Multiresistente Keime die Rolle der ...€¦ · Antibiotika-Resistenzen in der aquatischen Umwelt ... In NRW existieren 352 Krankenhäuser mit ca. 120.000 ... Krankheitserreger und

BWK-Landeskongress 2017

Multiresistente Keime –

die Rolle der Siedlungswasserwirtschaft

Julian Firk M.Sc.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp

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2 Multiresistente Keime –


Antibiotika-Resistenzen in der aquatischen Umwelt

Eintragspfade von Antibiotika-Resistenzen in den

Wasserkreislauf

Mögliche Hot-Spots für den Eintrag von Antibiotika-

Resistenzen innerhalb der Einzugsgebiete

Kombinierte Elimination von Spurenstoffen und

Antibiotika-resistenten Bakterien auf kommunalen

Kläranlagen

Fazit und Ausblick

Inhalt

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Verbreitung von Antibiotika-Resistenzen im Fokus der

Öffentlichkeit

● Entwicklung neuer Antibiotika langsamer als Antibiotika-Resistenzbildung

● Abwasser im Verdacht zur Verbreitung von Resistenzen

Problematik der Antibiotika-Resistenzen

Quelle: EAWAG, 2014

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Mechanismen der Verbreitung von Antibiotika-

Resistenzen im Wasserkreislauf

● Horizontaler Gentransfer von Resistenzgenen zwischen Bakterien

gleicher und unterschiedlicher Spezies

● Selektionsereignisse resistenter Bakterien durch Antibiotika

● Direkte Verbreitung von Antibiotika‐resistenten Bakterien aus

verschiedenen Abwasserströmen

Rückkopplung aus der aquatischen Umwelt zurück zum

Menschen?

● Trinkwasser

● Sonstige Gewässernutzung

Antibiotika-Resistenzen in der aquatischen Umwelt

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Punktuelle Eintragspfade

Kommunale Kläranlage

TrennsystemMischsystem

Industrielle Direkteinleiter

Industrielle Kläranlage

Straßen-

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Kanalnetz

Misch- und Trennsystem

Potentiell relevanter Eintragspfad

Potentiell nicht relevanter Eintragspfad

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Indirekteinleiter

Eintragsquellen innerhalb des Einzugsgebiets

Einträge in den Vorfluter

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Einträge ins Kanalnetz in NRW

Hot-Spots innerhalb des Einzugsgebiets

Werte hergeleitet nach:

MKULNV (2016): Stand der Abwasserbeseitigung in NRW

HaushalteOberflächenab

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Kanalnetz

Indirekteinleiter

738 Mio. m³1.315 Mio. m³ 1778 Mio. m³

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Ist Krankenhausabwasser ein Hot-Spot für Einträge

von Antibiotikaresistenzen in die aquatische Umwelt?

In NRW existieren 352 Krankenhäuser mit ca. 120.000

Krankenhausbetten (6,7 Betten pro 1000 Einwohner)

Krankenhausabwasseranfall sehr unterschiedlich

● 200 – 500 l pro Bett und Tag je nach Krankenhaus

● Gesamtabwasseranfall ca. 20 Mio. m³ pro Jahr

< 1 % der gesamten Schmutzwassermenge in NRW

Bzgl. Abwassermenge sind Krankenhäuser insgesamt

kein Hot-Spot

Hot-Spot Krankenhausabwasser?


Destatis (2015): Grunddaten der Krankenhäuser, Fachserie 12, Reihe 6.2.1

ARGE (2014): Elimination von Arzneimitteln in den Krankenhäusern in NRW“, Teilprojekt 3

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Belastung mit (Antibiotika-resistenten) Bakterien im

Krankenhausabwasser vergleichbar mit häuslichem Abwasser

● Bzgl. ARB stellen viele Krankenhäuser somit keinen Hot-Spot dar

● Einzelfallbetrachtung ist dennoch notwendig

Mittlere Belastung mit Antibiotikarückständen in

Krankenhausabwasser um Faktor 5 – 10 erhöht

● Für einzelne Antibiotika noch höher (z.B. Clarithromycin)

● Bzgl. Antibiotikaeintrag kann KH-Abwasser somit ein Hot-Spot sein

Hot-Spot Krankenhausabwasser?


