TARGiM: Transport von Antibiotika-Resistenz-Genen in Membranbioreaktoren (MBR)

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas U. Berendonk; Professor Dr.-Ing. André Lerch
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512064678

Die Eindämmung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzgenen (ARGs) ist eine der größten zukünftigen Herausforderungen der internationalen Abwasserbehandlung. In der Abwasserreinigung sind Membranbioreaktoren (MBR) zur Entfernung von Bakterien etabliert. ARGs treten jedoch nicht nur im Inneren von Bakterien auf, sondern auch in Form von freier DNA, möglicherweise freigesetzt durch die MBR Belüftung. Transport- und Retentionsmechanismen dieser freien ARGs in MBRs sind noch nicht vollständig verstanden. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Präsenz von Biofouling-Schichten auf der Membran die Retentionseigenschaften von MBRs für diese freien ARGs signifikant verändert. Während Biofouling die allgemeine Filtrationsleistung reduziert, erhöhen dickere Biofilmschichten und Porenverblockung die Wahrscheinlichkeit der Sorption, der Verweilzeit und des biologischen Abbaus von ARGs, wodurch freie ARGs effizienter entfernt werden. Eine weitere Hypothese ist, dass eine erhöhte Scherbeanspruchung zur Kompression und damit zu einer höheren Dichte der Biofoulingschicht und folglich zu einem verbesserten ARG-Rückhalt führt. Es werden Massentransferkoeffizienten für verschiedene Membran- und Schichteigenschaften bestimmt. Zur Überprüfung der Hypothesen wird eine MBR-Foulingsimulatorplattform entwickelt, die die Integration und Interpretation von Experimenten zum ARG-Transport und Rückhalt unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen ermöglicht. Die Plattform besteht im Kern aus einer Scherzelle in der mittels eines einstellbaren Rührers realistische Strömungsbedingungen und Schergradienten realisiert werden, die denen in einem kommerziellen MBR entsprechen. Die Experimente werden mit verschiedenen, kommerziell erhältlichen und zuvor charakterisierten Porenmembranen durchgeführt. ARGs werden dem Feed in Form von freien Plasmiden zugesetzt. Um die ARG-Log-Entfernungsraten zu erhalten, werden die Plasmide vor und nach der Membranpassage durch einen optimierten ddPCR-Multi-Target-Assay quantifiziert, der simultan die Bestimmung der Plasmidintegrität ermöglicht. Um die Auswirkungen des Membranfoulings auf die ARG-Entfernung aufzuklären, werden die MBR-Scherzellen mit einer Modell-Abwassergemeinschaft beimpft. Wir gehen davon aus, dass die vorrangige Art des Membranfoulings (Porenblockierung, Kuchenfiltration) aktiv verändert werden kann, indem physikalisch-chemische Membraneigenschaften und Scherbeanspruchungen verändert werden. Die physikalische Struktur der Foulingschichten wird in verschiedenen Alterungsstadien mit Hilfe eines optischen Kohärenztomographie-Systems (OCT) charakterisiert. Dies ermöglicht die Erzeugung und Prüfung repräsentativer, reproduzierbarer Biofouling-Schichten mit unterschiedlichen, definierten Eigenschaften zur ARG-Entfernung. Um die mit der MBR-Plattform gewonnenen Erkenntnisse zu validieren, werden die in realen MBR-Anlagen gefoulten Membranen charakterisiert, der Massentransfer geprüft und ihre ARG-Rückhalteeffizienz getestet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen