Abschlussbericht DBU AZ 32081
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Arbeitsbereich Soil Microbial Ecology Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien UFT Universität Bremen Reduzierung der Keimbelastung in Vorflutern durch Behandlung des Kläranlagenablaufs in einem neuartigen bepflanzten Bodenfilter mit Untersuchungsfokus auf antibiotikaresistente Bakterien Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem AZ: 32081 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt von Dr. Stefan Knauth (Projektbearbeitung) Dr. Thilo Eickhorst (Projektleitung) September 2016 Dr. Stefan Knauth Tel.: +49 421 218 63447 E-Mail: [email protected] Dr. Thilo Eickhorst Tel.: +49 421 218 63446 E-Mail: [email protected] Universität Bremen Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien (UFT) Soil Microbial Ecology Leobener Str., UFT 28359 Bremen 10/01 Projektkennblatt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt Az 32081/01 Referat 23 Fördersumme 121.200 € Antragstitel Reduzierung der Keimbelastung in Vorflutern durch Behandlung des Klär- anlagenablaufs in einem neuartigen bepflanzten Bodenfilter mit Untersu- chungsfokus auf antibiotikaresistente Bakterien Stichworte Verfahren, Filter, Screening Laufzeit Projektbeginn Projektende Projektphase(n) 18 Monate 01.11.2014 30.04.2016 1 Zwischenberichte Bewilligungsempfänger Universität Bremen Tel. 0421/218-63446 FB 2 Biologie/Chemie Fax Soil Microbial Ecology Projektleitung: Herr Dr. Thilo Eickhorst Dr. Thilo Eickhorst Leobener Str. im UFT Bearbeiter: 28359 Bremen Dr. Stefan Knauth Kooperationspartner Wasserversorgung Sulinger Land, Nechtelsen 11, 27232 Sulingen Mikrobiologisches Labor - Dr. Michael Lohmeyer GmbH, Mendelstraße 11, 48149 Münster Meyer Umweltservice GmbH & Co. KG, Ellerchenhausen 1, 27239 Twistringen Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Antibiotikahaltige Abwässer führen in Aufbereitungsanlagen und Kleinkläranlagen zur Bildung von multi- resistenten Bakterien. Die Emission dieser Bakterien in den natürlichen hydrologischen Kreislauf kann zu einer breiten Übertragung der Resistenzgene auf autochthone Mikroorganismen führen und später direkt oder über den Umweg der Nahrungskette zum Menschen gelangen, wo sie zur Verschlechterung der be- reits bestehenden Antibiotika-Therapieprobleme führen können. Ziel des Vorhabens ist, ein am Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien (UFT) der Universität Bremen entwickeltes innovatives Bodenfilterverfahren hinsichtlich der bakteriellen Eliminati- onsleistung von vorgeklärten Abwässern einer kleineren kommunalen Kläranlage zu bewerten. Im Fokus der Überprüfung steht der Einfluss des Filtrationsverfahrens auf Antibiotika-resistente, klinisch relevante Bakterien. Die Reduzierung der Keime dient dabei nicht nur der zusätzlichen hygienischen Entlastung, sondern verhindert indirekt auch eine Ausbreitung von Resistenzgenen in die Gewässer und somit eine mögliche Übertragung auf die dortige Mikroflora und humanpathogene Erreger in die Umwelt. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Das Vorhaben zielt auf eine Bewertung der Keimreduktion durch den Einsatz des innovativen bepflanz- ten Bodenfilters und einer Verringerung der Emission Antibiotika-resistenter Keime in den Vorfluter. Die mikrobielle Belastung im Zu- und Ablauf des Bodenfilters sowie der einzelnen Substratzonen wird analysiert und bewertet, was die Grundlage zur weiteren Verfahrensoptimierung liefert. Es werden aktu- elle, moderne molekularbiologische Verfahren wie die Hochdurchsatz-Sequenzierung (NGS) und DNA- Anfärbung zur bestmöglichen phylogenetischen Charakterisierung und Quantifizierung der hygienischen Eliminationsleistung des Bodenfilters verwendet. Bedeutende Antibiotika-Resistenzgene von klinisch re- levanten Bakteriengruppen werden mit Hilfe des Verfahrens der Real-time PCR quantifiziert. Zusätzlich werden Antibiogramme von Indikator-Mikroorganismen (Escherichia coli) angefertigt, um potentielle Bil- dungen von Multiresistenzen identifizieren zu können. Ergänzt werden diese Analysen mit klassischen Verfahren der Kultivierung, sowohl der insgesamt vorhandenen Kolonie bildenden Einheiten (KbE) als auch selektiv der Coliformen und E. coli KbE, sowie Respirationsmessungen der Bodenfiltersubstrate. Die Untersuchungen wurden über einem Zeitraum von April bis Dezember 2015 an einem an der Kläran- lage Sulingen installierten Bodenfilter (DBU AZ 28722) durchgeführt. Deutsche Bundesstiftung Umwelt An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel 0541/9633-0 Fax 0541/9633-190 http://www.dbu.de Ergebnisse und Diskussion Die Eliminationsleistung des bepflanzten Bodenfilters konnte sowohl mit klassischen als auch molekular- biologischen Methoden nachgewiesen werden. Im Versuchsverlauf zeigten sich deutliche Schwankun- gen sowohl bei der Keimbelastung des Klärwassers