Impact of antibiotics and particulate matter from wastewater discharges on the abundance of antibiotic resistance genes in river sediments

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen der Einleitung von kommunalen Klaranlagen und der Menge an Antibiotikaresistenzgenen (ARG) in Flusssedimenten des Vorfluters untersucht. Eine wesentliche Frage war dabei, was der Treiber fur die Akkumulation der ARG ist. Zur Auswahl standen dabei die Einleitungen von Antibiotikaruckstanden (ABs) auf der einen Seite oder die partikulare Fracht auf der anderen Seite. Letztere ist dafur bekannt, pathogene Organismen aber auch ARG mit sich zu fuhren. \n \nDie Ergebnisse einer Feldstudie zeigten zunachst, dass die Selektion von ARG durch Antibiotikaruckstande moglicherweise weniger entscheidend ist, als allgemein angenommen wird. Stattdessen wiesen sie auf die zweite der oben benannten Optionen fur die Verbreitung von ARG hin: ARG (ermB, blaTEM, tetM, qnrS) assoziieren zum Teil stark mit den partikularen Bestandteilen im Abwasser und gelangen damit uber die Sedimentation in das Sediment der Vorfluter. \n \nDie ARG-Menge in der sedimentierbaren Fraktion von Abwasser (Genkopien pro g Schwebstoffe, engl. total suspended solids, TSS) korrelierte dabei positiv mit der Anderung der ARG-Menge im Flusssediment des Vorfluters (Differenz der Genkopien pro g Sediment unterhalb und oberhalb der Einleitungsstelle) (R² = 0,93; p\u2009<\u20090,05). \n \nJahrlich werden mehrere hundert Tonnen an partikularen Bestandteilen aus dem untersuchten Klarwerk in den Vorfluter eingeleitet. Ca. 50\u2009% davon kann sich unmittelbar hinter der Einleitungsstelle absetzen. Scheinbar ist die Sedimentation dieser Masse entscheidend fur die Verbreitung von ARG im Flusssediment und fuhrt zu einer Erhohung um 0,5 – 2 Zehnerpotenzen. \n \nUm die Dynamik des oben beschriebenen Sedimentationsprozesses besser zu verstehen, wurde im nachsten Schritt eine Partikelfraktion aus kommunalem Abwasser extrahiert (durch Sieben und Filtration) und in Batchreaktoren gegeben, welche zuvor mit naturlichen Flusssedimenten und Leitungswasser befullt wurden. Parallel hierzu wurden ABs (Erythromycin, Tetrazyklin, Ciprofloxacin, Roxithromycin, Penicillin V und Sulfamethoxazol) hinzugegeben, um sie auf ihre Fahigkeit zur Selektion von ARG zu testen. Die Entwicklung der Haufigkeit von sechs ARGs (ermB, tetM, blaTEM, sul1, CTX-M-32 und qnrS) und die Gesamtzahl an Bakterien (16S rDNA) wurde in der Wasserphase und im Sediment uber einen Zeitraum von zwei Monaten verfolgt. Trotz der relativ hohen Konzentration an ABs, welche uber den gesamten Zeitraum auf konstantem Niveau gehalten wurde (5\u2009μg/L), blieb die Haufigkeit der ARG unverandert. Die Zugabe von Abwasserpartikeln fuhrte zu einem sofortigen, starken Anstieg an ARG in der Wasserphase (3 – 5 Zehnerpotenzen) und im Sediment (1 – 4 Zehnerpotenzen). Erhohte ARG-Mengen gingen allerdings mit einem bestimmten und vollstandigen Zerfall einher. \n \nDie Ergebnisse sowohl aus dem Feldversuch als auch aus den gezielten Versuchen im Labor zeigen, dass die erhohte Haufigkeit an ARG in Vorflutern durch den kontinuierlichen Eintrag von ARG aus Klarwerksablaufen verursacht wird. Sie lassen zudem vermuten, dass ARG nicht persistieren, wenn dieser Eintragspfad unterbrochen wird.