bioverfügbarkeit von Antibiotika im Boden sind unklar. Wir stellen die Hypothese auf, dass i) große Teile der Antibiotika im Abwasser, im Boden und im Sickerwasser an Kolloide gebunden sind, und dass ii) eine Veränderung der Abwasserqualität sowie iii) verschiedene Bodentypen die Zusammensetzung der Kolloide sowie den Anteil der daran gebundenen Antibiotika verändern. Wir gehen davon aus, dass iv) die Bindung von Antibiotika an Kolloide deren Bioverfügbarkeit und die Selektion von Antibiotikaresistenzgenen verringert, während die Pflanzenaufnahme von Antibiotika nicht durch Abwasserbehandlung beeinflusst wird, da dadurch zwar geringere Gesamtkonzentrationen verglichen zum unbehandelten Abwasser erreicht werden, diese jedoch besser verfügbar sind. Um diese Hypothesen zu testen, werden wir i) Antibiotika in der kolloidalen und echt gelösten Phase von unbehandeltem Abwasser, Boden und Sickerwasser des Säulen- und Feldexperiments im Phaeozem analysieren. Um Veränderungen in der Kolloid-Antibiotika Assoziation aufzuklären, die ii) durch Veränderungen der Abwasserqualität und iii) des Bodentyps verursacht werden, werden wir Antibiotika in gelöster und kolloidaler Form in mit behandeltem und unbehandeltem Abwasser bewässerten Leptosolen und Vertisolen analysieren (Säulen- und Feldexperiment). Die Auswirkungen von iv) Kolloiden auf Bioverfügbarkeit und Selektion von Antibiotikaresistenzgenen, wird durch ein Satellitenexperiment zusammen mit SP 3 bewertet, in dem minimale Hemmkonzentrationen und Wachstumskurven für Bakterien in Lösungen in An- und Abwesenheit von Bodenkolloiden bestimmen werden. Um reale Böden mit unterschiedlichen Kolloidzusammensetzungen aus verschiedenen Bodentypen einzubeziehen, werden wir dort zusätzlich Antibiotikakonzentrationen sowie minimale selektive Konzentrationen unter Verwendung isogenresistenter und anfälliger Stämme in der echt gelösten und kolloidalen Fraktion des zentralen Inkubationsexperiments bestimmen. Die v) Pflanzenaufnahme von Antibiotika wird im zentralen Säulen- und Feldversuch quantifiziert. Zum besseren Verständnis der an der Antibiotikabindung beteiligten Kolloidphasen erfassen wir die kolloidale Größenverteilung sowie ihre Zusammensetzung mittels Feldflussfraktionierung für alle Abwasser- und Bodenproben. Die Verknüpfung der Informationen über Kolloid-Antibiotikum-Wechselwirkungen mit den Gesamtkonzentrationen (SP 2) und mikrobiologischen Parametern aus den anderen Teilprojekten liefert eine einmalige Chance, erstmalig ein tieferes Verständnis zu erhalten, welche Rolle Kolloide für die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Antibiotika in Böden unter Abwasserbewässerung spielen.

Forschergruppe (FOR) 5095: Interaktionen von Schadstoffen, Antibiotikaresistenz und Pathogenen in einem sich ändernden Abwasserbewässerungssystem, Teilprojekt: Einfluss der Qualität des Bewässerungswassers und des Bodentyps auf das Boden- und Pflanzen-assoziierte Mikrobiom, die Abundanz, Diversität und Übertragungsfähigkeit von Antibiotikaresistenzgenen in Gram-positiven Bakterien

