Struktur der Microbiota von Quellen fäkaler Verunreinigung

Weltweit sind Wasserressourcen starken Beeinträchtigungen durch fäkale Verunreinigungen ausgesetzt. So haben im Moment mehr als 1,1 Milliarden Menschen keinen Zugang zu sicherem Trinkwasser. Die Untersuchung der mikrobiologischen Wasserqualität basiert seit über einem Jahrhundert auf der Kultivierung von Fäkalindikatoren. Die zunehmende Notwendigkeit die Herkunft, die Natur und das Ausmaß fäkaler Kontamination genau zu bestimmen führte in den letzten Jahren zur Entwicklung von Methoden der Herkunftsbestimmung (microbial faecal source tracking, MST) mit denen es im Gegensatz zu klassischen Indikatoren möglich ist die Verursacher des Eintrages zu identifizieren. Genetische Marker für den Nachweis verursacherspezifischer Bakterien des Phylums Bacteroidetes gelten momentan in diesem Feld als vielversprechender Ansatz. Die Definition dieser Marker fußt allerdings auf einer unzureichenden Menge an DNA-Sequenzinformation was dazu führt, dass sie oft nicht ausreichend spezifisch für ihre Zielgruppen sind und für viele solche Gruppen (z.B. Vögel) noch gar keine Marker definiert werden konnten. Ziel dieses Projektes ist es die qualitative und quantitative Zusammensetzung der fäkalen, bakteriellen Gemeinschaft von Säugetieren und Vögeln zu bestimmen. Die Auswahl der zu beprobenden Wirtstierarten richtet sich dabei an der Hypothese aus, dass die Coevolution des Wirtes und der intestinalen Gemeinschaft der Haupteinflussfaktor für die Zusammensetzung der Gemeinschaften ist. Demzufolge werden alle in Österreich zugänglichen Ordnungen der Mammalia und Avia in der Untersuchung enthalten sein um einen breiten phylogenetischen Fokus zu wahren. Zusätzlich werden auch weitere potentielle Einflussfaktoren (Ernährung, Lebensraum, Domestizierung) sowie die Bedeutung einzelner Tierarten als Quelle fäkaler Verunreinigung im Rahmen der Probenauswahl Berücksichtigung finden. Nach Extraktion der DNA aus den ca. 200 zu untersuchenden Proben und der PCR-Amplifikation eines Teils des 16S rRNA Gens der Bakteriengemeinschaft werden diese einer Sequenzbestimmung mittels 454 Pyrosequenzierung zugeführt. Die damit gewonnen 4 Millionen partiellen 16S rRNA Gensequenzen aus 200 Gemeinschaften werden in einer Datenbank auf ihre a- Diversität, Phylotypabundanz, -frequenz und -reichtum geprüft. Um die Rolle der Coevolution und anderer Faktoren, die zur Ausbildung distinkter fäkaler Gemeinschaften beigetragen haben könnten, zu bestimmen, werden die Sequenzdatensätze einer vergleichenden Analyse der divergenz-basierenden ß-Diversität mittels UniFrac Metrik unterzogen werden. Die erstellte Datenbank und deren Analyse wird die Identifikation von Phylotypen oder ganzer Äste von Phylotypen erlauben die spezifisch für Gruppen von Wirtstieren sind. Weiters ist die Definition von Markern auf verschiedenen Wirts-Spezifitätsniveaus möglich, z.B. allgemeiner Fäkalmarker - Mammalia- Artiodactyla - Ruminantia - Bovidae - Bovinae. Auf diese Weise schafft die eingereichte Studie eine solide Basis für die Formulierung von zukünftigen MST-Markern. Diese Basis ist darüber hinaus dazu geeignet, mittels Sequenzinformation aus anderen Regionen oder von anderen Wirtstieren erweitert zu werden.

Das FWF Projekt IntMicro hatte zum Ziel die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft im Darm von Säugetieren und Vögeln zu entschlüsseln. Dies geschah mit zwei Zielsetzungen: Erstens sollte dadurch Aufschluss darüber gewonnen werden, welche Teile der Bakteriengemeinschaft sehr spezifisch in bestimmten Tieren vorkommen. Diese Darmbewohner stellen hochangepasste Spezialisten dar, die in enger Symbiose mit ihrem Wirtstier leben und unter Umständen essentielle Funktionen für diesen Wirt erfüllen (Erschließung von Nährstoffen, Schutz vor Krankheitserregern). Zweitens stellen diese wirtspezifischen Bakterien interessante Indikatoren für die Identifikation von Quellen fäkaler Verunreinigung dar.Weltweit sind Wasserressourcen starken Beeinträchtigungen durch fäkale Verunreinigungen ausgesetzt. So haben im Moment mehr als 750 Millionen Menschen keinen Zugang zu sicherem Trinkwasser. Die Untersuchung der mikrobiologischen Wasserqualität basiert seit über einem Jahrhundert auf der Kultivierung von Fäkalindikatoren. Die zunehmende Notwendigkeit die Herkunft, die Natur und das Ausmaß fäkaler Kontamination genau zu bestimmen führte in den letzten Jahren zur Entwicklung von Methoden der Herkunftsbestimmung (microbial faecal source tracking, MST) mit denen es im Gegensatz zu klassischen Indikatoren möglich ist die Verursacher des Eintrages zu identifizieren. Im Laufe des Projekts wurden Kotproben von beinahe 100 Säugetier- und 50 Vogelarten mittels modernster DNA Sequenziermethoden untersucht und die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften mit bioinformatischen Methoden analysiert. Dies resultierte in einer DNA Sequenzdatenbank mit mehr als zwei Millionen Einträgen. Weiters wurde in die Analyse 150 Kategorien an Metadaten (Herkunft und taxonomische Klassifizierung der Wirtstiere, Ernährung) mit einbezogen. Die Ergebnisse des Projekts IntMicro zeigen, dass der Genotyp (die genetische Abstammung des Wirtstieres) und die Ernährung die Haupteinflussfaktoren der Gemeinschaftszusammensetzung sind. Welcher dieser beiden Faktoren überwiegt, variiert von Tiergruppe zu Tiergruppe. Eine Beispiel für eine besondere Alleinstellung einer Gruppe sind die wiederkäuenden Tiere, die eine klar von allen anderen Säugetieren und Vögeln differenzierbare intestinale Gemeinschaft beherbergen. Aus den in diesem Projekt gewonnen Erkenntnissen können einerseits weitreichende Aussagen auf dem rasant an Bedeutung gewinnendem Forschungsbereich der Interaktion zwischen tierischen Wirten und ihren assoziierten Bakteriengemeinschaften gewonnen werden. Andererseits ergibt sich daraus eine Vielzahl von möglichen Zielorganismen für den Nachweis von fäkaler Verunreinigung und deren Zuweisung zu bestimmten Tiergruppen. Diese Information ist von höchster Relevanz für die Sicherung und Verbesserung von wertvollen Wasserresourcen.