MARGINS-II

Im vorgestellten Projekt soll die Hintergrundbelastung von Abwässern und Oberflächengewässern mit Antibiotika resistenten Bakterien (ARBs) und Antibiotikaresistenzgenen (ARGs) ermittelt werden. Für Österreich liegen diesbezüglich zwar vereinzelte Untersuchungen aus Stichproben bzw. einzelnen Kläranlagen vor, jedoch keine systematisch erhobenen Daten vor, welche unter anderem folgende Aspekte berücksichtigen:

• Untersuchung repräsentativer Stellen (Oberflächengewässer & Kläranlagen)
• Untersuchung eines Belastungsgradienten (z.B. Referenzstellen vrs. Überblicksmessstellen)
• Berücksichtigung einer zeitlichen Dynamik (Fluktuation im Jahresverlauf)
• Auswahl der Stellen bezüglich Verknüpfbarkeit mit thematisch anders gelagerten Untersuchungen (z.B. organische Spurenstoffe inkl. Antibiotikakonzentrationen)

Das angestrebte Untersuchungsprogramm soll primär eine Ersterhebung der Situation für Österreich darstellen und steht im Einklang mit den Vorgaben der EU zum „One Health“ Konzept zur Eindämmung von Antibiotikaresistenzen und zur Schwerpunktsetzung im Nationalen Aktionsplan zur Antibiotikaresistenz (NAP-AMR). Im Detail werden folgende Projektziele verfolgt:

1. Charakterisierung der Antibiotikaresistenzgenbelastung von gereinigten Abwässern und Oberflächengewässern (Bestimmung des Status-quo; qualitatives Screening)
2. Quantifizierung von klinisch/veterinärmedizinisch relevanten ARGs in den getesteten Umweltkompartimenten (Status-quo; ARG-spezifische Quantifizierung)
3. Evidenzbasierte Identifikation von Ökosystemen, die ein hohes Risiko für die Verbreitung von klinisch/veterinärmedizinisch relevanten ARGs darstellen (Risikobewertungselement)
4. Überlegungen zur Identifizierung von Critical Control Points und Strategien zur Minimierung der Ausbreitung von klinisch/veterinärmedizinisch relevanten ARGs in den Umwelthabitaten zur Unterstützung eines Risikomanagements in Österreich.
   

Antibiotika-resistente Infektionserreger verursachen in der Lebensmittelproduktion und in der Landwirtschaft schwere finanzielle Schäden. 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 Antibiotikaresistenz Hot Spots und die Ausarbeitung von Strategien zur Bekämpfung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzgenen - wie im Projekt vorgeschlagen - sind daher auch gerade für die Wasserwirtschaft von zentraler Bedeutung, da die Abwasserwirtschaft je nach ARG Gefährdungspotential unterschiedliche Abwasserreinigungsstrategien zur Anwendung bringen muss.

Das steigende Bewusstsein über die Zunahme von antibiotikaresistenten Bakterien (ARBs) und Antibiotikaresistenzgenen (ARGs) in den letzten Jahren und die Einstufung dieser Thematik als globale Gesundheitsbedrohung durch die WHO hat auch die Bedeutung der Umwelt in den Fokus gerückt. Eine sehr große Anzahl an ARGs kommt ganz natürlich in der Umwelt vor. Werden sie jedoch auf Krankheitserreger übertragen, stellt dies eine potentielle Bedrohung für die Gesundheit von Mensch und Tier dar. Bei multiresistenten Erregern ist die Wahrscheinlichkeit eines Therapieversagens besonders hoch. Zu den gesundheitsgefährdenden ARGs zählt man derzeit vor allem ESBL-Gene (blaKPC, blaNDM-1, blaOXA, blaCTX-M, blaTEM, etc) sowie vanA und mcr1. Als besonders gefährliche ARB gelten multiresistente Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas spp. und Acinetobacter baumanii. Antibiotikaresistenzen in der aquatischen Umwelt in Österreich waren bereits Gegenstand einiger Studien, systematische Datenerhebungen fehlten jedoch bisher. Ziel des MARGINS-II Projektes war es daher eine erste systematische Untersuchung der ARG-Hintergrundbelastung von österr. Abwasser und Oberflächengewässern (OFGs) durchzuführen. Im Zuge dessen wurden verschiedene österr. Kläranlagen (KAs), sowie OFGs auf sieben ausgewählte ARGs (sul1, ermB, tet(W), vanA, blaTEM-1, nptII und nptIII) mittels qPCR untersucht. Für ausgewählte Proben wurden zusätzlich weitere Untersuchungen (Hochdurchsatz Gen-Profiling und Amplikonsequenzierungen) durchgeführt. Um methodische Einflüsse auf nachgeschaltete Analysen wie qPCR beurteilen zu können, wurden in einem ersten Schritt Kläranlagen-Proben hingehend der (i) Art der Probenahme, (ii) Lagerung der Proben und (iii) unterschiedlicher Probenprozessierung untersucht. Basierend auf den Ergebnissen der methodischen Experimente konnte schließlich ein standardisierter Arbeitsablauf für die Aufarbeitung der KA- und OFG-Proben zur Analyse der sieben ARGs mittels qPCR etabliert werden. Die Ergebnisse des systematischen Überwachungsprogramms zeigen, dass in den untersuchten KAs alle sieben ARGs detektiert werden konnten. Am häufigsten wurden die ARGs sul1 und ermB, am seltensten vanA und nptIII detektiert. Die Reduktion der ARG-Konzentrationen zwischen Zu- und Ablauf der betrachteten KAs betrug zwischen 1,3 und 4,3 LOG-Stufen. Durch weitergehende Abwasserbehandlungsverfahren kann diese Reduktionsleistung weiter verbessert werden, wofür zwei Beispiele gezeigt werden: i) Multibarrierensystem (Ozonung & nachgeschaltete granulierte Aktivkohlestufe), wodurch die ARG-Entfernung um ca. 1 weitere LOG-Stufe gesteigert werden konnte und ii) Membranfiltration, welche eine Entfernungsleistung von bis zu 4 LOG-Stufen zeigte. In den untersuchten OFGs konnten ebenfalls alle sieben ARGs detektiert werden, jedoch vanA und nptIII nur in einzelnen wenigen Proben mit meist sehr geringen Konzentrationen. Am häufigsten wurden auch hier die ARGs sul1 und ermB detektiert. Die Konzentrationen mancher ARGs (z. B. ermB) waren in den OFGs um bis zu 5 LOG-Stufen niedriger als in den KA-Abläufen. OFG-Probenahmestellen mit anthropogenem Einfluss wiesen in der Regel eine höhere ARG-Konzentration auf, als Proben aus unberührteren Gebieten. Zusammenfassend kann dieser Bericht einen umfassenden Überblick über die ARG-Belastung in aquatischen Systemen in Österreich vermitteln und als Basis für die Entwicklung zukünftiger Untersuchungsstrategien im Sinne eines „One-Health“ Ansatzes dienen. Um potentielle Gefährdungen für den Menschen zu minimieren, ist die regelmäßige Überwachung in Kläranlagen und Oberflächengewässern unabdingbar. Dabei sind für eine bessere Risikoabschätzung letztendlich neben dem Einsatz molekularbiologischer Methoden auch komplementäre kultivierungsbasierte Verfahren nötig.