In vielen Teilen der Erde ist Abwasserbewässerung eine gängige Praxis. Bewässerung mit ungeklärtem Abwasser resultiert in der Akkumulation von Rückständen von Pharmaka und Desinfektionsmitteln in Böden. Wechsel von Bewässerung mit ungeklärtem zu geklärtem Abwasser ist in vielen Ländern im Gang, so auch im Mezquital Tal in Mexiko. Über die Dynamik der mikrobiellen und chemischen Kontaminanten sowie der Antibiotikaresistenz-Gene als Folge der Veränderung des Bewässerung-Regimes ist jedoch nur wenig bekannt. Wir postulieren, dass die Vorteile des Wechsels des Bewässerungsregimes auf Flächen, die für lange Zeit mit Abwasser bewässert wurden, in der Übergangsphase marginal sind, da 1.) der Wechsel des Bewässerungswassers Schadstoffe freisetzt, die sich im Boden akkumuliert haben, 2.) die Schadstoffkonzentrationen, die im ungeklärten bzw. geklärten Abwasser vorliegen bzw., die von den Böden freigesetzt und den Pflanzen aufgenommen werden, groß genug sind, um auf Antibiotikaresistenzbildung zu selektieren und Resistenzübertragung im Boden und in den Pflanzen zu induzieren und 3.) die Freisetzung der Schadstoffe und die damit verbundene Selektion für Antibiotikaresistenzen vom Bodentyp abhängt. SP 4 wird diese Hypothesen mit 3 verschiedenen Bodentypen, Leptosol, Phaeozem und Vertisol für häufig eingesetzte Antibiotika, die sich in Struktur und Wirkmechanismus unterscheiden, Sulfamethoxazol, Trimethoprim, Ciprofloxacin, Clindamycin, Erythromycin, Azithromycin und für Desinfektionsmittel, die zu den quaternären Alkylammoniumverbindungen gehören (Alkyltrimethylammonium-, Dialkyldimethylammonium- und Benzylalkylammonium-Verbindungen), in 3 gemeinsamen Versuchen in der Forschungsgruppe untersuchen. Wir werden den Einfluss von variierenden Schadstoffkonzentrationen auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und die Abundanz von pathogenen Gram-positiven Bakterien in ungeklärtem, geklärtem Abwasser, in Boden- und Pflanzenproben mit kulturunabhängigen Methoden (Kooperation mit SP 5) analysieren. Wir werden die Konzentrationen von Antibiotikaresistenz-Genen und konjugativen Plasmiden mit quantitativer real-time PCR in Abwasser, geklärtem Abwasser, Boden- und Pflanzenproben (Kooperation mit SP5) bestimmen, konjugative Resistenzplasmide von Gram-positiven pathogenen Bakterien sequenzieren (Kooperation mit SP 6) und ausgewählte Plasmide an SP 3 für „Minimale Selektive Konzentration“-Tests übergeben. Außerdem werden wir horizontale Transferraten für Antibiotikaresistenz-Gene zwischen Gram-positiven Bakterien in Abwasser-, Boden- und Pflanzenproben (Kooperation mit SP 5) mit einer von SP 4 entwickelten Methode ermitteln. Auf diese Weise liefert SP 4 mikrobielle und Resistenzdynamik-Daten für das von SP7 zu entwickelnde konzeptuelle und quantitative Modell und trägt zum ganzheitlichen Verständnis des Einflusses der Abwasserqualität auf die Wechselwirkungen zwischen Schadstoffen und Antibiotika-resistenten Bakterien in Abwasserbewässerungssystemen bei.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Erforschung einer Quelle multiresistenter Bakterien -- Antibiotikaresistenz im Boden und seine Verknüpfung mit unterschiedlichen Landnutzungstypen und -intensitäten

