Das Bild stellt ein Belebungsbecken einer Kläranlage dar. Das Motiv ist im Halbkreis umsäumt von sechs bienenwabenförmigen Elementen, die Icons enthalten, die auf die medizinische und gesundheitspolitische Bedeutung des Bodens hinweisen (Antibiotika-Pillen, Heilmittelfläschchen, Gesundheitsschutz für Menschen, Darstellung des Globus = Referenz auf One Health Konzept).

© Die Bildbestandteile wurden bezahlt und unter Eigenregie bearbeitet. Es steht zur uneingeschränkten Nutzung zur Verfügung (i-Stock Foto). Rechnung vom 05.08.2022 und 10.10.2022 verfügbar.

MARGINS-II: Identifizierung und Quantifizierung der Antibiotikaresistenzgen- Hintergrundbelastung von Abwasser und Oberflächengewässern in Österreich

Projektleitung

Markus Wögerbauer

Forschungseinrichtung

AGES

Projektnummer

101447

Projektlaufzeit

-

Finanzierungspartner

Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit GmbH| Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus| Technische Universität Wien| 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, sewage, wastewater

Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)

Titel (englisch)

Monitoring of Antibiotic Resistance Genes in Wastewater and Surface Waterbodies

Abstract (englisch)

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. 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 (AR) (1-3), zur Schwerpunktsetzung im Nationalen Aktionsplan zur Antibiotikaresistenz (NAP-AMR) (4) und zur Beantwortung der parlamentarischen Anfrage 901/J (XXVI.GP/890/AB).
Das Projekt berücksichtigt folgende Aspekte:

  • 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

Projektziele

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.

Praxisrelevanz

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.

Berichte

Abschlussbericht

Kurzfassung

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.

Berichtsdateien

MARGINS-II_Endbericht.pdf

Abstract (deutsch)

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. Antibiotikaresisten­zen in der aquatischen Umwelt in Österreich waren bereits Gegenstand einiger Studien, systematische Datenerhebungen fehlten jedoch. 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 zusätzliche 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. In den untersuchten OFGs konnten ebenfalls alle sieben ARGs detektiert werden, 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.

Abstract (englisch)

The growing awareness of the increase in antibiotic-resistant bacteria (ARBs) and antibiotic-resistant genes (ARGs) in recent years and the classification of this issue as a global health threat by the WHO has also brought the importance of the environment into focus. Antibiotic resistance in the aquatic environment in Austria has already been the subject of several studies, but systematic data collection on this issue has been lacking. Therefore, the aim of the MARGINS-II project was to conduct a first systematic investigation of the ARG background contamination of Austrian wastewater and surface waters (SWs). In the course of this project, various Austrian wastewater treatment plants (WWTPs) and surface waters were analysed for seven ARGs (sul1, ermB, tetW, vanA, blaTEM-1, nptII und nptIII) by qPCR. For selected samples, additional investigations (high-throughput gene profiling and amplicon sequencing) were carried out. In order to assess methodological influences on downstream analyses such as qPCR, wastewater treatment plant samples were examined in a first step with regard to (i) the type of sampling, (ii) storage of the samples, and (iii) different sample processing procedures. Finally, based on the results of the methodological experiments, a standardised workflow for the processing of WWTP and SW samples for the analysis of the seven ARGs could be established. The results of the systematic monitoring campaign show that all seven ARGs could be detected in the investigated WWTPs. The ARGs sul1 and ermB were detected most frequently, vanA and nptIII least frequently. The reduction of ARG concentrations between influent and effluent of the considered WWTPs was between 1.3 and 4.3 LOG levels. In the investigated SWs, also all seven ARGs could be detected but vanA and nptIII only in a few individual samples with generally very low concentrations. The ARGs sul1 and ermB were also detected most frequently here. The concentrations of some ARGs (e.g. ermB) were up to 5 LOG levels lower in the SWs than in the WWTPs effluents. SW sampling sites with anthropogenic influence (e.g. due to WWTP discharge) generally had higher ARG concentrations than samples from more pristine areas. In conclusion, this report can provide a comprehensive overview of ARG pollution in aquatic systems in Austria and serve as a basis for the development of future investigation strategies in the sense of a "One-Health" approach.

Autor/innen

Dielacher, I., Slipko, K., Radu, E., Galazka, S., Masseron, A., Eder, G., Schaar, H., Reif, D., Kreuzinger, C., Krampe, J., Kuffner, M., Weyermair, K., Korschineck, I., Cervero-Aragó, S., Derx, J., Linke, R., Woegerbauer, M., Kreuzinger, N., Vierheilig J.