Environmental dissemination and accumulation of antibiotic pharmazeuticals, pathogens, and resistance determinants as caused by wastewater irrigation

• Applicants: Professorin Dr. Elisabeth Grohmann; Professor Dr. Jan Siemens
• Subject Area: Hydrogeology, Hydrology, Limnology, Urban Water Management, Water Chemistry, Integrated Water Resources Management ; Soil Sciences
• Term: from 2010 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 162311074

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

In dem Projekt wurde einerseits der Einfluss von Abwasserbewässerung auf den Verbleib und die Verbreitung von pathogenen Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen in den bewässerten Böden, und andererseits der Einfluss der Einbringung von ungeklärtem Abwasser in Oberflächengewässer auf den Verbleib und die Verbreitung von pathogenen Bakterien und Antibiotikaresistenzgenen untersucht. Als Untersuchungsflächen dienten Böden im Mezquital Tal im Norden von Mexico City, die bis zu 100 Jahren unter Abwasserbewässerung bewirtschaftet wurden. Im Mezquital steht eine sogenannte Boden Chronosequenz zur Verfügung, das heißt Böden, die immer mittels Regenfeldbau bewirtschaftet wurden, können mit solchen verglichen werden, die für unterschiedlich lange Zeiträume (von 1 Jahr bis zu 100 Jahren) unter Abwasserbewässerung standen. Unsere mikro- und molekularbiologischen Untersuchungen des Wasserpfades (Weg des Abwassers von Mexico City ins Mezquital Tal) sowie der Boden Chronosequenz wurden durch chemische Untersuchungen (Universität Bonn, Projekt Siemens/Amelung) zu den in den Böden und Wasserproben vorhandenen Pharmazeutika und deren Abbauprodukte begleitet. Wir konnten zeigen, dass durch die Abwasserbewässerung ein Anstieg in der Konzentration von nosokomialen pathogenen Bakterien, wie „Enterococcus faecalis“ und "Enterococcus faecium" in den Böden zu verzeichnen war. Ähnliche Befunde ergaben sich für die Sulfonamid Resistenzgene, "sul1" und "sul2", die Tetracyclin Resistenzgene, "tet(W)", "tet(Q)", das Streptomycin Resistenzgen "aadA" sowie die Resistenzgene für quaternäre Ammoniumverbindungen "qacE" und "qacE_1". Die Konzentrationen der Resistenzgene stiegen kontinuierlich mit der Dauer der Bewässerung mit Abwasser an, der deutlichste Unterschied zu Feldern unter Regenfeldbau war jedoch bereits nach 1,5 Jahren Abwasserbewässerung zu verzeichnen. Die mikrobiologischen Untersuchungen der Wasserproben auf dem Weg des Abwassers von Mexico City ins Mezquital Tal, wo das Wasser nach Bodenpassage und "Soil Aquifer Treatment" (SAT) wieder als Quelle entspringt zeigten, dass das rückgewonnene Wasser nach Chlorung Trinkwasserqualität aufweist. 16S rDNA Amplicon Sequencing von Gesamt DNA aus Böden des Mezquital Tales, die 100 Jahre mit Abwasser bewässert worden sind, im Vergleich zu Böden, die dem Regenfeldbau unterlagen, hat gezeigt, dass durch die Abwasserbewässerung eine starke Populationsverschiebung zugunsten der Gamma Proteobakterien stattfindet, mit einem Vorherrschen der Gattungen "Stenotrophomonas" und "Pseudomonas", welche humanpathogene Spezies wie "Stenotrophomonas maltophilia" und "Pseudomonas aeruginosa" beinhalten. Eine kulturabhängige Analyse der für 100 Jahre mit Abwasser bewässerten Böden im Vergleich zu den Regenfeldbauböden hat den Trend bestätigt.

Publications

• Accumulation of pharmaceuticals, Enterococcus, and resistance genes in soils irrigated with wastewater for zero to 100 years in Central Mexico. Plos One, Vol. 7. 2012, Issue 9: e45397.
  Dalkmann, P., Broszat, M., Wlllaschek, E., Sakinc, T., Huebner, J., Siebe, C., Amelung, W., Grohmann, E., and Siemens, J.
  
• Verbreitung von Antibiotikaresistenzen und pathogenen Bakterien sowie Untersuchungen zu horizontalem Gentransfer in Abwasserrieselfeldern des Mezquital Valley in Mexiko. Dissertation Universität Freiburg, 2013, 141 S.
  Melanie Broszat
  
• Horizontal gene transfer in biofilm and planktonic modes. In: Antibiofilm agents: from diagnosis to treatment and prevention, Iqbal Ahmad, Kendra Rumbaugh (eds). Springer press. New York. 2014, pp. 67-95
  Broszat, M., Grohmann, E.
  
• Spread of antibiotic resistance in the environment: Impact on human health. In: Environmental Deterioration and Human Health: Natural and Anthropogenic Determinants. Abdul Malik, Elisabeth Grohmann, Rais Akhtar (eds), Springer Press, New York, 2014, pp. 125-162.
  Broszat, M., Grohmann, E.
  
• Wastewater irrigation increases the abundance of potentially harmful Gammaproteobacteria in soils in Mezquital Valley, Mexico. Applied and Environmental Microbiology, Vol. 80.2014, no. 17, pp. 5282-5291.
  Broszat, M., Nacke, H., Blasi, R., Siebe, C., Huebner, J., Daniel, R., and Grohmann, E.
  
• Effects of 100 years wastewater irrigation on resistance genes, class 1 integrons and IncP-1 plasmids in Mexican soil. Frontiers in Microbiology, Vol.6. 2015: 163.
  Jechalke, S., Broszat, M., Lang, F., Siebe, C., Smalla, K., Grohmann, E.