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Dipl. Biol. Johannes Alexander
Prof. Dr. Thomas Schwartz
www.kit.edu
Klinisch relevante antibiotikaresistente Bakterien im
Wassernutzungspfad –
Auftreten, Verbreitung und Vermeidung
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG)
Abteilung Bioprozesstechnik und Biosysteme
Bioprozesstechnik und Biosysteme 2
Aussage der WHO:
Antibiotikaresistenzen sind ein
wachsendes Problem im Bereich
Wasser- und Abwassersysteme,
sowie Hygiene.
DART2020:
Ziel 2: Resistenz-Entwicklung
frühzeitig erkennen
UN-Vollversammlung:
Bekämpfung von Antibiotika-
resistenzen war ein zentrales Thema
Antibiotikaresistenz-Situation
• Zunahme der Antibiotikaresistenzen
• Rückgang von neuen Antibiotika
• Resistenzen gegen neue Antibiotika
treten immer schneller auf
(Brooks & Brooks, 2014)
Dipl. Biol. Johannes Alexander
Bioprozesstechnik und Biosysteme 3
Antibiotikaresistenzsituation in Deutschland
Wichtige Antibiotikaresistenzgene und Pathogene von
medizinischer Bedeutung
Methicillin-Resistenz (mecA) in Staphylokokken
21,7% aller S. aureus Infektionen
Ampicillin-Resistenz (ampC) in Enterobacteriaceae
51,2% aller E. coli Infektionen
Vancomycin-Resistenz (vanA) in E. faecium/faecalis
18,5% aller E. faecium Infektionen
Imipenem-Resistenz (blaVIM)
11,6% aller P. aeruginosa Infektionen
Erythromycin-Resistenz (ermB)
62,9% aller S. pneumoniae Infektionen
Robert Koch-Institut: ARS, https://ars.rki.de, Daten vom: 28.01.2014
Dipl. Biol. Johannes Alexander
Bioprozesstechnik und Biosysteme 4
Kläranlagen als Hot Spot für
Antibiotikaresistenzen und opportunistische
Bakterien
urbane
Haushalte
Krankenhäuser Industrie Antibiotika-
Industrie
Schlachthäuser
Kläranlagen
Aquatische Umwelt Trinkwassersysteme
?
Wissenslücken im Umweltbereich:
• keine Vorschriften
• keine Grenzwerte
• keine Information über den
Zusammenhang zwischen
Infektionsereignissen und der
aquatischen Umwelt
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Bioprozesstechnik und Biosysteme 6
Auftreten von fakultativ pathogenen Bakterien
Dipl. Biol. Johannes Alexander
Bioprozesstechnik und Biosysteme 7
Es ist daher wichtig, die Verbreitungswege von Antibiotikaresistenzen zu
unterbrechen
Antibiotikaresistenzen
Was können wir tun?
Antibiotika werden gebraucht, daher ist es wichtig,
• den Kontakt mit antibiotikaresistenten Bakterien zu vermeiden bzw. zu
reduzieren (Problem: Water reuse).
• den Abbau von mikrobiologisch-aktiven Substanzen zu verstärken, um
den Selektionsdruck auf antibiotikaresistente Bakterien zu vermindern.
• eine Elimination von Antibiotika-resistenten Pathogenen in der
Abwasseraufbereitung durch weiterführende Maßnahmen zu bewirken.
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Bioprozesstechnik und Biosysteme 8
Antibiotika und Antibiotikaresistenzen in HyReKA
Antibiotika Antibiotika-Resistenzgene Methicillin/Oxacillin (penicillinase resistant) Methicillin resistance (mecA) narrow-spectrum β-lactam antibiotic chromosomal, but also spread to MGE Vancomycin (antibiotic of last resort) Vancomycin resistance (vanA) Glycopeptide antibiotic transposons e.g. Tn1546 encoded (MGE) Erythromycin (broad spectrum, gram +) Erythromycin resistance (ermB) Macrolide antibiotic plasmid encoded (MGE) Imipenem (broad spectrum, gram +/-) Imipenem resitance (blaVIM) β-lactam antibiotic integrons assosiated (MGE) Carbapenem (broad spectrum) Metallo-β-Lactamases (blaNDM-1, blaKPC-2) To treat multi-drug resistant infections Serin-β-Lactamases (OXA48) plasmid encoded (MGE) Tetracycline (broad spectrum) Tetracyclin resistence (tetM) transposons e.g. Tn1545 encoded (MGE) Sulfonamide (frequently used) Sulfonamid resistance (sul1) Urinary tract infections integrons assosiated (MGE) Ampicillins (broad spectrum, gram +/-) Serin-β-Lactamases (blaTEM) plasmid encoded (MGE) Cephalosporins (broad spectrum, gram +) Serin-β-Lactamases (blaCTX-M, blaCMY-2) from the 2nd generation also gram - plasmid encoded (MGE)
Dipl. Biol. Johannes Alexander
Bioprozesstechnik und Biosysteme 9 Dipl. Biol. Johannes Alexander
Mittelwert aller 12 untersuchten Antibiotikaresistenzgene in 100 ng DNA, separat extrahiert
aus jeder Probenahmestelle
Belebtschlamm und Nachklärung
Ozon (1g/g DOC)
UV (400J/m²)
Ultrafiltration 1
Ozon + UV
Probenahme (Stichproben) 0,8 log-Stufen
(78,1%)
0,8 log-Stufen (79,1%)
Unter Nachweisgrenze
Unter Nachweisgrenze
Keine signifikante Reduktion
Maßnahmen an einer kommunalen Großkläranlage
zur Reduktion von Antibiotikaresistenzen
Vorfluter
1,00E+00
1,00E+01
1,00E+02
1,00E+03
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
ZulaufOzonbehandlung
AblaufOzonbehandlung
Zellä
qu
ival
en
te p
ro 1
00
ng
DN
A
sul1
tetM
ctxM
blaTEM
ctxM32
Bioprozesstechnik und Biosysteme 10
Populations-Analysen (PCR-DGGE)
Veränderungen in der Population, Diversitätsverlust
• Spezies mit niedrigem GC-Gehalt werden stärker
durch die Ozonung reduziert.
