Molekularbiologische Analytik fäkaler Wasserverunreinigungen

Die Verfügbarkeit von Wasser mit ausreichender Qualität hat eine enorme Bedeutung für die Gesundheit der Menschen. Seit den bahnbrechenden Arbeiten von Robert Koch, vor mehr als 100 Jahren, basiert die Analyse der mikrobiologischen Wasserqualität vorwiegend auf kultivierungsabhängigen Nachweisen von Indikatororganismen. In diesem Zusammenhang liefern fäkale Standardindikatoren wie etwa Escherichia coli oder Enterokokken wichtige Informationen über den generellen Grad der fäkalen Beeinflussung in Wasser. Aussagen über die Herkunft der fäkalen Verschmutzung (z.B. Tier vs. Mensch) sind in der Regel jedoch nicht möglich. Steigende Anforderungen im Bereich der mikrobiologischen Gefährdungs- und Risikoanalyse lassen die umfassende Analyse fäkaler Belastungen in Wasser und Gewässern (d.h. Quantifizierung der fäkalen Verschmutzungen und gleichzeitige Zuordnung zu möglichen Verursachern) immer bedeutender werden. Die alleinige Anwendung fäkaler Standardindikatoren wird diesem Anspruch jedoch nicht gerecht. Abundante bestandsbildende intestinale Bakterien (BIB) stellen diesbezüglich vielversprechende alternative Indikatoren dar. Erste Hinweise deuten darauf hin, dass BIB abgrenzbare phylogenetische Linien im Vergleich zu mikrobiellen Populationen in der Umwelt (z.B. in anaeroben Böden und Sedimenten) darstellen und darüber hinaus eine starke Wirtsanpassung, aufgrund co- evolutionärer Vorgänge, besitzen. Ihre überaus große genetische Diversität konnte jedoch aufgrund methodischer Restriktionen in der Vergangenheit nicht aufgelöst werden. Alternative molekularbiologische Methoden zur Detektion und Herkunftsbestimmung fäkaler Belastungen basieren daher auf einer völlig unzureichenden Datenbasis. Das ZIEL des vorgelegten Forschungsantrages ist eine molekulare öko-phylogenetische Grundlage zum Vorkommen und Verteilung von BIB Gemeinschaften in Wirbeltieren zu schaffen und ihre Eignung als molekulare Marker zur Analyse fäkaler Kontamination zu testen. Die Verwirklichung dieses Zieles wird durch Anwendung revolutionärer DNA-Sequenzierungstechniken, umfassender bioinformatischer Werkzeuge und einer durch Hypothesen geleiteten Forschung gewährleistet. In PHASE - 1 wird eine molekulare ultra-hochauflösende 16S- rRNA-Gen Sequenzdatenbank erstellt. Dabei werden Fäkalproben von Säugetieren, Mensch, Vögeln, Reptilien, Amphibien und Fischen als auch Umweltproben (vor allem Böden), aus genau charakterisierten Bereichen, analysiert. In PHASE - 2 wird eine umfassende Analyse der erhobenen Daten, die Etablierung der molekularen öko-phylogenetischen Sequenzgrundlage und die Überprüfung der Hypothesen durchgeführt (Abgrenzbarkeit, Wirtsanpassung und Co-Evolution von BIB und Wirten). Darüber hinaus wird die Möglichkeit des Designs molekularer Analysemethoden zur umfassenden Analyse fäkaler Verschmutzungen aufgrund der etablierten Datenbasis getestet. Die vorgeschlagenen Forschungsaktivitäten sollen erstmals eine systematische molekularbiologische Grundlage und ein Verständnis zu Vorkommen und Verteilung von BIB schaffen. Neben der Etablierung völlig neuartiger Methoden zur Analyse der Wasserqualität sind die Ergebnisse von großer potentieller Bedeutung in vielen Bereichen der Lebenswissenschaften.

Die Verunreinigung von Wasserressourcen durch fäkale Einträge ist eine globale Bedrohung für die menschliche Gesundheit. Die WHO schätzt das über 660 Millionen Menschen keinen Zugang zu sicherem Trinkwasser haben, was die UN dazu veranlasst hat dieses Thema zu einem ihrer Sustainable Development Goals zu erklären. Das gegenständliche Projekt hatte sich zum Ziel gesetzt eine neue, solide Basis für den Nachweis fäkaler Kontamination zu schaffen. Moderne molekulare Technologien, die auf der Detektion spezifischer DNA Fragmente (genetischer Marker) basieren, benötigen eine umfassende und qualitativ hochwertige DNA Sequenzdatenbasis. Um diese sicherzustellen wurden mehr als 400 Fäkalproben von 177 verschiedenen Wirbeltierarten gesammelt. Dies umfassten hauptsächlich Säugetiere und Vögel aber auch Reptilien, Amphibien und Fische. Zusätzlich wurden von 29 kommunalen Kläranlagen in 13 Ländern auf sechs Kontinenten ungereinigte und gereinigte Abwasserproben gezogen, stellt doch humanes Abwasser eine der wichtigsten fäkalen Kontaminationsquellen für Wasserressourcen dar. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass mensch-assoziierte genetische Fäkalmarker ubiquitär und in konstanten Konzentrationen in kommunalem Abwasser weltweit vorkommen, was diese Nachweismethoden für die globale Anwendung empfiehlt. Darüber hinaus stellen aber auch tierische Fäkalquellen ein immer größeres Problem dar. Um bestehende als auch neue molekulare Nachweise für tierische fäkale Einträge verbessern bzw. entwickeln zu können, wurden die bakteriellen Gemeinschaften (das Mikrobiom) in den gesammelten Fäkalproben mittels hochauflösenden DNA Sequenzierverfahren untersucht. Die resultierende Datenbank enthält nicht nur DNA Sequenzdaten sondern auch 150 verschieden zusätzliche Parameter von der Abstammungsgeschichte der Wirtstiere, ihrer Ernährung, ihrer Herkunft sowie Lebensweise. Der detaillierte Einblick in die Mikrobiome erlaubte die Differenzierung des Einflusses des Wirtstieres auf die Gemeinschaft (Koevolution von Wirt und Mikrobiom) im Gegensatz zu anderen Einflussgrößen wie Ernährung oder Lebensraum. Es zeigte sich, dass das Wirtstier und seine eigene Entwicklungsgeschichte entscheidend die Zusammensetzung des Mikrobioms prägen, vor allem unter den Säugetieren. Die Ernährung auf der anderen Seite hat eher Einfluss auf die Diversität der Bakterien im Darm, was sich in einer deutlich höheren Artenvielfalt im Darm von Pflanzenfressern im Vergleich zu Fleischfressern äußert. Das eben abgeschlossene Projekt demonstriert welch hohe Leistungsfähigkeit molekular-diagnostische Verfahren für den Nachweis und die Identifikation fäkaler Verunreinigung haben. Sie besitzen das Potential die Analyse von Wasser mittelfristig zu revolutionieren. Über dieses Feld hinaus sind die Ergebnisse aber auch in der Human- und Veterinärmedizin im Bereich Darmgesundheit interessant und sollten helfen sowohl das normale Darmmikrobiom zu definieren, also auch krankhafte Veränderungen zu unterdrücken oder zu beheben (z.B. Definition neuer probiotischer Bakterien).