Internationale Aktivitäten zur Begrenzung der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen über Abwasser in die Umwelt
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Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Internationale Aktivitäten zur Begrenzung der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen über Abwasser in die Umwelt Jörg E. Drewes, Christian Hiller und Christoph Schwaller Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Technische Universität München DGMT Stakeholder Dialog – Multiresistente Keime im Abwasser und Oberflächengewässer 2. März 2021
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Gliederung • Risikobewertung bei Antibiotikaresistenzen • Mögliche Expositionspfade • Aspekte der Rückhalteeffizienz von Membranverfahren • Ausblick
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Gibt es Regelungsbedarf zur Begrenzung von Antibiotikaresistenzen? Quelle: Bürgmann und Imminger 2017, Aqua & Gas No. 10
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Abschätzung eines Risikos • Problemidentifikation – Potentielle Gefahren – Potentielle gefährliche Ereignisse • Risikoniveaus sind Funktion von – Wahrscheinlichkeit des Eintretens eines gefährlichen Ereignisses auf Basis erwarteter Häufigkeiten – Schwere der Konsequenzen • Auf Basis on – Größe der exponierten Bevölkerung bzw. Anteilen – Zustand der exponierten Bevölkerung bzw. Anteilen – Expositionsweg – Höhe der Exposition – Dauer der Exposition • Qualitative Bewertung eines Risikos 4
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft 5 Schritte einer Risikobewertung 1. Problemidentifikation 2. Identifikation möglicher Gefahren 3. Expositionsabschätzung 4. Dosis-Wirkungsbeziehung 5. Risikocharakterisierung Zhiteneva et al. (2020). Microbial Risk Assessment 16, 100132 5
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Vorkommen von Resistenzträgern Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Science of the Total Environment 685 (2019) 596–608 Contents lists available at ScienceDirect Science of the Total Environment journal homepage: www.elsevier.com/locate/scitotenv Review Antibiotic microbial resistance (AMR) removal efficiencies by conventional and advanced wastewater treatment processes: A review C.X. Hiller a, U. Hübner a, S. Fajnorova a,b, T. Schwartz c, J.E. Drewes a,⁎ a Urban Water Systems Engineering, Technical University of Munich, Am Coulombwall 3, 85748 Garching, Germany b Department of Water Technology and Environmental Engineering, University of Chemistry and Technology, Prague, Technická 5, 166 28 Praha, Czech Republic c Karlsruhe Institute of Technology (KIT) – Campus North, Institute of Functional Interfaces (IFG), Microbiology at Natural and Technical Interfaces Department, 76021 Karlsruhe, Germany G R A P H I C A L A B S T R A C T a r t i c l e i n f o a b s t r a c t Article history: The World Health Organization (WHO) has identified the spread of antibiotic resistance as one of the major risks Received 23 March 2019 to global public health. An important transfer route into the aquatic environment is the urban water cycle. In this Received in revised form 15 May 2019 paper the occurrence and transport of antibiotic microbial resistance in the urban water cycle are critically Accepted 20 May 2019 reviewed. The presence of antibiotic resistance in low impacted surface water is being discussed to determine Available online 25 May 2019 background antibiotic resistance levels, which might serve as a reference for treatment targets in the absence Editor: Damia Barcelo of health-based threshold levels. Different biological, physical and disinfection/oxidation processes employed in wastewater treatment and their efficacy regarding their removal of antibiotic resistant bacteria and antibiotic Keywords: resistance geness (ARGs) were evaluated. A more efficient removal of antibiotic microbial resistance abundances Advanced water treatment from wastewater effluents can be achieved by advanced treatment processes, including membrane filtration, Antibiotic resistant bacteria ozonation, UV-irradiation or chlorination, to levels typically observed in urban surface water or low impacted Antibiotic resistance genes surface water. Background antibiotic microbial resistance © 2019 Elsevier B.V. All rights reserved. Low impacted surface water Wastewater treatment ⁎ Corresponding author. E-mail address: jdrewes@tum.de (J.E. Drewes). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.05.315 0048-9697/© 2019 Elsevier B.V. All rights reserved. Quelle: Hiller et al. 2019, STOTEN 685, 596 6
