Biodiversität: Ausbreitungsbarriere für Antibiotikaresistenz (ANTIVERSA)

Antibiotikaresistenzen (AR) stellen eine akute Bedrohung für die Gesundheit der Weltbevölkerung dar. Ohne Eindämmung der Ausbereitung von Resistenzen werden bis zum Jahr 2050 jährlich 10 Millionen Todesfälle prognostiziert, die direkt oder indirekt auf AR zurückzuführen sind. Koordinierte Gegenmaßnahmen zur Bekämpfung der gegenwärtig kursierenden Antibiotikaresistenzgen-Seuche auf nationaler sowie internationaler Ebene sind daher unabdingbar. Antibiotikaresistenzen können über Umweltquellen (z.B. Böden, Oberflächengewässer, Abwässer) verbreitet und über die Lebens- und Futtermittelkette wieder in human- oder tierpathogene Bakterien eingebracht werden. Diese Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen über Ökosystemgrenzen hinweg sollte verhindert oder massiv reduziert werden. Im vorliegenden Projekt wird überprüft, ob eine gesunde natürliche Umwelt mit einer hohen Vielfalt an unterschiedlichen Bakterien-, Pilz-, Tier- und Pflanzenarten (= hohe Biodiversität) eine Ausbreitungsbarriere für Antibiotikaresistenzen darstellt. Stark anthropogen exponierte Ökosysteme wie z.B. intensiv genutzte landwirtschaftliche Nutzflächen (= Ackerböden mit niedriger Biodiversität) werden diesbezüglich mit natürlichen Ökosystemen und einer hohen Biodiversität (z.B. Waldböden, Naturschutzgebiete) auf ihre Widerstandskraft gegen die Einbringung, Verbreitung und Amplifikation von Antibiotikaresistenzen verglichen. Zu diesem Zweck werden entsprechende Bodenproben ins Labor verfrachtet und unter kontrollierten Bedingungen mit verschiedenen Agentien bearbeitet und mit unterschiedlichen klimatischen Bedingungen exponiert, die Auskunft darüber geben sollen, unter welchen Bedingungen ein Transfer von Antibiotikaresistenzgenen und oder deren Träger besonders leicht stattfinden oder eben verhindert werden kann. Hypothesen: Wir gehen davon aus, dass Häufigkeit und Vielfalt von Antibiotikaresistenzgenen und resistenten Bakterien invers mit der im Ökosystem anzutreffenden Biodiversität korreliert. Ein gesundes, hochbiodiverses Ökosystem sollte demnach eine Barrierefunktion gegen die Invasion von ARB und ARGs darstellen. Methoden: Zur Abklärung der Fragestellung werden folgende Methoden herangezogen: Für die Bestimmung der Biodiversität der untersuchten Boden- und Wasserproben werden vor allem molekulargenetische Techniken herangezogen. Die vorhandenen Bakterien-, Pilz- und Kleintierarten werden mittels Sequenzierung der 16S rRNA Gene mit neuen Verfahren (=Next Generation Sequencing) erfasst. Es kommen aber visuelle und mikroskopische Ansätze zur Anwendung. Antibiotikaresistenzgene werden mittels quantitativer real time PCR erfasst. Die Überwindung von Ökosystemgrenzen wird mittels markierten Krankheitserregern im geschlossenen Labor- und Glashaussystem überprüft Neuigkeitswert: Die Rolle, die die Biodiversität bei der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen spielt, ist zurzeit unklar. Angesichts der Umwälzungen im globalen Klima und der gegenwärtigen Antibiotikaresistenzkrise ist es jedoch von höchstem Interesse Mittel und Wege zu finden, um Risikomanagern Hilfestellung geben zu können, damit evidenzbasierte Maßnahmen zur Eindämmung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen via Umweltquellen gesetzt werden können. Dies wäre ein wesentlicher Fortschritt beim Schutz von Mensch, Tier und Pflanze gegen Infektionskrankheiten ausgelöst durch resistente Erreger.

