Charakterisierung landwirtschaftlicher Abwässer im Hinblick auf mikrobiologische Risikofaktoren zur Beurteilung des Einflusses von Biogasanlagen, insbesondere ihrer Barrierefunktion, auf Förderung und Verbreitung von Resistenzgenen sowie resistenter und pathogener Bakterien

Wings, Tina Katrin; Schirawski, Jan; Dott, Wolfgang

doi:10.18154/RWTH-2019-09081

Charakterisierung landwirtschaftlicher Abwässer im Hinblick auf mikrobiologische Risikofaktoren zur Beurteilung des Einflusses von Biogasanlagen, insbesondere ihrer Barrierefunktion, auf Förderung und Verbreitung von Resistenzgenen sowie resistenter und pathogener Bakterien = Characterization of agricultural wastewater with regard to microbiological risk factors for the assessment of the influence of biogas plants, in particular their barrier function, on the promotion and dissemination of resistance genes as well as resistant and pathogenic bacteria

Wings, Tina Katrin^RWTH*

2017 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Biologin Tina Katrin Wings

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (vi, 156 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Dott, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Schirawski, Jan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-05-31

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-09081
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/767823/files/767823.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
agricultural waste (frei) ; antibiotic resistance (frei) ; biogas plant (frei) ; environmental microbiology (frei) ; heavy metal (frei) ; resistance gene (frei) ; sulfonamide resistance (frei) ; tetracycline resistance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Stetige Expansion und Intensivierung der Massentierhaltung lassen große Mengen landwirtschaftlicher Abwässer entstehen die als Wirtschaftsdünger in die Umwelt entlassen werden. Die Ausbringung nicht aufbereiteter Gülle auf landwirtschaftlich genutzten Flächen stellt jedoch, neben einer wertvollen Nährstoffzufuhr, einen direkten Eintragspfad für veterinärpharmakologische Spurenstoffe, Schwermetallreste, sowie mikrobielle Risikofaktoren in Boden, Grund- und Oberflächengewässer dar. Diese Studie untersucht die Verteilung und Persistenz von Antibiotikaresistenzgenen (ARG), resistenter und potentiell pathogener Mikroorganismen und antimikrobiell-wirksamer Schwermetalle in landwirtschaftlichen Abwässern zur Erfassung des Risikos der Ausbringung auf Ackerland und des hygienisierenden bzw. rückhaltenden Potentials von Biogasanlagen. 15 Biogasanlagen wurden in einem screening 2012 stichprobenhaft untersucht und drei dieser Anlagen über den Jahresgang 2013 zu fünf Probenahmezeitpunkten weiter betrachtet. Kontinuierliche Durchflussfermenter wurden unter definierter Zugabe von Antibiotika (AB) in der ersten Versuchshälfte gegenüber eines Kontrollfermenters über einen Gesamtzeitraum von 60 Tagen untersucht. Mikro- und molekularbiologische Ergebnisse zeigen keine Förderung anaerober Sporenbildner sowie eine generell niedrige Prävalenz pathogener Bakterien einschließlich klinisch relevanter Organsimen der Enterobacteriaceae und Enterococcaceae, bedingt durch den Einfluss der Prozessbedingungen der Biogasproduktion. Isolate zeigen eine abnehmende Diversität und die Reduktion gramnegativer Bakterien in Ausgangsproben sowie die Verschiebung der bakteriellen Gemeinschaft zugunsten des Phylums Firmicutes. Obwohl Antibiotikaresistenzgene (ARG) sowohl ubiquitär in Gülle, als auch Gärrest quantifiziert werden, kann ein Rückgang resistenter Bakterien und ARG nach der Fermentation nachgewiesen werden. Die quantitative Analyse verdeutlicht jedoch auch Anlagen- und ARG-spezifische Niveaus und Reduktionseffizienzen zwischen 80 % und 30 %. Mit abnehmender Häufigkeit und einer entsprechend verminderten Reduktion treten sul2, tetM, tetA und das kopienschwächste tetO in allen Anlagen auf. Schwermetalle mit antimikrobieller Wirkung werden im Feststoff von Eingangs- und Ausgangsproben gleichermaßen mit einer deutlichen Prävalenz von Kupfer und Zink bestimmt. Während Kupfer zu 30 % im überwiegenden Teil der Proben im wässrigen Eluat nachweisbar ist, zeigt Zink kaum wässrige Verfügbarkeit. Letztlich zeigt der Prozess der Biogasproduktion eine vielversprechende hygienisierende Wirkung zur Eindämmung mikrobiologischer und pharmakologischer Schadstoffe in landwirtschaftlichen Abwässern, wenn auch weitere Maßnahmen wie eine wirkungsvolle Veränderung und Kontrolle der landwirtschaftlichen Praxen nötig sind, um ökologische und umweltmedizinische Risiken aus dem landwirtschaftlichen Sektor zu eliminieren.

Continuous expansion and intensification of livestock farming facilitates large quantities of agricultural waste which in turn are released into the environment. The application of untreated manure on agricultural land, however, in addition to a valuable nutrient supply, constitutes a direct pathway for veterinary pharmacological trace substances, heavy metal residues, pathogenic and resistant microorganisms and into soil, groundwater and surface water. This study examines the distribution and persistence of antimicrobial resistance genes (ARG), resistant and potentially pathogenic microorganisms and heavy metals with antibiotic properties in agricultural effluents ascertaining the risk of manure spreading on farmland and the sanitizing or rather retaining potential of biogas plants. 15 biogas plants were examined in a screening of random samples in 2012 of which three plants were monitored over the annual cycle in 2013 with five sampling times. Continuous flow fermenters were investigated under defined addition of antibiotics (AB) in the first half of the experiment against a control fermenter over a total period of 60 days. Micro- and molecular biological approaches show a generally low prevalence of anaerobic pathogenic bacteria as well as a reduction of cultivatable bacteria through the process of biogas production, including clinically relevant organisms of Enterobacteriaceae and Enterococcaceae without promoting anaerobic spore forming pathogens. Isolates show a decreasing diversity and the reduction of gram negative bacteria in the output samples and a shift of the bacterial community in favor of the phylum Firmicutes. Although antibiotic resistance genes (ARG) can be quantified both ubiquitous in manure and digestate, a decline of resistant bacteria and ARG can be detected after fermentation. However, the quantitative analysis also illustrates biogas plant and ARG specific levels and reduction efficiencies between 80 % and 30 %. With decreasing frequency and a correspondingly decreased reduction sul2, tet M, tetA and lowest in copy number tetO occur in all systems. Heavy metals with antimicrobial activity are equally determined in solid samples of input and output with a significant prevalence of copper and zinc. While copper is detectable with 30 % in the aqueous effluent of most samples zinc hardly shows aqueous availability. Ultimately, the process of biogas production demonstrates a promising sanitizing effect for the containment of microbiological and pharmacological pollutants in agricultural effluent even if further measures like the effective change and control of agricultural practices are needed to eliminate environmental and health hazards from the agricultural sector.

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