Zielsetzung:
Uferfiltration ist eine gängige Methode zur Trinkwassergewinnung bei begrenztem natürlichen Grundwasserangebot und wird in vielen Regionen Deutschlands mit großen Oberflächengewässern, wie z.B. in Berlin, Düsseldorf und Hamburg eingesetzt. Rohwasser, das durch Uferfiltration gewonnen wird, ist gefährdet durch den Eintrag von Schadstoffen aus Oberflächengewässern. Schadstoffe können neben organischen Verbindungen und Schwermetallen auch Krankheitserreger, wie Viren und Bakterien, sein. Die deutsche Trinkwasserverordnung (TrinkwV) beinhaltet aktuell nur Grenzwerte für bestimmte Indikatorbakterien, wie Escherichia coli und Enterokokken. Im aktuell gesetzlich festgelegten Messprogramm für die Trinkwasserqualität sind humanpathogene Viren kein Bestandteil.
Die im Jahr 2021 in Kraft getretene neue EU-Trinkwasserrichtlinie (EU-TWR) sieht vor, somatische Coliphagen als Indikatorviren für Grundwasserverunreinigungen durch humanpathogene Viren zu nutzen, da die Detektion der somatischen Coliphagen deutlich einfacher ist als die der humanpathogenen Viren, wie z.B. Adenoviren. Dabei ist zu beachten, dass somatische Coliphagen keine Krankheitserreger für Menschen sind. Auf Grund des unterschiedlichen Transportverhaltens verschiedener Viren ist jedoch davon auszugehen, dass Indikatorviren und -bakterien nur beschränkt aussagekräftig für humanpathogene Viren sind. U.a. haben unsere Untersuchungen am Rhein und im Uferfiltrat des Wasserwerks Flehe gezeigt, dass die Existenz und das Abbaupotential somatischer Coliphagen nicht in direkter Korrelation zu humanpathogenen Viren, z.B. Adenoviren, stehen muss (Knabe et al., 2023).
Verschiedene Faktoren können dazu führen, dass eine erhöhte Virenbelastung im Oberflächengewässer auftreten und eine Migration in das Rohwasser zur Folge haben kann. Zum einen können hydrologische Veränderungen als Folge des Klimawandels, z.B. häufigere Extremereignisse wie Trockenperioden und besonders Hochwasser (Blöschl et al., 2019), die natürliche Reinigungswirkung der Uferfiltration verringern. Zum anderen können Bevölkerungswachstum, Urbanisierung sowie Landnutzungsänderungen dazu führen, dass die Abwasserbelastung in Flüssen zunimmt (Wen et al., 2017).
Die neue EU-Trinkwasserrichtline (EU-TWR) erfordert zusätzlich zur Einhaltung von Grenzwerten risikobasierte Ansätze für die ereignis-basierte Überwachung der Wasserqualität, wie bspw. das Water-Safety-Plan-Konzept (WSP) der WHO (World Health Organization). Der WSP sieht für einen Wasserversorger die Beschreibung des gesamten Trinkwasserversorgungsystems vor, einschließlich einer Erfassung aller möglichen Eintragsquellen von Gefährdungen für die Trinkwasserqualität. Eine Risikobewertung für jede einzelne Kombination von Gefährdung und Gefährdungsereignis in Form einer Risiko-Matrix nach Eintrittswahrscheinlichkeit und Schadensausmaß, liefert klare Monitoring- und Handlungsprioritäten zur Risikominimierung. Basierend auf der neuen EU-TWR werden Wasserversorger zeitnah vor dem Problem stehen, zum Teil komplexe Risikobewertungen durchführen zu müssen. Das bedeutet, dass eine Vielzahl an Gefährdungsereignissen im Hinblick auf die Eintrittswahrscheinlichkeit einer Gefahrenquelle einzustufen ist.
