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Hintergrund

Antibiotikaresistenzen haben sich als eine ernste globale Bedrohung der öffentlichen Gesundheit herausgestellt. Die Rolle der Umwelt bei der Verbreitung und Entstehung der Antibiotikaresistenzen wurde verschiedentlich belegt und zahlreiche Studien identifizierten spezifische Gene oder resistente Bakterien in Umweltmedien (z. B. 1, 2). Dennoch ist wenig über die Übertragungsdynamik der Antibiotikaresistenz aus Wasser, Luft und Boden und deren Risiken für den Menschen in direktem Kontakt mit diesen Matrizen bekannt. Der Schlüssel zur Bestimmung der Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit liegt in der Anwendung epidemiologischer Untersuchungen, bei denen Personen als Träger resistenter Bakterien identifiziert werden, die einem spezifischen Übertragungsweg ausgesetzt sind. Diese werden mit nichtexponierten Kontrollpersonen verglichen. Solche Studien wurden bei Reisenden3 und Landwirten4 durchgeführt, aber Umweltbelastungen wurden bislang selten untersucht5.

In kommunalen Kläranlagen werden Abwässer aus der Landwirtschaft, Krankenhäusern und der Allgemeinbevölkerung gesammelt, wodurch sie zu ungewollten Sammelstellen für Antibiotika, antibiotikaresistenten Bakterien (ARB) und Antibiotikaresistenzgenen (ARGs) werden. Abwasseraufbereitungsprozesse sind nicht grundsätzlich so entwickelt, Antibiotika, ARB und ARGs zu entfernen. Studien zeigen, dass trotz der Reduktion durch bestimmte Behandlungsverfahren große Mengen an Antibiotika und ARGs in die weitere Umwelt eingetragen werden, wie z.B. in Badeseen oder die landwirtschaftliche Bewässerung (z. B. 6). Darüber hinaus wurden in den Zu- und Abläufen von Kläranlagen und den empfangenden Oberflächengewässern Extended-Spectrum-Beta-Lactamasen (ESBL) und Carbapenemase-produzierende Enterobacteriaceae (CPE) nachgewiesen. Dabei konnte eine Übereinstimmung der Genotypen der Resistenzdeterminanten mit denen in naheliegenden  Krankenhäusern festgestellt werden7. Während die Behandlungseffizienz herkömmlicher Behandlungstechnologien von Kläranlage zu Kläranlage verschieden ist, bleibt die Rolle der spezifischen Behandlungstechniken für die Entfernung von Bakterien unzureichend charakterisiert8.

Beschäftigte kommunaler Kläranlagen sind möglicherweise durch direktem Kontakt mit verschmutztem Abwasser sowie aerosolierten ARB / ARGs exponiert. Als Aufnahmewege kommen Inhalation und Ingestion in Frage, eine dermale Aufnahme speziell über Verletzungen wäre auch möglich. Luftgetragene Bakterien wurden in Kläranlagen bereits identifiziert, einschließlich koliformer Keime9. Zudem wurde eine erhöhte Prävalenz von Magen-Darm-Erkrankungen und Atemwegserkrankungen bei Mitarbeitern von Kläranlagen nachgewiesen, die mit der mikrobiellen Exposition zusammenhängen könnte10. Einige wenige Studien untersuchten bislang spezifische Pathogene bei Mitarbeitern von Kläranlagen. Sie fanden eine erhöhte Trägerschaft von Tropheryma whipplei11, hohe Antikörperlevel gegen Helicobacter pylori12, Hepatitis A (HAV) und Hepatitis E (HEV) und positive Stuhl-PCR-Tests für Leptospira spp.13. Insgesamt ist aber die Übertragung von resistenten Bakterien auf Kläranlagenmitarbeiter noch nicht ausreichend untersucht.

Darüber hinaus befinden sich Kläranlagen in Städten oft in unmittelbarer Nähe der Anwohner. Da Bakterien bis zu 150 Meter entfernt von Tierbetrieben zurückverfolgt werden können14, ist davon auszugehen, dass auch die angrenzenden Bewohner kommunaler Kläranlagen einem Expositionsrisiko ausgesetzt sind. Insgesamt stellt die Stadtluft eine bisher vernachlässigte potentielle Übertragungsstrecke für Antibiotikaresistenzen dar, in ihr ist mit einer höheren Diversität von Resistenzgenen zu rechnen als in jeder anderen Umgebung, einschließlich des menschlichen Darms15. Die Kläranlagen, ihre Mitarbeiter und Anwohner sind daher ein ideales, aber noch nicht untersuchtes Modell, um zu erforschen, ob die Übertragung über (Ab-)Wasser die ARB- und ARGs-Trägerschaft beim Menschen tatsächlich erhöht.