• Spezies mit höherem GC-Gehalt treten häufiger nach
Ozonbehandlung auf
Degeneration der DNA durch Ozon ist abhängig vom
Thymin und Guanin Anteil (Geschwindigkeitskonstante):
• Thymin 3.4 x 104 L mol-1 s-1
• Guanin 1.6 x 104 L mol-1 s-1 (53% geringer)
PCR Primer: amplifizieren die V1-V3 Region der 16S rDNA,
Separation aufgrund GC-Gehalt in DNA
Up to 72% GC content:
O3 Z
ula
uf
O3 Z
ula
uf
O3 Z
ula
uf
O3 A
Bla
uf
O3 A
bla
uf
O3 A
bla
uf
hoher GC-Gehalt
niedriger
GC-Gehalt
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Bioprozesstechnik und Biosysteme 11
Parameter die die Antibiotikaresistenzsituation
beeinflussen können
Dipl. Biol. Johannes Alexander
• „Regrowth“ im original Wasser ohne Zugabe von Nährstoffen
Vermehrungspotential: keine Elimination
• Horizontaler Gentransfer (Mg2+, Ca2+, Biofilme, freie DNA,
Zelldichte Belebtschlamm, Abwasser)
Bioprozesstechnik und Biosysteme 12
Aussicht
• Verstärkte Anstrengungen zur Reduktion der Verbreitung von ARB/ARG
in Abwasserbereich:
• Anpassungen der Ozonbehandlung sind erforderlich (bsp. Kombinationen)
• Andere oxidative Verfahren (TiO2 Photokatalyse, Photo-Fenton, etc.)
• Evaluierung verschiedener Betriebsführungsstrategien
• Zuverlässige Überwachungssysteme, Richtlinien und Grenzwerte für
Umwelthabitate, ähnlich wie im Gesundheitswesen (national/international).
Veröffentlichungen: Alexander, J., Knopp, G., Dötsch, A., Wieland, A., Schwartz, T. (2016) Ozone treatment of conditioned wastewater selects antibiotic
resistance genes, opportunistic bacteria, and induce strong population shifts. Science of the Total Environments (559) 103-112.
Karaolia, P., Michael-Kordatou, I., Hapeshi, E., Alexander, J., Schwartz, T., Fatta-Kassinos, D. (2016) Investigation of the potential of a
membrane bioreactor followed by solar Fenton oxidation to remove antibiotic-related microcontaminants. Chemical Engineering Journal (in
print)
Alexander, J., Bollmann, A., Seitz, W., Schwartz, T. (2015) Microbial characterization of aquatic microbioms targeting taxonomical marker
genes and antibiotic resistance genes of opportunistic bacteria. Science of Total Environment (512-513) 316-325.
Exner, M., Schwartz, T., Alexander, J., et al., (2015) „Bewertungskonzepte in der Mikrobiologie“ mit dem Schwerpunkt Krankheitserreger
und Antibiotikaresistenzen. DECHEMA e.V.
Berendonk T, Manaia C., Merlin C., Fatta-Kassinos D, Cytryn E., Walsh F., Bürgmann H., Sørum H., Norström M., Pons MN,
Kreuzinger N, Huovinen P, Stefani S., Schwartz T, Kisand V, Baquero F.,Martinez JL. (2015) Tackling antibiotic resistance: the
environmental framework . NATURE REVIEWS, MICROBIOLOGY (13; 311)
Alexander, J., Karaolia, P., Fatta-Kassinos, D., Schwartz, T. (2015), Impacts of advanced oxidation processes on microbioms during
wastewater treatment. The Handbook of Environmental Chemistry (45) 129-144. Springer Verlag.
Rizzo, L., Manaia, C., Merlin, C., Schwartz, T., Dagot, C., Ploy, M. C., Fatta-Kassinos, D. (2013). Urban wastewater treatment plants as
hotspots for antibiotic resistant bacteria and genes spread into the environment: a review. The Science of the Total Environment, 447, 345–
60.
Dipl. Biol. Johannes Alexander
Bioprozesstechnik und Biosysteme 13
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Danksagung: Christian Hiller (ZVK Steinhäule)
Norman Hembach (KIT)
Gregor Knopp (TU Darmstadt),
Arne Wieland (Xylem Services GmbH),
Thomas Ternes (BfG Koblenz, Koordinator von TransRisk)
Thomas Schwartz, Martin Exner (Koordination HyReKA)
HyReKA