Fluss-Biofilme als Reservoir für antibiotikaresistente Bakterien aus Fäkalien

Zwei neue Studien zum Verständnis der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen (ABR) in Flüssen lassen aufhorchen: Wie Forscher am Beispiel der Donau herausfanden, könnten die im Fluss vorhandenen Biofilme für den Eintrag von antibiotikaresistenten Bakterien aus klinischen Einrichtungen und Abwässern bessere Indikatoren sein als das Wasser selbst. Zudem scheint die humane fäkale Verschmutzung über den gesamten Flusslauf der Donau die Hauptquelle für ABR zu sein.

Jedes Jahr sterben in Europa Tausende von Menschen an den Folgen einer Infektion mit antibiotikaresistenten Bakterien. Dies sind alarmierende Zahlen, die unter anderem auf die Entwicklung von Resistenzen durch den übermäßigen Einsatz von Antibiotika in der Medizin und Landwirtschaft zurückzuführen sind. Weltweit gilt das „klinische Umfeld“ (z.B. Krankenhäuser) als Haupt-Hotspot für die Verbreitung und Entwicklung von ABR, da hier antibiotikaresistente Bakterien oder deren Gene zwischen den Patienten ausgetauscht werden. Klinische Abwässer gelangen über Kläranlagen in natürliche aquatische Ökosysteme, wodurch ABR Bakterien in Flüsse und Seen kommen. Dort finden sie sich nicht nur im Wasser selbst, sondern auch in Biofilmen – Gemeinschaften von Mikroorganismen, die an festen Oberflächen im Gewässer wie Steinen, Pflanzen oder Sedimenten haften, eine gemeinsame Schleimschicht (extrazelluläre Matrix) produzieren und so einen stabilen „Film“ bilden.

Resistenzmuster von E. coli in Proben von Mensch und Fluss

In einer der aktuellen Studien analysierte das Forschungsteam die Resistenzmuster des Bakteriums Escherichia coli in menschlichen Isolaten und von Umweltproben aus der Donau, sowohl im Wasser als auch im Biofilm. Beteiligt waren das Universitätsklinikum St. Pölten, Lehr- und Forschungsstandort der Karl Landsteiner (KL) Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften Krems, und die Medizinische Universität Graz (alle Österreich). Prof. Andreas Farnleitner vom Fachbereich Wasserqualität und Gesundheit der KL Krems, erklärt: „E. coli ist dafür ein sehr gut geeigneter Modellorganismus: Er ist als Haupterreger von Harnwegsinfekten weit verbreitet, besiedelt oft auch undichte Harnkatheter von Klinikpatientinnen und -patienten, wird in Gewässern als Indikator für ABR verwendet und von der WHO als Anzeiger für Antibiotikaresistenz empfohlen.“ Insgesamt hätten die Wissenschaftler 697 Patienten-, 489 Wasser- und 440 Biofilm-Isolate auf ihre Empfindlichkeit gegenüber 20 Antibiotika untersucht und so Resistenzmuster erhalten, erklärt Farnleitner, der das Interuniversitäre Kooperationszentrum Wasser und Gesundheit (ICC Water & Health) der Technischen und der Medizinischen Universität Wien sowie der KL Krems leitet.

Moderate Resistenzsituation – aber gefährliche Keime in Biofilmen

In Summe wiesen die Ergebnisse auf eine eher moderate Resistenzsituation in Österreich hin: Trotz signifikant höherer Resistenzniveaus der humanen Isolate im Vergleich zu den Proben aus dem Fluss wurden nur wenige Resistenzen gegen gängige Reserveantibiotika wie Meropenem und Tigecyclin – Medikamente, die erst zum Einsatz kommen, wenn die Erstlinientherapie wirkungslos ist – gefunden.

Obwohl es keine großen Unterschiede in der Resistenz zwischen Wasser- und Biofilmproben gab, wurden im Biofilm doch einige Bakterienisolate gefunden, die gegen bestimmte kritische Antibiotika resistent waren und sogar Extended-Spectrum-Beta-Lactamase(ESBL)-Gene trugen. Diese Bakterien produzieren Enzyme, die gegen viele Beta-Lactam-Antibiotika resistent sind, was die Behandlung von Infektionen erschwert. Somit ist möglicherweise der Biofilm ein besserer Indikator für den Einfluss klinischer Umgebungen auf die ABR in Flüssen als das Wasser selbst.

Umfassendes Verständnis der Resistenzlage auf 2300 km Donaulänge

Für die globale Verbreitung von ABR in der Umwelt sind große Flüsse besonders kritische Ökosysteme, weil sie stark von Abwasserbelastungen betroffen sein können und gleichzeitig Lebensadern darstellen, die verschiedene menschliche Bedürfnisse erfüllen. Ein umfassendes Verständnis für das Vorkommen, die Verbreitung und die Haupttreiber von ABR entlang ganzer Flussläufe fehlte bisher aber weitgehend – ein Umstand, dem sich die Forschenden in der anderen Studie für die Donau annahmen. Dafür wählten sie einen ganzheitlichen Ansatz, indem raumzeitliche Muster und Hotspots antibiotikaresistenter Gene (ARGs) entlang von 2311 km des schiffbaren Donauflusses untersucht und eine longitudinale und zeitliche Überwachungskampagne kombiniert wurden.

Prof. Alexander Kirschner, Forscher an der MedUni Wien und der KL Krems sowie stellvertretender Leiter des ICC, erläutert: „Das so gewonnene umfassende Verständnis bildet die Grundlage für ein gezieltes Management zur Reduzierung der Verbreitung von ABR in Flussgebieten. Wir präsentieren den ersten umfassenden ARG-Datensatz entlang der Donau, der dazu beitragen wird, zukünftige Trends zu bewerten.“ Um das Verständnis für die Verbreitung und Dynamik von ABR zu verbessern, sollten ABR auch in anderen Umweltkompartimenten – wie zum Beispiel in Flussbiofilmen oder Sedimenten – untersucht werden, da diese als langfristige Reservoire dienen könnten, mahnen die Forscher.

(KL Krems / ms)