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)

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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

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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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Auftreten von fakultativ pathogenen Bakterien

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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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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)

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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

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• „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.

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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