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Umweltschonende Desinfektionsmethoden

Mit der vorliegenden Untersuchung soll ueberprueft werden, ob die Reinigung mit sogenannten Dampfreinigungsgeraeten eine keimreduzierende Wirkung hat, die dieses Verfahren als moegliche Desinfektionsmethode geeignet erscheinen laesst. Bei der Entwicklung bzw. Ueberpruefung von Desinfektionsverfahren geht es nicht zuletzt auch immer darum, die Uebertragung von Krankheitserregern auf den Menschen zu verhindern. So empfehlen in juengster Zeit verschiedene Forschergruppen die Anwendung von Dampfreinigern fuer die Beseitigung von Hausstaubmilben und ihren Allergenen in Wohnungen und Bueros. Die Suche nach einer physikalischen Desinfektionsmethode draengt sich auf, da zunehmend Resistenzen gegenueber chemischen Desinfektionsmitteln und Antibiotika auftreten. Zudem haben chemische Desinfektionsmittel den Nachteil, nicht selten bei Reinigungs- und Pflegepersonal zu Allergien zu fuehren. Eine Einschraenkung des Einsatzes chemischer Desinfektionsmittel waere auch aus Umweltschutzgruenden zu begruessen. Die geschilderte Untersuchung ist nur ein Teil umfangreicher bakteriologischer, mykologischer, virologischer und parasitologischer Untersuchungen im Rahmen der Pruefung der hygienischen Effektivitaet von Dampfreinigungsgeraeten.

Klima- und Landnutzungsänderungen als Treiber für die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen zwischen tierischen und landwirtschaftlichen Nischen (ResistChange)

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.

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.

Überlebensstrategie und Pathogenität von Clostridioides difficile in Abwasser, Klärschlamm, Oberflächengewässer, Gülle, Futtermittel und Silage - Behandlungsmöglichkeiten zur Risikominimierung (SUPER safe)

Das strikt anaerobe, Endosporen-bildende Bakterium Clostridioides difficile ist der Verursacher von nosokomialen Durchfallerkrankungen bei Mensch und Tier. Eine C. difficile Infektion (CDI) erfolgt meist nach einer Antibiotikabehandlung welche die Darmflora schädigt und bei der Wiederbesiedlung das Auskeimen von C. difficile ermöglicht. Weltweit ist eine Zunahme der Inzidenz so wie ein schwerer Verlauf von CDI zu beobachten was die Gesundheitskosten in die Höhe treibt und verstärkte Maßnahmen zur Infektions-Prävention und Kontrolle der Ausbreitung erfordert. Die Behandlung einer CDI wird dadurch erschwert dass Endosporen resistent gegenüber einer Antibiotikabehandlung sind. Vegetative Zellen und Sporen des Darmbesiedlers C. difficile werden mit den Fäzes ausgeschieden und können so in die Umwelt gelangen. C. difficile wird in Fäkal-belasteten Matrices wie Abwasser, Klärschlamm, Gülle und in mit Fäkalien in Berührung gekommenem Viehfutter oder Silage nachgewiesen. Durch den rasanten Anstieg der Anaerobtechnologie in Biogasanlagen zur Schlamm- oder Güllebehandlung kann davon ausgegangen werden, dass C. difficile in solchen Milieus überlebt oder sich sogar vermehrt und mit den Gär-Rückständen als Dünger in der Umwelt verbreitet wird. Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist, solche fäkal-belasteten Proben zu identifizieren und daraus C. difficile zu quantifizieren und Isolate zu charakterisieren. Neben dem Nachweis der Gene der Virulenzfaktoren für das Enterotoxin A und Cytotoxin B und dem binären Toxin CDT werden die Isolate einer Ribotypisierung und einer Antibiotikaempfindlichkeitstestung zur MHK Bestimmung unterzogen. Zudem sollen auch Antibiotika-Resistenzgene sowie konjugative Transposons nachgewiesen werden. Zum quantitativen Nachweis von C. difficile und dem Antibiotikaresistenz-vermittelnden konjugativen Transposon Tn5397 soll eine qPCR etabliert werden die es ermöglicht, Zellzahlen und Pathogenität von C. difficile in Fäkal-belasteten Proben zu bestimmen. Bedingt durch den hohen Stellenwert der Anaerobtechnologie für die Abwasserreinigung und Güllebehandlung sollen im Labormaßstab Biogasreaktoren aufgebaut und unter 'Realbedingungen' betrieben werden, um das Überleben, eine Vermehrung oder die Reduktion/Elimination von C. difficile Zellen/Sporen sowie die Exkretion des konjugativen Transposons Tn5397 zu testen. Diese Versuche sollen auch in Laboranlagen zur Simulation der konventionellen Güllelagerung sowie nach Behandlung in einer Labor-Ozonierungs- und UV-Entkeimungsanlage durchgeführt werden. Letztere werden unter anderem als vierte Reinigungsstufe zur Abwasserbehandlung in der Praxis empfohlen. Nur in Kombination von Umweltmikrobiologie und Verfahrenstechnik können die gesetzten Ziele erreicht und neues Wissen generiert werden um Aussagen bezüglich der Überlebensfähigkeit, Pathogenität und Verbreitungspfaden von C. difficile zu treffen und um das Infektionsrisiko für Mensch und Tier besser abschätzen zu können.

