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MARGINS-I: Identifizierung und Quantifizierung der Antibiotikaresistenzgen- Hintergrundbelastung von Böden in Österreich
Projektleitung
Markus Wögerbauer
Forschungseinrichtung
Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit GmbH
Projektnummer
101446Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit GmbH| Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus| Bundesmininsterium für Arbeit, Soziales, Gesundheit und Konsumentenschutz| Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus
Allgemeine Projektinformationen
Schlagwörter (deutsch)
antibiotic resistance, antibiotic resistance genes, ARG, HGT, quantitative real time PCR, metagenomics, qPCR arrays, contaminants of emerging concerns, horizontal gene transfer, One Health concept, environmental resistome, agricultual soils,
Titel (englisch)
Monitoring of Antibiotic Resistance Genes in Soils
Abstract (englisch)
Die ermittelten ARG-Konzentrationen in den Feldern werden mit der ARG Kopienanzahl in Böden unter geringem anthropogenen Einfluss (Wiesen- und Waldböden) sowie mit den ARG Auftretensdaten in der Wassersäule (Quell-, Fluss- und Drainagewasser) im Einzugsbereich der getesteten landwirtschaftlichen Nutzflächen verglichen. Die Untersuchungen erfolgen unter natürlichen aber kontrollierten Bedingungen auf einem großflächigen Versuchsgelände (Hydrology Open Air Laboratory – HOAL, Petzenkirchen), das sich durch den Anbau unterschiedlicher Feldfrüchte, unterschiedliche Bewirtschaftungsmethoden und mehrere verschiedene Bodentypen auszeichnet. Durch die Miteinbeziehung von quantitativen ARG Daten aus Schweinekot und zur Bodendüngung eingesetzter Gülle aus dem vor Ort ansässigen Schweinezuchtbetrieb kann der Ausbreitungsweg von ARGs vom Tier über die Gülle in den Boden und von dort in die Wassersäule erfasst und modelliert werden. Die erhobenen Daten werden auch Auskunft über die mögliche Kapazität der exponierten Bodentypen zur Elimination anthropogen eingebrachter Antibiotikaresistenzen geben. Zur Anwendung gelangen qPCR, Next Generation Sequencing und konventionelle Bakterienkultivierungstechniken inklusive der Bestimmung minimaler Antibiotika Inhibitionskonzentrationen sowie Metagenomanalysen.
Die aus dem Projekt gewonnen Erkenntnisse dienen als Grundlage für ein eventuell in Zukunft routinemäßig durchführbares ARG-Monitoring in den getesteten Ökosystemen.
Projektziele
Die aus dem Projekt gewonnen Erkenntnisse sollen die Gefahr einer Übertragung von Antibiotikaresistenzen (AR) aus Umweltquellen auf human- und veterinärmedizinisch relevante Bakterien verringern helfen. Die erzielten Ergebnisse dienen als Grundlage für eine evidenzbasierte Beratung von Risikomanagern und ein eventuell in Zukunft routinemäßig durchführbares ARG-Monitoring in den getesteten Ökosystemen. Das vorgeschlagene Vorhaben steht im Einklang mit den Vorgaben der EU zum „One Health“ Konzept zur Eindämmung von Antibiotikaresistenzen (1-3), zur Schwerpunktsetzung im Nationalen Aktionsplan zur Antibiotikaresistenz (NAP-AMR) in Österreich (4) und zur Beantwortung der parlamentarischen Anfrage 901/J (XXVI.GP/890/AB).
Die ermittelten ARG-Belastungen der Felder werden mit ARG Konzentrationen in Böden unter geringem anthropogenen Einfluss (Wiesen- und Waldböden) sowie mit den ARG Auftretensdaten in der Wassersäule (Quell-, Fluss- und Drainagewasser) im Einzugsbereich der getesteten landwirtschaftlichen Nutzflächen verglichen. Die Untersuchungen erfolgen unter natürlichen aber kontrollierten Bedingungen auf einem großflächigen Versuchsgelände (Hydrology Open Air Laboratory – HOAL, Petzenkirchen), das sich durch den Anbau unterschiedlicher Feldfrüchte, unterschiedliche Bewirtschaftungsmethoden und mehrere verschiedene Bodentypen auszeichnet. Durch die Miteinbeziehung von quantitativen ARG Daten aus Schweinekot und zur Bodendüngung eingesetzter Gülle aus dem vor Ort ansässigen Schweinezuchtbetrieb kann der Ausbreitungsweg von ARGs vom Tier über die Gülle in den Boden und von dort in die Wassersäule erfasst und modelliert werden. Die erhobenen Daten werden auch Auskunft über die mögliche Kapazität der exponierten Bodentypen zur Elimination anthropogen eingebrachter Antibiotikaresistenzen geben.