Humanpathogene Bakterien, die Resistenzen gegen mehrere Antibiotikaklassen aufweisen, stellen ein Risiko für die öffentliche Gesundheit dar und werden als eine der größten globalen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts betrachtet. Einige der Resistenzgene dieser Bakterien wurden im Boden, der ein großes Reservoir von Antibiotikaresistenzen darstellt, aufgespürt und könnten z.B. über das Grundwasser oder Wildtiere verbreitet werden. In diesem Projekt soll die Dynamik des Antibiotikaresistenzpools im Boden entlang eines breiten Spektrums von Landnutzungstypen und -intensitäten innerhalb der drei Biodiversitäts-Exploratorien untersucht werden. Um eine robuste Abschätzung von Landnutzungseffekten auf die Abundanz von Antibiotikaresistenzgenen zu erlangen, wird Boden-DNA von allen Grünland-EP Und Wald-VIP Plots mittels quantitativer Echtzeit-PCR analysiert. Landnutzungsinduzierte Veränderungen von Gemeinschaftsprofilen antibiotikaresistenter Bodenbakterien werden innerhalb eines Mikrokosmenexperimentes aufgedeckt. Dieses Experiment schließt die Quantifizierung und Erfassung der zeitlichen Dynamik bakterieller Gemeinschaften ein. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Erfassung landnutzungsbedingter Variationen des Vorkommens von Plasmiden, da diese mobilen genetischen Elemente eine wesentliche Quelle für Antibiotikaresistenzgene sind und zu deren Verbreitung beitragen. Diesbezüglich wird die Abundanz von IncP-1 Plasmiden, die mehrere Antibiotikaresistenzen kodieren können und Gentransfer zwischen entfernt verwandten Bakterien erlauben, bestimmt. Die Gesamtdiversität Antibiotikaresistenz-vermittelnder zirkulärer Plasmide wird unter Verwendung einer long-read-Sequenzierungstechnologie abgeschätzt. Außerdem wird eine funktions-basierte Durchmusterung von zuvor konstruierten Bodenmetagenombanken vorgenommen. Dadurch werden Unterschiede der Vielfalt von Antibiotikaresistenzgenen und -mechanismen zwischen analysierten Landnutzungsintensitäten enthüllt. Kenntnisse über Antibiotikaresistenz in Böden, die unterschiedlichen Landnutzungstypen und -intensitäten ausgesetzt sind, werden dringend benötigt, um Konsequenzen anthropogener Aktivitäten bzgl. der Ausbreitung von multiresistenten Bakterien vorhersagen zu können. In diesem Projekt werden Auswirkungen von Landnutzung auf das Antibiotikaresistenz-Reservoir und -Transferpotential des Bodens untersucht. Zudem werden Korrelationen zwischen der Antibiotikaresistenz im Boden und abiotischen (z.B. Konzentrationen von Schwermetallen) sowie biotischen Faktoren (z.B. Abundanz pilzlicher Taxa) aufgedeckt.

Deutsch-Costa-Ricanisches Zentrum für Klimaanpassung und Infektionskrankheiten, Deutsch-Costa-Ricanisches Zentrum für Klimaanpassung und Infektionskrankheiten

Erforschung, Herstellung und Vertrieb von nachhaltigen antimikrobiellen Stoffen und deren Herstellungsverfahren

Zielsetzung: Die Verwendung von chemischen antimikrobiellen Stoffen wie Antibiotika, Pestiziden und Kupfer in der Landwirtschaft führt zu erheblichen Umwelt- und Gesundheitsproblemen. Die Rückstände dieser Stoffe verbleiben im Boden und im Wasser und beeinträchtigen die Lebensfähigkeit von Mikroorganismen. Sie stören das natürliche mikrobielle Gleichgewicht in der Umwelt, verringern die biologische Vielfalt und ökologische Funktion, schädigen nützliche Organismen, verunreinigen Trinkwasservorräte und führen zu Bodendegradation und Nährstoffverarmung. Besonders besorgniserregend ist jedoch, dass der nicht-zielgerichtete Einsatz von chemischen antibakteriellen Stoffen zur Resistenzentwicklung von Bakterien und deren Ausbreitung geführt hat. Tatsächlich haben sich die Antibiotikaresistenzen laut WHO zu einer der größten Bedrohung für die öffentliche Gesundheit entwickelt. Resistente Bakterien fordern pro Jahr ca. 1,4 Mio. Opfer (10 Mio. Menschen p.a. im 2050). Besonders der großflächige, ungezielte Einsatz von Antibiotika und Pestiziden in der Landwirtschaft, wird für die Entstehung solcher Resistenzen bei Bakterien verantwortlich gemacht. Medea Biopharma GmbH ist ein Biotechnologieunternehmen, das eine neue Generation nachhaltiger und umweltfreundlicher antibakterieller Lösungen auf Basis von Bakteriophagen (kurz: Phagen) entwickelt, um die globale Krise der antimikrobiellen Resistenz zu bekämpfen. Phagen sind sichere, hochspezifische und natürliche Mikroorganismen, die gezielt Bakterien abtöten. Sie sind biologisch abbaubar, umweltfreundlich, hinterlassen keine schädlichen Rückstände und können sich an bakterielle Resistenzen anpassen. Das Ziel des Unternehmens ist es, eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen chemischen antibakteriellen Mitteln anzubieten. Fazit: MEDEA hat im vergangenen Jahr zentrale Meilensteine beim Aufbau des Labors, der Forschung & Entwicklung erreicht. Gleichzeitig wurde eine klare strategische Positionierung im Veterinärbereich vorgenommen. Daraus resultierte die Auswahl zweier priorisierter Arzneimittelprojekte für Haustiere. Die Entwicklung erster Produktkandidaten wurde gestartet, Regulatorische Analysen und Planungen durchgeführt, erste Fördermittel gesichert und strategische Partnerschaften vorbereitet. Auch auf unternehmerischer Ebene konnte MEDEA internationale Sichtbarkeit erlangen - durch Auszeichnungen bei renommierten Start-up- und Branchenwettbewerben, Teilnahme an internationalen Förderprogrammen. In den kommenden Monaten liegt der Fokus auf den regulatorischen Angelegenheiten, auf dem Aufbau eigener Produktionskapazitäten sowie auf der Weiterentwicklung anvisierter Produkte.