Abwasser enthält typischerweise eine Mischung von Restantibiotika und anderer Substanzen, von denen bekannt ist, dass sie für die Antibiotikaresistenz ko-selektiv sind16, 17. Dies bietet das Potential für eine Selektion und damit die relative Anreicherung resistenter Bakterien. Selektionsdruck zusammen mit einer hohen Dichte und Vielfalt von Pathogenen und Umweltbakterien, die verschiedene Resistenzfaktoren tragen, bilden ein Milieu, in dem Rekombinationen und genetische Austausche zur Entstehung neuer Phänotypen prädisponieren18, 19. Aus der Untersuchung der Metagenomik-Daten kann die Entstehung neuer Resistenz-Gene untersucht werden20. Auch können Veränderungen der relativen Resistenzgenhäufigkeit entlang der Kläranlage, die mit Daten über die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften gekoppelt werden, Indikatoren für die Selektion verschiedener Resistenzen liefern.

Innerhalb dieses Projekts können Daten über die ESBL-, CPE- und andere Resistenzgen-Prävalenz in Luft- und Wasserproben sowie bei Arbeitern und Bewohnern von 80-100 verschiedenen Kläranlagen in drei Ländern gesammelt werden, um die gesundheitlichen Auswirkungen der Exposition in und um Kläranlagen zu beurteilen. Durch die Quantifizierung des Beitrags verschiedener Abwasserbehandlungsprozesse zur ARB / ARGs-Abscheideleistung werden wir evidenzbasierte Unterstützung für mögliche Präventionsstrategien zur Verfügung stellen.


Literatur

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  2. Martinez JL, Fajardo A, Garmendia L, et al. A global view of antibiotic resistance. FEMS microbiology reviews 2009; 33: 44–65.
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  4. Graveland H, Wagenaar JA, Heesterbeek H, et al. Methicillin resistant Staphylococcus aureus ST398 in veal calf farming: Human MRSA carriage related with animal antimicrobial usage and farm hygiene. PloS One 2010; 5: e10990.
  5. Casey JA, Curriero FC, Cosgrove SE, et al. High-density livestock operations, crop field application of manure, and risk of community-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus infection in Pennsylvania. JAMA internal medicine 2013; 173: 1980–1990.
  6. Pruden A, Larsson DGJ, Amézquita A, et al. Management options for reducing the release of antibiotics and antibiotic resistance genes to the environment. Environmental Health Perspectives 2013; 121: 878–885.
  7. Bréchet C, Plantin J, Sauget M, et al. Wastewater treatment plants release large amounts of extended-spectrum β-lactamase-producing Escherichia coli into the environment. Clinical Infectious Diseases: An Official Publication of the Infectious Diseases Society of America 2014; 58: 1658–1665.
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  9. Heinonen-Tanski H, Reponen T, Koivunen J. Airborne enteric coliphages and bacteria in sewage treatment plants. Water Research 2009; 43: 2558–2566.
  10. Thorn J, Beijer L. Work-related symptoms and inflammation among sewage plant operatives. International Journal of Occupational and Environmental Health 2004; 10: 84–89.
  11. Schöniger-Hekele M, Petermann D, Weber B, et al. Tropheryma whipplei in the environment: Survey of sewage plant influxes and sewage plant workers. Applied and Environmental Microbiology 2007; 73: 2033–2035.
  12. Van Hooste W, Charlier A-M, Rotsaert P, et al. Work-related Helicobacter pylori infection among sewage workers in municipal wastewater treatment plants in Belgium. Occupational and Environmental Medicine 2010; 67: 91–97.
  13. Albatanony MA, El-Shafie MK. Work-related health effects among wastewater treatment plants workers. The International Journal of Occupational and Environmental Medicine 2011; 2: 237–244.
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  18. Gaze WH, Krone SM, Larsson DGJ, et al. Influence of humans on evolution and mobilization of environmental antibiotic resistome. Emerging Infectious Diseases; 19. Epub ahead of print July 2013. DOI: 10.3201/eid1907.120871.
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  20. Boulund F, Johnning A, Pereira MB, et al. A novel method to discover fluoroquinolone antibiotic resistance (qnr) genes in fragmented nucleotide sequences. BMC genomics 2012; 13: 695.