Verlicchi et al. 2010): Hospital effluents as a source of emerging pollutants: An overview of micropollutants and sustainable treatment options, Journal of Hydrology 389 (2010) 416–428

Pinnekamp und Palmowski (2016): Arzneimittelrückstände in Abwässern aus Einrichtungen des Gesundheitswesens, Wasser und Abfall (3/2017)

ARGE (2014): Elimination von Arzneimitteln in den Krankenhäusern in NRW, Teilprojekt 3

Meiste Krankenhäuser in NRW

Abwasseranteil < 0,2 %

In einigen Einzugsgebieten

höherer Abwasseranteil

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Flughäfen

● Sammelstelle von Antibiotika-Resistenzen aus dem Ausland über Fluggäste

● NRW: 6 Flughäfen*, ca. 40 Millionen Passagiere pro Jahr

● Abwassermenge: ca. 25 L pro Passagier

● Abgeschätzter Gesamtabwasseranfall für NRW: ~ 1 Mio. m³ pro Jahr

● < 0,05 % der gesamten Schmutzwassermenge

● Unzureichende Untersuchungen zu Flughafenabwässern

● BMBF-Projekt HyReKA beprobt Abwässer von internationalen Flughäfen

Fleischindustrie

● Mastbetriebe, Schlachthöfe und Fleischverarbeitungsbetriebe emittieren als

Direkt- und Indirekteinleiter potentiell Antibiotika-Resistenzen in die Umwelt

● Massenweiser Antibiotika-Einsatz in Tiermast

● NRW: Schlachtbetriebe produzieren jährlich über 2 Mio. Tonnen Fleisch

● Wassermengen schwer abzuschätzen (>> 1 m³ pro Tonne Fleisch)

● Großschlachtbetriebe als Indirekteinleiter großer Abwasseranteil an Kläranlagen

Weitere potentielle Hot-Spots im Einzugsgebiet

*Mehr als 150.000 Fluggasteinheiten Werte hergeleitet nach:

Destatis (2016): Luftverkehr auf Hauptverkehrsflughäfen, Fachserie 8 Reihe 6.1

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Behandlungseinheit bedarf einer mechanisch-biologischen

Abwasserbehandlung

Membranbioreaktor + (evtl.) weitergehende Stufe sinnvoll

● Geringer Platzbedarf

● Weitgehender Rückhalt von Bakterien

● Zusätzliche Stufe zur Antibiotika-Elimination möglich (z.B. Aktivkohle, Ozon)

Spezifische Kosten sehr hoch bei sehr geringen

Abwassermengen

Dezentrale Abwasserbehandlung von Hot-Spots

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Verfahrenskombination MBR+O3 MBR+O3+PAK MBR+O3+PAK MBR+GAK MBR+O3+PAK

Spez. Jahreskosten je m³ Abwasser [€] 4,06 3,24 2,33 3,47 5,09


ARGE (2014): Elimination von Arzneimitteln in den Krankenhäusern in NRW, Teilprojekt 3

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Emissionsvolumen in NRW in Mio. m³ pro Jahr

Punktuelle Eintragspfade in Oberflächengewässer

Kommunale Kläranlage

TrennsystemMischsystem

Industrielle Direkteinleiter

Industrielle Kläranlage

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Gewässer

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(14,3 %)2.514

(47,6 %)

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(5,0 %)777

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(13,8 %)


MKULNV (2016): Stand der Abwasserbeseitigung in NRW

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Konventionelle Kläranlagen reduzieren (Antibiotika-

resistente) Bakterien im Mittel um 2 – 3 Log-Stufen

● 2 – 3 Log-Stufen bedeutet Frachtreduzierung um 99 – 99,9 %

● Elimination von Antibiotika zwischen 10 und 80 %

Jahresabwassermengen von Mischwasserentlastungen

eher gering

● Bei Starkregenereignissen jedoch hohe Frachteinträge innerhalb kurzer

Zeit

● Nur mechanische Reinigung und Verdünnung durch Regenwasser (sehr

geringer Bakterien-Rückhalt, kein Rückhalt von Antibiotika)

Mischwasserentlastungen stellen relevanten

Eintragspfad für Antibiotika-resistente Bakterien dar

Relevanz der Eintragspfade


Lüddeke et al. (2014): Removal of total and antibiotic resistant bacteria in advanced wastewater treatment by ozonation in combination with different filtering techniques

Scheurer et al. (2014): Removal of micropollutants, facultative pathogenic and antibiotic resistant bacteria in a full-scale retention soil filter receiving combined sewer overflow

