Antibiotikaresistenzen im Abwasser

Antibiotikaresistenzen werden meist dort wahrgenommen, wo sie unmittelbar Probleme verursachen: im Krankenhaus, in der Arztpraxis oder im mikrobiologischen Labor. Ein Erreger wird isoliert, seine Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Antibiotika untersucht und daraus eine geeignete Therapie abgeleitet. Für die Behandlung ist das unverzichtbar. Für die Beobachtung einer ganzen Bevölkerung ist dieser Ansatz jedoch zwangsläufig unvollständig, denn er erfasst nur diejenigen Menschen, bei denen tatsächlich eine Probe genommen und untersucht wurde.

Abwasser eröffnet hingegen eine völlig andere Perspektive. Mit den menschlichen Ausscheidungen gelangen täglich enorme Mengen an Bakterien in die Kanalisation. Darunter befinden sich auch resistente Bakterien und Bakterien, die Resistenzgene tragen. Hinzu kommen freie bakterielle DNA, Antibiotikarückstände und andere antimikrobiell wirksame Substanzen. Im Zulauf einer größeren Kläranlage vermischen sich diese Signale aus Tausenden oder Hunderttausenden Menschen. Dadurch entsteht eine Art mikrobiologische Sammelprobe für ein komplettes Einzugsgebiet.

Diese Tatsache macht Abwasser für die Überwachung antimikrobieller Resistenzen interessant. Es geht dabei aber um mehr als nur die Frage, welche Resistenzgene in einer Bevölkerung vorkommen. Eine Kläranlage ist selbst ein hochkomplexes mikrobielles Ökosystem. Deshalb ist mindestens ebenso spannend, was mit resistenten Bakterien und ihren Genen während der Abwasserreinigung geschieht.

Im Belebtschlamm verändert sich die mikrobielle Welt

Ein Darmbakterium, das über die Toilette in die Kanalisation gelangt, findet in der Kläranlage vollkommen andere Lebensbedingungen vor als im menschlichen Darm. Temperatur, Sauerstoffversorgung, Nährstoffangebot und Konkurrenz durch andere Mikroorganismen verändern sich grundlegend. Viele typische Fäkalbakterien können sich unter diesen Bedingungen nicht dauerhaft etablieren. Sie werden abgebaut, ausgewaschen oder gemeinsam mit dem Schlamm aus der Wasserphase entfernt.

Damit verschwinden aber nicht automatisch auch sämtliche Resistenzgene.

Der Belebtschlamm einer Kläranlage ist keine zufällige Ansammlung eingespülter Bakterien. Er besteht aus einer hochselektierten mikrobiellen Gemeinschaft, die sich über lange Zeit an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst hat. Nitrifizierende Bakterien, Denitrifikanten, phosphatspeichernde Organismen und zahlreiche heterotrophe Populationen wachsen in dichten Flocken und Aggregaten. Durch die Rückführung des Belebtschlamms verbleiben viele dieser Mikroorganismen über zahlreiche Generationen im System.

Dadurch entwickelt die Kläranlage ein eigenes Resistom, also eine eigene Zusammensetzung von Antibiotikaresistenzgenen. Das Resistenzprofil des Belebtschlamms ist deshalb nicht einfach eine verdünnte Version dessen, was im Zulauf angekommen ist. Einige Resistenzgene nehmen ab, andere bleiben erhalten und wiederum andere können innerhalb der dort etablierten Bakteriengemeinschaft relativ stärker vertreten sein.

Sind Kläranlagen wirklich Resistenzfabriken?

Genau an dieser Stelle ist Vorsicht mit einfachen Aussagen angebracht. Kläranlagen werden gelegentlich als „Resistenzfabriken“ bezeichnet. Das klingt dramatisch, beschreibt die biologischen Vorgänge aber nur unzureichend. Kläranlagen beherbergen große Mengen an Bakterien und damit auch viele Resistenzgene. Sie stellen somit zunächst eine wichtige Barriere dar. Gleichzeitig herrschen im Belebtschlamm Bedingungen, unter denen evolutionäre Prozesse stattfinden können. Sehr viele unterschiedliche Bakterien leben auf engem Raum, die Zelldichte ist hoch und die Aufenthaltszeit durch die Schlammrückführung vergleichsweise lang.

Zusätzlich können Antibiotikarückstände, Biozide, Desinfektionsmittel oder Schwermetalle einen Selektionsdruck erzeugen. Unter bestimmten Bedingungen können dadurch resistente Populationen einen Vorteil erhalten. Das muss aber nicht zwangsläufig passieren. Eine Resistenz kann für ein Bakterium auch einen Fitnessnachteil bedeuten. Fehlt der entsprechende Selektionsdruck, können empfindliche Populationen im Vorteil sein.