Urban Resistom

The proposed project is a research cooperation between the TU Dresden’s chair of Urban Water Management and the chair of Hydrobiology. The project aims to detect and quantify the contribution of a city’s sewer system on the spread, dynamics and seasonality of antibiotics and antibiotic resistance genes within an urbanized water body. Antibiotic resistance represents a high risk to human health as well as the public health system, due to their presence in, or acquisition by, pathogenic and/or opportunistic bacteria occurring in the environment. One among other emission sources of resistant strains into the environment is the sewer network, which should be exemplary investigated at our study site, the Lockwitzbach catchment within the city of Dresden. Six monitoring stations are already in operation there, equipped with online sensors for water quantity. Four out of six are recording water quality, including auto samplers. Two of the stations are dedicated to river monitoring, four further stations were mounted within the sewer system at rain water outlets and at a combined sewer overflow (CSO) structures, draining into Lockwitzbach. This monitoring network will be used and enhanced for the detection and sampling of specific contributions from the urban drainage network on the presence and dispersion of antibiotic resistances. Event-based and seasonal sampling campaigns coupled with analysis on chemical and microbiological parameters should be performed on water and biofilm samples to detect contribution patterns from the sewer outlets together with seasonal trends in composition and presence of antibiotic resistance in the bacterial community. Furthermore, emission pathways and the remaining of heavy metals from the sewer network, that also select for antibiotic co-resistancence, will be under examination. A particle transport model for the sewer catchment will be coupled with a hydraulic model for stream and sewer network and calibrated to predict gained water quality parameters as well as antibiotic resistant gene discharge patterns. Different treatment methods will be implemented in the model and evaluated. These results will yield valuable information on possible emission scenarios and pathways, as well as their importance on the spread of antibiotic resistance in the aquatic environment.

Künstliche Grundwasseranreicherung als Hybridverfahren als Adaptierungsstrategie für eine resistente und nachhaltige Grundwasserressource, Teilprojekt 2

Überwachung neu auftretender antimikrobieller Resistenzen durch Charakterisierung des unerforschten Umweltresistoms, Anteil Dresden

Verbesserung und Entwicklung von Methoden zur routinemaessigen Pruefung der mutagenen und cancerogenen Wirkung von Chemikalien in unserer Umwelt

Entwicklung von Saeuger-Zell-Linien, in denen nebeneinander unterschiedliche Mutationsarten, die auf verschiedenen Genen basieren, erfasst werden (Mehrzweck-Zellinien). Die untersuchten Merkmale gliedern sich in definierte biochemische Eigenschaften, wie Resistenz gegen Antibiotika, Hormone, Toxine, und in komplexere Merkmale wie veraenderte Wachstumseigenschaften, die auch fuer die Transformation einer Normalzelle in eine Krebszelle charakteristisch sind. Einfluss von Mutagenen und Cancerogenen auf genetisch determinierte Serum- und Urinbestandteile von Maeusen. Dabei werden insbesondere Nucleinsaeurecataboliten (modifizierte Nucleoside) und Serumproteine bestimmt.