Alexander et al. (2016): Microbiological characterization of aquatic microbiomes targeting taxonomical marker genes and antibiotic resistance genes of opportunistic bacteria, Science of the total Environment

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Ergebnisse aus RISKWA-Forschungsprojekt Sichere Ruhr

Mischwasserentlastungen vs. Kläranlagenabläufe

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Diffuser Zufluss MischwasserentlastungenKläranlagen Deilbach und Hesperbach

Trockenwetter Regenwetter

Quelle:

Merkel et al. (2015): Sichere Ruhr – Stand und Perspektiven einer zukünftigen Badenutzung. 48. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft, Aachen, GWA 236, 32/1-32/17

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Diskussion über Einführung einer „4. Reinigungsstufe“ zur

Spurenstoffelimination auf Kläranlagen

● Aktuell führt Bundesumweltministerium einen Stakeholderdialog zur

Mikroschadstoffstrategie des Bundes durch

Elimination von Antibiotika vorteilhaft für Resistenzlage

● Selektionsvorteil für AB-resistente Bakterien bei Anwesenheit von

Antibiotika

● Kombinierte Elimination von Antibiotika, Krankheitserreger und Antibiotika-

Resistenzen sinnvoll

Situation in NRW

● Über 100 Machbarkeitsstudien durchgeführt

● 18 Untersuchungen an großtechnischen Kläranlagen

● Kläranlagenausbau bei 20 Anlagen geplant/im Bau/in Betrieb

● Aktivkohle und Ozonung die favorisierten Verfahren

Spurenstoffelimination + Elimination von Antibiotika-Resistenzen

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Verfahren zur Desinfektion und zur Spurenstoffelimination

Desinfektion und Spurenstoffelimination

Verfahren Eignung zur

Desinfektion

Eignung zur

Spurenstoffelimination

UV-Bestrahlung ++ +

Ozonung ++ +++

Granulierte Aktivkohle + +++

Pulverisierte Aktivkohle - +++

Membranfiltration +++ -

Flockungsfiltration + -

Retentionsbodenfilter* + +

*zur Mischwasserbehandlung +++ sehr gut ++ gut + mäßig - ungeeignet


Gnirss et al. (2015): Abwasserdesinfektion. KA Abwasser, Abfall, doi: 10.3242/kae2015.03.002

DWA M 205 (2013)

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Begasung biologisch gereinigten Abwassers mit Ozon

● Kontakt der Abwasserinhaltsstoffe mit O3 (direkte Reaktion) und OH-

Radikalen (indirekte Reaktion)

● Aufenthaltszeit 10 - 30 min bei maßgeblichem Zufluss

● Ozondosis für Spurenstoffelimination ca. 4 – 10 mg/l oder 0,5 – 2 gO3/gDOC

● Zusätzliche Kosten für Ozonung ca. 5 – 10 Cent/m³

Ozonung

O3

Biologische

Nachbehandlung

z. B. Filtration

ReaktionsbeckenBiologische Reinigungsstufe

Rücklaufschlamm

Zulauf

Ablauf

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Belastung mit Antibiotika-resistenten Bakterien im Zulauf

zur Ozonung

Ergebnisse aus DemO3 (KA Aachen-Soers)

Quelle:

Klaer (2017): Pilotversuche Ozonung: Spurenstoffelimination und Desinfektion, DemO3-Symposium Aachen, 26.01.2017

Kirchner et al. (2017): Keime und Antibiotikaresistenzen, DemO3-Symposium Aachen, 26.01.2017

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Desinfektionsleistung der Ozonung


Quelle:



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Anteil Antibiotikaresistenzen vor/nach Ozonung


Quelle:



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Antibiotika, Antibiotika-resistente Bakterien und

Antibiotika-resistente Gene werden über eine Vielzahl von

Quellen in die aquatische Umwelt eingetragen

Relevanz der unterschiedlichen Eintragspfade noch

unklar

Ozonung als wirksames Verfahren für die kombinierte

Elimination von Antibiotika und Antibiotika-Resistenzen

Datenlage zu Antibiotika-Resistenzen in verschiedenen

Abwasserströmen muss verbessert werden

Diffuse Quellen (z. B. Landwirtschaft) müssen ebenfalls

beleuchtet werden

Fazit und Ausblick

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Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

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