Die Frage lautet deshalb nicht, ob eine Kläranlage Antibiotikaresistenzen erzeugt oder entfernt. Beides ist als allgemeine Aussage zu einfach. Interessanter ist, welche Resistenz sich unter welchen Bedingungen wie verändert.

Bakterien können ihre Resistenzen weitergeben

Ein wesentlicher Unterschied zu klassischen chemischen Verunreinigungen besteht darin, dass Resistenzgene zwischen Bakterien übertragen werden können. Plasmide, Transposons, Integrons und andere mobile genetische Elemente ermöglichen den horizontalen Gentransfer. Ein Resistenzgen muss also nicht zwangsläufig in dem Bakterium bleiben, in dem es ursprünglich in die Kläranlage gelangt ist.

Die hohe Zelldichte innerhalb von Belebtschlammflocken schafft grundsätzlich gute Voraussetzungen für solche Austauschprozesse. Verschiedene Bakterien leben dort eng beieinander und können genetisches Material übertragen. Allerdings ist auch hier Differenzierung notwendig. Nicht jedes Resistenzgen ist gleichermaßen mobil, und nicht jeder mögliche Transfer findet unter realen Bedingungen tatsächlich statt. Einige Resistenzgene sind stark an bestimmte bakterielle Wirte gebunden, andere befinden sich auf sehr mobilen genetischen Elementen und können sich entsprechend leichter verbreiten.

Genau deshalb ist das Vorhandensein eines Resistenzgens allein noch keine vollständige Risikobeschreibung. Entscheidend ist auch, welches Bakterium dieses Gen trägt und wie leicht es auf andere Organismen übertragen werden kann.

Entfernt bedeutet nicht unbedingt verschwunden

Bei der biologischen Abwasserreinigung wird ein großer Teil der Mikroorganismen nicht zerstört, sondern zunächst aus der Wasserphase entfernt. Sie werden in Belebtschlammflocken eingebunden und sedimentieren in der Nachklärung. Ein Teil des Schlamms wird zurückgeführt, ein anderer Teil als Überschussschlamm ausgeschleust.

Damit wird ein Teil der Resistenzgene vom Wasser in den Schlamm verlagert.

Das ist wichtig, denn bei der Bewertung einer Kläranlage reicht der Blick auf den Ablauf allein nicht aus. Sinkt die Konzentration eines Resistenzgens im Wasser, kann das bedeuten, dass die entsprechenden Bakterien tatsächlich verschwunden sind. Es kann aber auch bedeuten, dass sie sich inzwischen im Schlamm befinden. Nachfolgende Schlammbehandlungen können Resistenzgene weiter reduzieren, beseitigen sie aber nicht zwangsläufig vollständig.

Auch tote Bakterien lösen das Problem nicht automatisch. Wenn Zellen lysieren, wird ihre DNA freigesetzt. Diese extrazelluläre DNA kann eine Zeit lang im Abwasser bestehen bleiben und unter bestimmten Bedingungen von anderen Bakterien aufgenommen werden. Für die Analytik hat das eine unmittelbare Konsequenz. Eine klassische DNA basierte qPCR unterscheidet zunächst nicht zwischen einem Resistenzgen in einer lebenden Zelle und derselben DNA aus einem bereits abgestorbenen Bakterium.

Ein positives qPCR Signal bedeutet daher zunächst nur, dass eine bestimmte genetische Sequenz vorhanden ist. Es sagt nicht automatisch, welches Bakterium sie trägt, ob dieses Bakterium noch lebt oder ob das Resistenzgen tatsächlich exprimiert wird.

Das ist keine Schwäche der Methode. Es beschreibt lediglich präzise, welche Frage sie beantwortet.

Zulauf und Ablauf erzählen unterschiedliche Geschichten

Besonders interessant wird AMR-Monitoring, wenn nicht nur eine einzelne Probe betrachtet wird. Der Zulauf einer Kläranlage zeigt vor allem, welche Resistenzsignale aus einem Einzugsgebiet in die Anlage gelangen. Der Ablauf beantwortet eine andere Frage: Welche dieser Signale verlassen die Anlage nach der Reinigung wieder und gelangen damit möglicherweise in Oberflächengewässer?

Wer beide Punkte regelmäßig untersucht, kann zusätzlich verfolgen, wie sich einzelne Resistenzmarker während der Abwasserbehandlung verändern. Sinkt ein Gen ähnlich stark wie die bakterielle Gesamtmenge? Wird es überproportional entfernt? Bleibt sein relativer Anteil gleich oder steigt er möglicherweise sogar?