Forschergruppe (FOR) 5095: Interaktionen von Schadstoffen, Antibiotikaresistenz und Pathogenen in einem sich ändernden Abwasserbewässerungssystem, Teilprojekt: Auswirkungen von Bewässerungswasserqualität und Bodentyp auf das boden- und pflanzenassoziierte Mikrobiom, Abundanz, Diversität und Übertragbarkeit von Antibiotikaresistenzgenen in gramnegativen Bakterien

Wiederverwendung von Abwasser (AW) in landwirtschaftlicher Bewässerung ist eine effiziente Möglichkeit, Wasser zu sparen und die Nahrungsmittelproduktion für eine wachsende Bevölkerung unter den Bedingungen des Klimawandels zu steigern. Infrastrukturinvestitionen führen in vielen Ländern zu einer Verlagerung von Bewässerung mit unbehandeltem AW hin zu behandeltem AW. SP 5 wird dazu beitragen, die Hypothesen zu prüfen, dass i) die Umweltkonzentrationen von Schadstoffen, die aus dem Boden freigesetzt und von Pflanzen aufgenommen werden, hoch genug sind, um Antibiotikaresistenzen zu selektieren und horizontalen Gentransfer (HGT) in Böden und Pflanzen auszulösen, und ii) der Bodentyp die Freisetzung von Schadstoffen und die damit verbundene Selektion von Antibiotikaresistenzen moduliert. Die Wirkung der Zugabe von behandeltem oder unbehandeltem AW zu Leptosolen, Phäozemen und Vertisolen, die seit >80 Jahren mit unbehandeltem AW bewässert werden, auf Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und Häufigkeit von Antibiotikaresistenzgenen (ARG) sowie mobilen genetischen Elementen (MGE), die mit gramnegativen Bakterien (GNB) assoziiert sind, wird in einem gemeinsamen Inkubations- und Batch-Experiment in Gesamt-DNA getestet. HGT-Raten zwischen GNB werden für eine Teilmenge von Bodenproben bestimmt. Isolierte Enterobakterien (SP 6) werden auf das Vorhandensein übertragbarer Plasmide gescreent. Die Mobilisierung von ARG zu IncP-1-Plasmiden aufgrund der Selektion durch Antibiotika und Desinfektionsmittel, die dem AW zugesetzt und aus Boden freigesetzt werden, wird in einem Satellitenexperiment getestet. Dabei wird das Bodenbakterium Acinetobacter baylyi BD413, das IncP-1-Plasmide ohne ARG trägt, auf die unterschiedlich behandelten Böden aufgebracht, nach 28 Tagen isoliert und die Plasmide auf erworbene ARG gescreent. Die Relevanz der Pflanzen für Selektion und Ausbreitung von ARG und Transfer in die Nahrungskette wird im gemeinsamen Bodensäulexperiment mit monolithischen, "ungestörten", mit Koriander (Coriandrum sativum) bepflanzten Bodensäulen untersucht. SP 5 wird die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in Phyllosphäre und Wurzeln/Rhizosphäre, die relative Häufigkeit von ARG und MGE von GNB und die HGT-Raten zwischen GNB bewerten. SP 5 bringt gleiches Fachwissen und gleiche Techniken in das gemeinsame Feldexperiment mit Koriander bepflanztem Phäozem-Boden ein, um kontrollierte Labor- und Gewächshausversuche mit realen Bedingungen zu verbinden, insbesondere im Hinblick auf Auswirkungen von Bewässerungswasserqualität auf Phyllosphärenbakterien, die unter Gewächshausbedingungen schwer zu untersuchen sind. Durch Verknüpfung der Ergebnisse und Fachkenntnisse mit Daten und Kenntnissen der anderen SP, ebenfalls mit Hilfe des integrierten mathematischen Modells (SP 7), trägt SP 5 zu einem mechanistischen Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Schadstoffen, Antibiotikaresistenzen und Pathogenen in sich verändernden AW-Bewässerungssystemen bei.

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