Die aus dem Projekt gewonnen Erkenntnisse dienen als Grundlage für ein eventuell in Zukunft routinemäßig durchführbares ARG-Monitoring in den getesteten Ökosystemen.
Folgende Fragen werden abgeklärt:
1. Welche Antibiotikaresistenzgene befinden sich in wichtigen Umweltkompartimenten (Feld, Drainage-, Quell-, Flusswasser, Wiesen-, Waldböden, Schweinekot, Schweinegülle)?
2. In welcher Menge kommen klinisch relevante ARGs in diesen Kompartimenten vor?
3. Welche Umweltkompartimente weisen eine besonders hohe Belastung mit Antibiotikaresistenzgenen und damit ein hohes Potential für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen auf?
4. Welche Strategien können angewandt werden, um die Ausbreitung von ARGs in den unter Punkt 3 identifizierten Ökosystemen zu minimieren?
Im Detail werden folgende Projektziele verfolgt:
1. Charakterisierung der Antibiotikaresistenzgenbelastung von Böden (Bestimmung des Status-quo; qualitatives Screening)
2. Quantifizierung von klinisch/veterinärmedizinisch relevanten ARG in den getesteten Umweltkompartimenten (Status-quo; ARG-spezifische Quantifizierung)
3. Evidenzbasierte Identifikation von Ökosystemen, die ein hohes Risiko für die Verbreitung von klinisch relevanten ARGs darstellen (Risikobewertungselement)
4. Identifizierung von Critical Control Points und Ausarbeitung von Strategien zur Minimierung der Ausbreitung von klinisch relevanten ARGs in den unter Punkt 3 identifizierten Umwelthabitaten zur Unterstützung des Risikomanagements in Österreich.
Weitere Details sind der Anlage \"MARGINS-I\" zu entnehmen.
Praxisrelevanz
Volkswirtschaftlich betrachtet sind die durch Übertragung von Umweltresistenzen verursachten Schäden in der Humanmedizin und im Bereich Öffentliche Gesundheit immens.
Ohne Eindämmung der Ausbereitung von Resistenzen werden im Jahr 2050 10 Millionen Todesfälle prognostiziert, die direkt oder indirekt auf AR zurückzuführen sind. Abgesehen vom persönlichen Leid und den massiven national zu tragenden Kosten für das Öffentliche Gesundheitssystem wird für diesen Zeitraum ein weltwirtschaftlicher Gesamtschaden von bis zu 100 Trillionen Dollar erwartet. Koordinierte Gegenmaßnahmen zur Bekämpfung der gegenwärtig kursierenden Antibiotikaresistenzgen-Seuche auf nationaler sowie internationaler Ebene sind daher unabdingbar.
Erkennung von Antibiotikresistenz Hot Spots und die Ausarbeitung von Strategien zur Bekämpfung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzgenen - wie im Projekt vorgeschlagen - sind daher auch gerade für die Landwirtschaft von zentrale Bedeutung.
Berichte
Kurzfassung
Berichtsdateien
Abstract (deutsch)
Die Konzentrationen von 24 klinisch relevanten Antibiotikaresistenzgenen (ant(3”)-Ia/aadA, aph(3’)-IIa/nptII, aph(3’)-IIIa/nptIII, aph(6)-Id/strB; blaCTX-M‑1-15, blaKPC, blaNDM‑1, blaOXA-10, blaTEM‑1, mecA; cmxA; dfrA1; ermB, ermF; mcr‑1; qacEdelta1; qnrS; sat‑4; sul1; tet(A), tet(M), tet(O), tet(W); vanA) und von zwei mobilen genetischen Elementen (intl1, ISPps) wurden in vier österreichischen Ackerböden exemplarisch in einem Freiluft-Versuchsgelände (HOAL; Petzenkirchen, Niederösterreich) im Verlauf einer Vegetationsperiode ermittelt. Die ermittelten ARG-Konzentrationen in 3 mit Schweinegülle exponierten HOAL-Ackerböden und dem nicht Gülle-gedüngten HOAL-Feld wurden mit der ARG-Belastung von nicht intensiv anthropogen exponierten HOAL-Laub- und Nadelwaldkomparatorbodenproben sowie mit HOAL-Drainage und –Oberflächenwasserproben verglichen. Zusätzlich wurde die ARG-Belastung von nicht landwirtschaftlich genutzten Flächen aus naturnahen Gebieten (Auen, Alpen) und von unter stärkerem anthropogenem Einfluss stehenden urbanen Ökosystemen (Parkanlagen, Straßenränder, Tierparks) ermittelt. Die Einbeziehung dieser Daten soll eine evidenzbasierte Einschätzung des Risikos einer Resistenzübertragung aus Umweltquellen auf menschliche und tierische Pathogene erleichtern.