als auch bei der Eliminationsleistung. Letztere zeigte vor allem im Sommer bei der Reduktion coliformer Keime eine gute Leistung (im Mittel -85%). Sobald die Keimbelastung im Klärwerksablauf einen Schwellenwert von ca. 2 Mio. Keimen je ml unterschreitet, kann der Bodenfilter allerdings keine weitere Reduktion erreichen. Hinsichtlich der mikrobiellen Diversität gleicht sich die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft im Bodenfilterablauf dem Substrat des Bodenfilters an und zeigt eine wesentlich geringere Ähnlichkeit mit der Zusammensetzung im Klärwerksablauf (<50%). In beiden Abwässern konnten spezifische Zu- und Abnahmen untersuchter Bakteriengruppen identifiziert werden. Ähnliche Tendenzen konnten bei der quantitativen Analyse der Resistenzgene festgestellt werden, was für 3 der untersuchten 6 Resistenzge- ne eine Zunahme an einzelnen Terminen im Ablauf des Bodenfilters bedeutete. Die Analyse der Antibiotikaresistenz isolierter E. coli Keime zeigte eine Verschiebung der Antibiotikare- sistenz-Muster zwischen Klärwerksablauf und Bodenfilterablauf. Dabei kam es in letzterem zum Auftre- ten neuer Resistenzen, deren Auswirkung aber relativ zur deutlich geringeren Keimbelastung des Filter- ablaufs gesehen werden muss. Nichts desto trotz führt der Bodenfilter zu Veränderungen der mikrobiel- len Qualität des Abwassers, die sich über die allgemeine Bestimmung von KbE oder Analyse der mikro- biellen Aktivität als Summenparameter nicht ableiten lassen. Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation Im Rahmen dieses Projektes wurden der Forschungsgegenstand und Teilergebnisse zu verschiedenen Gelegenheiten präsentiert und mit unterschiedlichen Zielgruppen diskutiert. Bereits zu Beginn des Projektes wurde das Vorhaben im Rahmen eines Zeitungsartikels in der Nord- westzeitung vom 24.04.2015 zusammen mit dem DBU Projekt AZ 28722 thematisiert. Eine weitere Er- wähnung fand das Projekt in einem Zeitungsartikel im Weser-Kurier vom 13.10.2015, in dem Böden und deren Rolle bei der Filtration von Wasser thematisiert wurden. Darüber hinaus wurde das Projekt der Fachöffentlichkeit in Form zweier Tagungsbeiträge („Influence of soil filters on the bacterial diversity in the effluent of a wastewater treatment plant“, KIII Tagung der DBG, 17.-18.03.2015; „Einfluss eines bepflanzten Bodenfilters auf die Elimination von Bakterien aus dem Ab- lauf eine Kleinkläranlage unter Berücksichtigung von Antibiotika resistenten Keimen und deren Resis- tenzgenen“, Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, 05.-10.09.2015) präsentiert. Zu den Beiträgen wurde ein Abstract angefertigt und veröffentlicht. Zudem wurden die methodischen Aspek- te des Projektes während der Teilnahme am 3rd International Symposium on the Environmental Dimen- sion of Antibiotic Resistance (EDAR-3; 17.-21.05.2015) mit Experten dieser Thematik diskutiert. Eine Vorstellung des Projektes unter Fachleuten aus der Anwendungspraxis erfolgte im Rahmen eines Projekttreffens (zusammen mit DBU AZ 28722; 26.05.2015). Die vorgestellten Ergebnisse wurden im Plenum und in vertieften Fachgesprächen diskutiert. Die Endergebnisse des Projektes sollen im Rahmen eine Bodenfilter-Workshops am UFT Bremen gegen Ende 2016 zusammen mit weiteren am UFT ge- wonnenen Ergebnissen vorgestellt werden. Derzeit sind zwei Veröffentlichungen aus diesem Projekt vorgesehen, wobei eine eher auf die Praxisan- wendung ausgerichtet sein wird und eine weitere die methodischen Erkenntnisse aus dem Vorhaben in einer internationalen Fachzeitschrift thematisieren wird. Fazit Durch das Verfahren des bepflanzten Bodenfilters können Bakterien, insbesondere E. coli und Coliforme aus dem Klärwasserablauf effizient eliminiert werden. Das entsprechende Abwasser aus dem Filterab- lauf trägt somit zur hygienischen Entlastung des Vorfluters und damit auch der gesamten Umwelt bei. Die hochauflösende molekularbiologische Analyse der mikrobiellen Diversität in den untersuchten Ab- wässern des Klärwerks und des Bodenfilters ließen neben der Elimination einzelner Keimgruppen auch ein vermehrtes Auftreten bisher nicht im Klärablauf identifizierter Keime erkennen. Hinsichtlich der Resistenzgene zeigte sich, dass ein Teil der analysierten, klinisch relevanten Gene re- duziert wurden, aber auch eine Zunahme weniger Gene detektiert wurde. Weiterführende Analysen der Resistenzspektren von E. coli Isolaten zeigten ebenso, dass sich neben der Verringerung bestimmter Resistenzen auch gegenüber dem Klärwerksablauf neue Antibiotikaresistenzen im Bodenfilterablauf zeigten. Diese Effekte bezüglich der Resistenzen müssen aber relativiert werden, da bereits die hohe Eliminationsleistung des Bodenfilters das Ausmaß im Bodenfilterablauf deutlich reduziert. Für eine weitere Optimierung des Verfahrens sollte eine Anpassung hinsichtlich der gezielten Elimination spezifischer Bakteriengruppen