Forschergruppe (FOR) 5095: Interaktionen von Schadstoffen, Antibiotikaresistenz und Pathogenen in einem sich ändernden Abwasserbewässerungssystem, Teilprojekt: Isolation und Charakterisierung von Resistenzgentragenden Umwelt- und Fäkalbakterien

Multiresistente pathogene Bakterien, insbesondere solche die zu der sogenannten ESKAPE Gruppe zählen, Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa und Enterobacter spp., verursachen weltweit schwerwiegende Probleme bei der Behandlung infizierter Menschen. ESKAPE Bakterien findet man in hoher Abundanz in Abwasser, auch nach der Abwasserbehandlung. Die Freisetzung der ESKAPE Bakterien bei der Bewässerung von Agrarflächen mit Abwasser stellt ein großes gesundheitliches Risiko dar. Bisher ist wenig darüber bekannt welche Faktoren die Persistenz dieser Bakterien und die Weitergabe von Antibiotikaresistenten in der Umwelt beeinflussen. Nährstoffverfügbarkeit und das Vorhandensein von Antibiotika, Desinfektionsmitteln und Schwermetallen scheinen dabei eine entscheidende Rolle zu spielen. Die Veränderung des Bewässerung Regimes nach Langzeitbewässerung mit unbehandeltem Abwasser hin zu einer Bewässerung mit behandelten Abwasser wird die Abundanz dieser Einflussfaktoren und damit die Verbreitung und Persistenz von Pathogenen und den Resistenzenzgentransfer v.a. hin zu Umweltbakterien starke beeinflussen. Ziel von SP 6 ist es, diese Forschungshypothese der Sonderforschungsgruppe mit einem kultivierungsabhängigem Analyseansatz („Culturomics“) zu untersuchen. Es wird eine Stammsammlung multiresistenter Pathogener und Umweltbakterien aus den bewässerten Systemen erstellt. Die Bakterien sollen phylogenetisch bis auf die Stammebene identifiziert werden und ihre Resistenzprofile erfasst werden. Die mikrobiologischen Daten aus SP 6 sollen mit Daten zu der Freisetzung, den Konzentrationen und der Bioverfügbarkeit von Antibiotika und Desinfektionsmitteln sowie Informationen zu minimalen selektiven Konzentrationen, Abundanzen und Transferraten von Antibiotikaresistenzgenen korreliert werden. SP 6 trägt damit zu einem integrativem mathematischen Model zum Verbleib und zur Wirkung der Zielschadstoffe zu einem mechanistischem Verständnis der Interaktionen von Schadstoffen, Antibiotika und Pathogenen in dem veränderten Bewässerung Regimes bei

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