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Kläranlagenablauf als Hot Spot für ARG Einträge Quelle: Hiller et al. 2019, STOTEN
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Mischwasserentlastungen als Hot Spot für ARG Emissionen • Je höher der Abwasseranteil im Gewässer ist desto höher sind die ARG Abundanzen im Gewässer • ARG Messungen vor und nach den Kläranlageneinleitungen zeigen, dass die totalen und relativen ARG Abundanzen signifikant im Gewässer nach Einleitungen ansteigen Quelle: Vortrag Hyreka Abschlussveranstaltung Prof. Pinnekamp, RWTH Aachen
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft (Resistenz-)Stressoren in der aquatischen Umwelt (Mikro-) Schadstoffe und Risiken: • Pathogene Keime – Bakterien, Viren, Protozoa – Antibiotikaresistenzen • Mikropartikel / Mikroplastik • Spurenstoffe – Arzneimittelrückstände/Antibiotika – Pflegeprodukte und Haushaltschemikalien – Endokrin wirksame Stoffe – Neben- / Transformationsprodukte – Per- and Polyfluorierte Chemikalien (PFAS)
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Vorkommen in Kläranlagenabläufen und Oberflächengewässern Vorkommen in KA-Abläufen (global) Vorkommen in Oberflächengewässern (global) Quelle: JRC, 2017
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Vorkommen in Kläranlagenabläufen in Deutschland Quelle: UBA, 2018
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Begrenzung der Einleitungen aus Kläranlagenabläufen Novellierung des AbwAG: Indikatorsubstanzen für Prozessbewertung • Carbamazepin • Clarithromycin • Diclofenac • Hydrochlorothiazid • Irbesartan • Metoprolol • Sulfamethoxazol • Benzotriazol • 4- und 5-Methylbenzotriazol (4/5-MBTA)
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Dosis-Wirkungsbeziehung CQK und AQK: Chronische und akute Qualitätsdkriterien MSC: minimale Selektionskonzentration Quelle: Ferrari et al. 2019, Aqua & Gas No. 6
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Was ist das Expositionsrisiko? Quelle: Bürgmann und Imminger 2017, Aqua & Gas No. 10
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Vorkommen im Trinkwasser/Lebensmittel Trinkwasser Andere Lebensmittel • Resistenzträger im Trinkwasser nachweisbar allerdings in nicht pathogenen Bakterien Quelle: Bürgmann und Imminger 2017, Aqua & Gas No. 10 Quelle: Wang et al. 2006, FEMS Microbiol Lett 254, 226–231
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Vorkommen im Trinkwasser Antibiotika-resistente Bakterien Antibiotikaresistenzgene Quelle: Vortrag Hyreka Abschlussveranstaltung Prof. A. Tiehm, TZW Karlsruhe
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Internationale Aktivitäten zur Begrenzung von AMR EU Watch List (EU 2015/4951) - Azithromycin, Clarithromycin und Erythromycin EU Watch List (EU 2018) - Amoxicillin, Ciprofloxacin EU Watch List (EU 2020) - Sulfamethoxazol, Trimethoprim EU Trinkwasserrichtlinie (2020) A PROPOSED FRAMEWORK FOR REGULATING DIRECT POTABLE REUSE - kein Regelungsbedarf für AMR IN CALIFORNIA S TAT E WAT E R R E S O U R C E S C O N T R O L B O A R D April 2018 Bundesstaat Kalifornien (2018) - kein Regelungsbedarf für AMR bei direkter Wasserwiedverwendung