Ziel des Projektes ist es, Wasserwerksbetreibern eine wissenschaftlich fundierte Bewertung des Risikos und Transports humanpathogener Viren bei der Uferfiltration unter Berücksichtigung aktueller gesetzlicher Vorgaben (EU-TWR) und Empfehlungen der WHO zu ermöglichen. Dabei soll insbesondere der Einfluss von Extremwetterereignissen (Starkniederschläge, Hochwasserperioden, Niedrigwasser) und messtechnischen Unsicherheiten in der Risikobewertung berücksichtigt werden. (Text gekürzt)
Im letzten Jahrzehnt nahm die Prävalenz Extended-Spektrum Beta-Laktamase (ESBL) (1)- bildender Escherichia coli in Human- und neuerdings auch Tiermedizin dramatisch zu. Phylogenetische Analysen mittels Multilokus-Sequenztypisierung belegen eine Assoziation dieser multiresistenten Bakterien mit bestimmten Sequenztypen (STs). Innerhalb dieser ESBL-STs existieren pandemische klonale Linien, die in unterschiedlichsten Habitaten auftreten. Sie werden in klinischen aber auch in Wildtier- und Umwelt-proben nachgewiesen, somit unabhängig von einem konstanten Antibiotika-Selektionsdruck. Die ESBL-Linien ST131 und ST648 zeigen eine für E. coli ungewöhnliche Kombination von Resistenz und Virulenz. Dies kann der entscheidende Faktor für die pandemische Ausbreitung dieser Sequenztypen sein. Im vorliegenden Antrag sollen die zugrundeliegenden Mechanismen dieses Phänomens anhand folgender Hypothesen aufgeklärt werden: Stämme der Linien ST131 und ST648 besitzen (i) eine erhöhte-Plasmidaufnahme-Aktivität; (ii) ein phylogenetisch determiniertes Kerngenom, dessen Interaktion mit dem Plasmidgenom in erhöhter Virulenz oder Virulenz-unabhängiger Adaptation an bestimmte Habitate resultiert; (iii) im Kern- bzw. akzessorischen Genom unabhängig vom aufgenommenen Plasmid definierte Metabolismus-/Virulenzfunktionen, die eine erweiterte Habitatfunktion bedingen. Die Veri- bzw. Falsifizierung der Hypothesen erfolgt zunächst auf Basis von in silico-Analysen der DNA-Sequenzen von Plasmiden und Genomen dieser pandemischen ESBL-STs. Mit Hilfe eines in vivo Screenings im natürlichen Habitat Vogeldarm werden Wildtypstämme der ESBL-STs ausgewählt bei denen anschließend Kandidatengene aus den Bereichen Metabolismus und Virulenz deletiert werden. Die Auswahl dieser Kandidatengene wiederum erfolgt auf Transkriptom- (RNA-Sequencing) und Phänotyp-Ebene (phänotypischer Makroarray) sowie basierend auf der Genomanalyse und den in vivo Screenings. Abschließend werden diese Gene auf ihre in vivo-Relevanz mittels Deletionsmutanten in demselben Hühner-Infektionsmodell funktionell analysiert.
Alle bis heute gemachten Untersuchungen zur Wachstumskinetik von Mikroorganismen beruhen auf Experimenten mit Einzelsubstraten. In der Natur wachsen Mikroorganismen jedoch immer in Gegenwart von Substratgemischen (im Mikrogramm/l-Bereich). In dieser Arbeit wird erstmals die Kinetik eines Bakteriums (Escherichia coli) mit definierten Substratgemischen in diesem Konzentrationsbereich untersucht. Dabei kommt eine in unserem Labor entwickelte Methode zur Messung kleinster Zuckerkonzentrationen zur Anwendung. Es konnte gezeigt werden, dass beim Wachstum in kontinuierlicher Kultur mit Glucose/Galactose-Mischungen die Restsubstratkonzentrationen der beiden Zucker signifikant niedriger waren im Vergleich zum Wachstum mit den Einzelzuckern. Diese Arbeiten sind wichtig fuer das Verstaendnis des Wachstums von Mikroorganismen in der Natur mit komplexen Gemischen von Naehrstoffen, von denen jeder einzelne in sehr geringer Konzentration vorliegt.