Gerade solche Veränderungen sind deutlich aussagekräftiger als eine einzelne Konzentrationsangabe.

Ein einmaliger Wert von beispielsweise 10.000 Genkopien pro Liter lässt sich ohne Vergleich nur schwer einordnen. Erst eine Zeitreihe zeigt, ob dieser Wert seit Monaten stabil ist oder ob sich innerhalb kurzer Zeit ein deutlicher Anstieg entwickelt hat. Dazu kommt, dass Abwasser keine konstante Matrix ist. Regen, Fremdwasser, Temperatur, Tageszeit und industrielle Einleitungen können die Konzentrationen erheblich beeinflussen. Deshalb gehören standardisierte Probenahme, reproduzierbare Probenaufarbeitung und geeignete Referenzparameter zu einem sinnvollen Monitoring zwingend dazu.

Klinische Surveillance und Abwasser ergänzen sich

Aus einer Abwasserprobe lässt sich nicht direkt ableiten, wie viele Menschen mit einem bestimmten resistenten Erreger infiziert sind. Dieser Schluss wäre zu einfach. Klinische Surveillance und Abwassermonitoring beantworten unterschiedliche Fragen.

Die klinische Diagnostik zeigt einen konkreten Erreger bei einem konkreten Patienten und kann dessen Resistenzphänotyp bestimmen. Das Abwasser liefert dagegen ein populationsbezogenes Signal. Es kann zeigen, welche Resistenzmarker in einem Einzugsgebiet vorkommen und wie sich ihre Häufigkeit im Laufe der Zeit verändert.

Gerade diese Kombination macht das Konzept interessant. Klinische Daten liefern Tiefe auf Ebene des einzelnen Erregers. Abwasser liefert Breite auf Ebene einer Bevölkerung.

Die Überwachung von Virenparametern im Rahmen der abwasserbasierten Epidemiologie hat gezeigt, wie leistungsfähig eine solche Überwachung sein kann. Es ist deshalb nur konsequent, diese Infrastruktur auch für andere gesundheitsrelevante Fragestellungen zu nutzen. Antibiotikaresistenzen gehören dabei sicherlich zu den wichtigsten.

Mit der europäischen Kommunalabwasserrichtlinie 2024/3019 bekommt diese Entwicklung inzwischen auch regulatorisches Gewicht. Für größere Einzugsgebiete ist künftig ein Monitoring antimikrobieller Resistenzen im kommunalen Abwasser vorgesehen. Damit verändert sich gleichzeitig die Rolle der Kläranlage. Sie ist nicht mehr ausschließlich eine technische Anlage zur Entfernung von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor, sondern zunehmend auch ein Messpunkt für mikrobiologische Entwicklungen innerhalb einer Bevölkerung.

Messen, um Veränderungen zu erkennen

Der eigentliche Wert eines AMR-Monitorings liegt deshalb nicht darin, möglichst viele Resistenzgene zu finden. Entscheidend ist, relevante Veränderungen zuverlässig sichtbar zu machen und sie richtig zu interpretieren.

Dafür muss zunächst geklärt werden, welche Frage beantwortet werden soll. Geht es um die Entwicklung bestimmter klinisch relevanter Resistenzgene in einer Region? Um den Vergleich verschiedener Einzugsgebiete? Um Krankenhausabwasser? Oder um die Frage, welche Resistenzmarker eine Kläranlage passieren und in die Umwelt gelangen?

Erst danach lässt sich entscheiden, welche Marker, welche Proben und welche analytischen Verfahren sinnvoll sind.

Antibiotikaresistenzen werden nicht verschwinden. Sie gehören zur Evolution von Bakterien und zu ihrer Fähigkeit, sich an Veränderungen ihrer Umwelt anzupassen. Beeinflussen lässt sich aber, wie schnell problematische Resistenzen selektiert und verbreitet werden.

Dafür muss sichtbar sein, was passiert.

Abwasser bietet dafür eine ungewöhnlich wertvolle Informationsquelle. Es zeigt, welche Resistenzsignale aus einem Einzugsgebiet kommen, wie sie sich über die Zeit verändern und was während der biologischen Abwasserreinigung mit ihnen geschieht.

vermicon untersucht Antibiotikaresistenzen in Abwasserproben und quantifiziert ausgewählte klinisch relevante Resistenzgene. Diese Analytik wird bereits im bundesweiten AMELAG-Projekt eingesetzt.