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft EU Aktivitäten zur Begrenzung EU Verordnung über Mindestanforderungen an die L 177/32 DE Amtsblatt der Europäischen Union 5.6.2020 VERORDNUNG (EU) 2020/741 DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES Wasserwiederverwendung: vom 25. Mai 2020 über Mindestanforderungen an die Wasserwiederverwendung (Text von Bedeutung für den EWR) DAS EUROPÄISCHE PARLAMENT UND DER RAT DER EUROPÄISCHEN UNION — gestützt auf den Vertrag über die Arbeitsweise der Europäischen Union, insbesondere auf Artikel 192 Absatz 1, auf Vorschlag der Europäischen Kommission, nach Zuleitung des Entwurfs des Gesetzgebungsakts an die nationalen Parlamente, nach Stellungnahme des Europäischen Wirtschafts- und Sozialausschusses (1), nach Stellungnahme des Ausschusses der Regionen (2), gemäß dem ordentlichen Gesetzgebungsverfahren (3), in Erwägung nachstehender Gründe: (1) Die Wasserressourcen in der Union geraten zunehmend unter Druck, was zu Wasserknappheit und einer Verschlechterung der Wasserqualität führt. Insbesondere der Klimawandel, unvorhersehbare Wetterverhältnisse und Dürren tragen wesentlich dazu bei, den durch Stadtentwicklung und Landwirtschaft verursachten Druck auf die Süßwasserressourcen zu erhöhen. (2) Die Fähigkeit der Union, dem zunehmenden Druck auf die Wasserressourcen zu begegnen, könnte durch eine umfassendere Wiederverwendung von behandeltem Abwasser verbessert werden, indem die Entnahme aus Oberflächenwasserkörpern und Grundwasserkörpern begrenzt, die Auswirkungen der Einleitung von behandeltem Abwasser in Wasserkörper verringert und Wassereinsparungen durch verschiedene Nutzungsarten für kommunales Abwasser, bei gleichzeitiger Gewährleistung eines hohen Umweltschutzniveaus gefördert werden. In der Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates (4) wird die Wasserwiederverwendung in Verbindung mit der Förderung des Einsatzes von Techniken mit hohem Wassernutzungsgrad in der Industrie und wassersparenden Weitere Anforderungen entsprechend der Ergebnisse der Bewässerungstechniken als ergänzende Maßnahmen genannt, die die Mitgliedstaaten zur Verwirklichung der Ziele jener Richtlinie, einen quantitativ und qualitativ guten Gewässerzustand der Oberflächenwasserkörper und der Grundwasserkörper zu erreichen, anwenden können. Gemäß der Richtlinie 91/271/EWG des Rates (5) soll gereinigtes Abwasser nach Möglichkeit wiederverwendet werden. Risikobewertung: (3) In der Mitteilung der Kommission vom 14. November 2012 „Ein Blueprint für den Schutz der europäischen Wasserressourcen“ betont die Kommission, dass ein unionsweites Instrument zur Regelung von Normen für die Wasserwiederverwendung geschaffen werden muss, um auf diese Weise Probleme zu beseitigen, die die allgemeine Nutzung dieser alternativen Wasserversorgungsoption behindern, nämlich eine, die dazu beitragen kann, die a.) Schwermetalle Wasserknappheit zu begrenzen und die Anfälligkeit der Versorgungssysteme zu reduzieren. (4) In der Mitteilung der Kommission vom 18. Juli 2007 „Antworten auf die Herausforderung von Wasserknappheit und Dürre in der Europäischen Union“ ist die Hierarchie der Maßnahmen festgelegt, die die Mitgliedstaaten zur … Bewältigung von Wasserknappheit und Dürre in Erwägung ziehen sollten. In der Mitteilung wird ausgeführt, dass in Regionen, in denen alle Vorsorgemaßnahmen entsprechend der Hierarchie der Wasserpolitik umgesetzt wurden und der Wasserbedarf gleichwohl weiterhin die Kapazität der Ressourcen übersteigt, zusätzliche Wasserversorgungsinfra- strukturen unter bestimmten Umständen und unter angemessener Berücksichtigung des Kosten-Nutzen- Verhältnisses als ein möglicher weiterer Ansatz zur Bewältigung der Folgen schwerer Dürreperioden in Betracht d.) Arzneimittel gezogen werden können. (1) ABl. C 110 vom 22.3.2019, S. 94. (2) ABl. C 86 vom 7.3.2019, S. 353. … (3) Standpunkt des Europäischen Parlaments vom 12. Februar 2019 (noch nicht im Amtsblatt veröffentlicht) und Standpunkt des Rates nach erster Lesung vom 7. April 2020 (ABl. C 147 vom 4.5.2020, S. 1). Standpunkt des Europäischen Parlaments vom 13. Mai 2020 (noch nicht im Amtsblatt veröffentlicht). (4) Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik (ABl. L 327 vom 22.12.2000, S. 1). f.) antimikrobielle Resistenzen (5) Richtlinie 91/271/EWG des Rates vom 21. Mai 1991 über die Behandlung von kommunalem Abwasser (ABl. L 135 vom 30.5.1991, S. 40).