<p>Die wichtigsten Fakten</p><p><ul><li>Seit 2015 sollen alle Badegewässer der EU in einem mindestens ausreichenden Zustand sein.</li><li>Im Jahr 2024 erfüllten 97,8 % aller Badegewässer in Deutschland die EU-Vorgabe. Damit wurde das Ziel nur knapp verfehlt.</li><li>Schließt man die nicht beurteilten Badegewässer aus, erfüllten 2024 sogar 99,6 % der Badegewässer die EU-Vorgaben.</li><li>Rund 91 % der Binnengewässer und gut 88 % der Küstengewässer hatten 2024 eine ausgezeichnete Qualität.</li></ul></p><p>Welche Bedeutung hat der Indikator?</p><p>Baden in natürlichen Gewässern kann mit Risiken für die Gesundheit verbunden sein. Badegewässer werden wie alle Gewässer vielfältig genutzt und sie sind unterschiedlichen Veränderungen ausgesetzt, die das Auftreten von Krankheitserregern beeinflussen können.</p><p>Der <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/i?tag=Indikator#alphabar">Indikator</a> basiert auf der Feststellung der hygienischen Qualität der Badegewässer: Gemessen wird die Wasserbelastung mit Fäkalbakterien. Wenn diese Bakterien in hoher Konzentration im Badegewässer vorkommen, besteht das Risiko, dass auch Krankheitserreger vorhanden sind. Diese können beispielsweise Infektionskrankheiten mit Fieber, Durchfall und Erbrechen auslösen. Eine solche Gefahr entsteht u.a. nach <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/s?tag=Starkregen#alphabar">Starkregen</a> durch Mischwasserüberläufe aus Kläranlagen oder durch Abschwemmungen aus landwirtschaftlich genutzten Flächen. Hohe Temperaturen und ein hohes Nährstoffangebot (Stickstoffe, Phosphate) können die hygienische Qualität eines Badegewässers verändern und es kann zu einer Massenentwicklung von <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/c?tag=Cyanobakterien#alphabar">Cyanobakterien</a> kommen. Treten diese Bakterien in Massen auf, müssen Maßnahmen ergriffen werden. Das Vorkommen von Cyanobakterien fließt jedoch nicht in die Qualitätseinstufung ein.</p><p>Wie ist die Entwicklung zu bewerten?</p><p>Die Badegewässer Deutschlands sind in einem guten Zustand. Im Jahr 2024 erfüllten 97,8 % aller Badegewässer die Qualitätsanforderungen der EU (Binnengewässer 97,8 %, Küstengewässer 98,8 %). Berücksichtigt man, dass nicht alle Badegewässer beurteilt werden können (z.B. weil sie neu angemeldet wurden und noch nicht bewertet werden konnten), erfüllten sogar 99,6 % der beurteilten Badegewässer die Vorgaben. Rund 91 % der Binnengewässer und gut 88 % der Küstengewässer erreichten sogar eine ausgezeichnete Badegewässerqualität. Zwischen 1992 und 2001 stieg der Anteil der richt- und grenzwerteeinhaltenden Badegewässer beständig an. Seitdem ist die Qualität der Badegewässer auf konstant hohem Niveau mit nur leichten Schwankungen. In der europäischen <a href="https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?qid=1534167377521&uri=CELEX:02006L0007-20140101">Richtlinie über die Qualität der Badegewässer</a> (2006/7/EG) ist festgelegt, welche Werte Badegewässer für die verschiedenen Stufen der hygienischen Qualität einhalten müssen. Seit 2015 sollten alle Badegewässer mindestens eine ausreichende Qualität haben. Dieses Ziel wurde 2024 knapp verfehlt. Im europäischen Vergleich belegt <a href="https://www.eea.europa.eu/en/topics/in-depth/bathing-water/state-of-bathing-water/bathing-water-country-factsheets-2024/germany_bathing_water_2024.pdf">Deutschland</a> dennoch weiterhin einen der vorderen Plätze.</p><p>Wie wird der Indikator berechnet?</p><p>In allen europäischen Badegewässern müssen vor und während der Badesaison nach einem festgelegten Überwachungszeitplan Wasserproben entnommen werden. Das Vorkommen und die Häufigkeit von Fäkalbakterien der Art <em>„Escherichia coli“</em> (<em>E. coli</em>) sowie der Gruppe der „Intestinalen Enterokokken“ werden bestimmt. Für die verschiedenen Qualitätsstufen sind bestimmte Kriterien einzuhalten, die im Anhang I der EU-Badegewässerrichtlinie festgehalten sind. Eine ausführliche Beschreibung der Vorgehensweise findet sich in der EU-Badegewässerrichtlinie sowie im <a href="https://www.eea.europa.eu/en/analysis/publications/european-bathing-water-quality-in-2024">Badegewässerbericht</a> der Europäischen Umweltagentur.</p><p><strong>Ausführliche Informationen zum Thema finden Sie im Daten-Artikel <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/umwelt-gesundheit/qualitaet-von-badegewaessern">"Qualität von Badegewässern“</a>.</strong></p>