ANTIVERSA (I 4374-B): Biodiversität als ökologische Barriere gegen die Ausbreitung von klinisch relevanten Antibiotikaresistenzen in der Umwelt Antimikrobielle Resistenzen (AMR) gehören global betrachtet zu den größten Bedrohungen für die individuelle und die Öffentliche Gesundheit. Eine Reduzierung der Ausbreitung von AMR über Ökosystemgrenzen hinweg ist ein Schlüsselelement bei der Bekämpfung von durch antibiotikaresistente Bakterien (ARB) verursachten Infektionskrankheiten. Im ANTIVERSA Projekt wurde ermittelt, ob eine hohe mikrobielle Diversität in Boden- und Wasserökosystemen eine ökologische Barriere gegen die Ausbreitung und Persistenz von ARB und assoziierten Antibiotikaresistenzgenen (ARGs) bilden kann und wie sich die künstliche Zufuhr von Ressourcen bzw. Umweltkontaminanten (Gülleausbringung, geklärtes Abwasser) und Klimaveränderung (Hitzestress) auf den Invasionsprozess auswirken. Im Rahmen des Projektes wurde die mikrobielle Biodiversität in verschiedenen Bodentypen und Wasserhabitaten untersucht und die natürlich vorkommenden ARG-Konzentrationen in diesen Ökosystemen bestimmt. In Böden korrelierte eine hohe Biodiversität signifikant negativ mit der relativen Häufigkeit der meisten getesteten ARGs (>85%). Auch die Konzentration der detektierten ARGs war niedriger in hoch diversen Systemen. Beides deutet auf einen Barriere-Effekt hin. Ähnliche Barriere-Effekte konnten in hoch-dynamischen und durchmischten Flüssen nicht beobachtet werden. Im Labor wurden Bodenmikrokosmen von anthropogen exponierten (Gülle- und nicht gedüngte Felder) und nicht exponierten Böden (Wälder) mit hoher oder niedriger Biodiversität und Wassermikrokosmen, die dieselben Eigenschaften aufwiesen, etabliert. Durch Spiken dieser Mikrokosmen mit ARB, die Plasmid-gebundene ARGs trugen, wurde der Erfolg einer AMR-Invasion beobachtet. Native Böden mit intakter Biodiversität reduzierten innerhalb kurzer Zeit die Konzentration der verabreichten ARB inkl. des Plasmids um den Faktor 1000-10000. Ein Plasmid-Transfer konnte über einen Zeitraum von sieben Monaten nicht beobachtet werden. In Böden mit niedriger Biodiversität konnte keine Reduktion des resistenten Spike-Stammes nachgewiesen werden. Zusätzlich durchgeführte Mikrokosmos-Experimente (Boden, Wasser) bestätigten, dass anthropogene Stressoren (Gülledüngung, Abwasser) oder Klimaveränderung (Hitzestress) die mikrobielle Biodiversität beeinflussen und so den Barriere-Effekt beeinträchtigen. Da AMR ein Problem von globaler Bedeutung ist, ist eine internationale Zusammenarbeit notwendig. Das ANTIVERSA-Konsortium bestand aus acht Partnern aus sieben Europäischen Ländern (AT, CH, DE, FR, IRL, PL, RO), was eine europaweite Vergleichbarkeit der Ergebnisse ermöglichte. Der österreichische Projektbeitrag wurde von Arbeitsgruppen der AGES und der TU Wien geliefert. Wir konnten eindeutig demonstrieren, dass mikrobielle Biodiversität als Barriere gegen die Ausbreitung von AMR in der Umwelt wirkt. Die Erhaltung von hoch-diversen mikrobiellen Ökosystemen ist ausschlaggebend, um die Ausbreitung von AMR zu reduzieren und das Risiko einer Übertragung auf Menschen und Tiere zu vermindern. Die erzielten Ergebnisse erleichtern das AMR Umweltrisikoassessment und unterstützen die Ausarbeitung von evidenzbasierten Maßnahmen zur Reduzierung der AMR-Ausbreitung in der Umwelt und zum Schutz der Gesundheit von Mensch, Tier und Pflanze.