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Vertikale und horizontale Transfermechanismen ARGs kodiert in Chromosomen, Plasmide, Phages, Transposons, Gen Kassetten, Integrons Quelle: JRC, 2017
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Vertikale und horizontale Transfermechanismen • Intrazelluläre (iARG) oder extrazelluläre (eARG) • Horizontaler Gen Transfer via Konjugation, Transformation und Transduktion • in nährstoffreichen Umgebungen: iARGs Hauptanteil der ARGs; • in der aufnehmenden aquatischen Umwelt eARGs vorherrschend Ø natürliche Transformation von eARGs sehr häufig (vergleichbar mit der Konjugationshäufigkeit von iARGs) Ø Adsorptionspotential von eARGs an Sedimentpartikel Ø Persistenz von eARGs Rios Miguel A. B., Jetten M. S. M. and Welte C. U. (2020). Water Research X 9, p. 100065.
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft ARB und ARG Reduktion bei der konventionellen Abwasserbehandlung Quelle: Vortrag Hyreka Abschlussveranstaltung Prof. Pinnekamp, RWTH Aachen
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft ARB und ARG Reduktion bei der konventionellen Abwasserbehandlung Quelle: Vortrag Hyreka Abschlussveranstaltung Prof. Pinnekamp, RWTH Aachen
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Internationale Studien zur ARG Reduktion von weitergehenden Abwasserbehandlungstechnologien Quelle: Hiller et al. 2019, STOTEN 685, 596
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Pathogen Entfernung durch Membranfiltration En Abe tfe r r n u wa n g s is Physikalische Barriere gegenüber Bakterien (und teilweise Viren) vo t m Lee A., Elam J. W. and Darling S. B. (2016) n A it RG s?
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Effizienz von Membranverfahren für ARGs Parameter MF UF Flux 40 l/m² h 40 l/m² h Betrieb dead-end, inside-out Dead-end, inside-out Membranfläche 22 m² 80 m² Porengröße 450 nm 20 nm
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Plasmid Transmission kD ) m 10 3 µ a O 0,0 0 W (= M nm C 30 Plasmid mit ARG MW ~6.000 kDa an br em M UF Plasmid Transmission durch UF Membrane poren
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Plasmid Transmission aufgrund von Elongation Konvergierendes hydrodynamisches Feld à Elongation à Transmission Latulippe D. R. and Zydney A. L. (2011)
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft „Schwachstellen“ der bisherigen Forschung • In der Regel werden ARGs als “Summe” gemessen (z. B. über qPCR), unabhängig von der Verortung (Plasmid, Phage, Integron, Gen Kasetten) • Damit auch keine belastbare Risikoeinordnung möglich à ist das ARG noch “aktiv” / übertragbar (manche Studien jedoch: Aufnahme und Vererbung sogar von beschädigter extrazellulären DNA durch Transformation von Bakterien (Overballe-Petersen et al. 2013) • Trotzdem sind bestimmte MGEs (mobile genetic elements) aktiver / besser übertragbar als andere à hier findet keine Differenzierung statt • Könnte relevant sein, um bestimmte Aufbereitungstechniken spezifisch für den Rückhalt von sehr aktiven / riskanten MGEs zu optimieren • Entfernungsmechanismen von ARGs / MGEs oftmals wenig verstanden à besseres Verständnis könnte beitragen zur Optimierung von Verfahren und besserer Risikobewertung
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft 5 Schritte einer Risikobewertung 1. Problemidentifikation 2. Identifikation möglicher Gefahren 3. Expositionsabschätzung 4. Dosis-Wirkungsbeziehung 5. Risikocharakterisierung Zhiteneva et al. (2020). Microbial Risk Assessment 16, 100132 30
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Ausblick • Begrenzung von Antibiotikaresistenzen über Abwassereinleitungen bisher international nicht geregelt • Expositionsabschätzung für menschliche Gesundheit noch nicht abgeschlossen • Weiterer Forschungsbedarf für besseres Verständnis welche Weitergabepfade und Formen relevant sind (mobile genetic elements) • Berücksichtigung anderer Stressoren für Ausbildung von Resistenzen, insbesondere Antibiotika (bei Belastungssituationen, gleichzeitiger Rückhalt nötig)
Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Vielen Dank! Prof. Dr.-Ing. Jörg E. Drewes jdrewes@tum.de
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