Die landwirtschaftlich genutzten Böden zeigen eine hohe Resilienz gegenüber durch Gülledüngung eingebrachte Antibiotikaresistenzen: Nach initialem Anstieg sinken im Verlauf der Anbauperiode die ARG-Konzentrationen wieder auf das Ausgangsniveau vor Gülledüngung. Klar erkennbar anhand der ARG-Prävalenz und ihrer generell leicht erhöhten ARG-Konzentrationen sind alle HOAL-Felder, die über einen längeren Zeitraum mit Gülle gedüngt wurden, auch wenn im Testzeitraum akut keine Gülledüngung durchgeführt worden ist. Eine Übertragung von Resistenzgenen aus der Gülle in den Boden konnte im HOAL-Testgelände nachgewiesen werden. Eine Ausschwemmung von Gülle-assoziierten Resistenzen in zeitlichem Kontext aus Gülle-exponierten Feldern in Drainage und Oberflächengewässer konnte im HOAL-Setting nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden. Die vergleichsweise niedrigste ARG-Belastung wurde für Nadelwälder dokumentiert. Nur in Gülle konnten Antibiotika (Marbofloxacin: 20,8 µg/kg, Doxycyclin: 102,0 µg/kg quantifiziert werden. Sulfadimidin: (< 0,0010 µg/L) war in einer Wasserprobe vorhanden. Im Sinne des Vorsorgeprinzips wird empfohlen, die Einbringung von ARGs über Gülle zu überwachen.
Abstract (englisch)
The concentrations of 24 clinically relevant antibiotic resistance genes (ARGs: ant(3”)-Ia/aadA, aph(3’)-IIa/nptII, aph(3’)-IIIa/nptIII, aph(6)-Id/strB; blaCTX-M‑1-15, blaKPC, blaNDM‑1, blaOXA-10, blaTEM‑1, mecA; cmxA; dfrA1; ermB, ermF; mcr‑1; qacEdelta1; qnrS; sat‑4; sul1; tet(A), tet(M), tet(O), tet(W); vanA) and of 2 mobile genetic elements (MGEs: intl1, ISPps) were determined in 4 agricultural soils exemplarily in the Hydrology Open Air Laboratory (HOAL; Petzenkirchen, Niederösterreich) over a crop vegetation period. The ARG-concentrations in the fields exposed to pig manure were compared with the ARG background-loads in the non-manured field and two comparator soils from coniferous and deciduous forests as well as to HOAL drainage and river water. Additionally, ARG concentrations in non-agricultural soils from pristine (riparian, sub- and alpine regions) and urban areas under various grades of anthropogenic pressure (parks, Lainzer Tiergarten, roadsides along city boulevards) were obtained. The ARG concentrations acquired from those locations were compared to the situation encountered in agricultural fields helping to improve an evidence-based risk assessment concerning the transfer of antibiotic resistance determinants from environmental sources to human and animal pathogens. Agricultural soils showed a high resilience against manure-borne ARGs: After an initial concentration increase of certain manure-associated ARGs the abundance was continually decreasing and reached initial ARG-loads present before exposure of soil to manure at the end of the crop growth period. All manure-exposed fields were identifiable by a characteristic ARG-prevalence and generally elevated levels of these ARGs in soil samples, even if the field was not manured during the observation period but had a long-term history of exposure to manure before. The movement of ARGs from manure to soil could be demonstrated in HOAL fields. Manure associated ARGs could not be unequivocally demonstrated in field drainage or river water. The lowest ARG loads were shown for coniferous soils. Antibiotics could be quantified only in manure (Marbofloxacin: 20,8 µg/kg, Doxycyclin: 102,0 µg/kg). Sulfamidine was qualitatively detected in a water sample. Referring to the precautionary principle ARG monitoring in manure is recommended.
Autor/innen
Galazka, S.; Kuffner, M.; Weyermair, K.; Radu, E.; Korschineck, I.; Dersch, G.; Vigl, V.; Young, G.; Tomschiczek, L.; Pichler, J.; Allerberger, F.; Spettel, K.; Kriz, R.; Schwarz, M.; Steinwider, J.; Bock, H.; Mika, S.; Dobrovolny, S.; Hochegger, R.; Reisenzein, H.; Gottsberger, R.; Dielacher, I.; Slipko K.; Rab, G.; Strauss, P.; Baumgartner, C.; Hillerbrand, R.; Zsak, K.; Vierheilig, J.; Kreuzinger, N.; Woegerbauer, M.
Abstract (deutsch)
Kurzbeschreibung des Projektes inkl. Darstellung der Ergebnisse
Abstract (englisch)
Concise description of project and results
Autor/innen
Sonia Galazka MSc. (AGES), Dr. Melanie Kuffner (AGES), Ass. Prof. Dr. Julia Vierheilig (TU Wien), Ass. Prof. Dr. Norbert Kreuzinger (TU Wien), Dr. Markus Wögerbauer (AGES)