Mikrobiell-fäkale Verschmutzungsmuster entlang großer Flüsse

Große Flüsse werden weltweit intensiv für anthropogene Zwecke genutzt. Einerseits dienen sie als bedeutende Transportrouten, als Gewässer für Freizeitaktivitäten, wird ihr Wasser für agrarische und industrielle Anwendungen abgeleitet und mit größter Bedeutung für die menschliche Gesundheit, für die Trinkwasserproduktion aus Uferfiltration herangezogen; andererseits dienen große Flüsse aber auch als Vorfluter für gereinigtes und ungereinigtes Abwasser. Trotz der Implementierung von Abwasserkläranlagen nach dem Stand der Technik, zeigen abwasserbeeinflusste große Flüsse auch in Industrieländern einen hohen Grad mikrobiell-fäkaler Verschmutzung, was für alle Formen der Wassernutzung eine große Gefahr darstellt. Trotz dieser Bedeutung ist das Wissen über die mikrobiologische Verschmutzung großer Flüsse (räumlich-zeitliche Muster, Herkunftsbestimmung) vor allem im transnationalen Kontext ("von der Quelle bis zur Mündung") immer noch sehr rudimentär. Mehr Wissen ist nötig um ein konzeptionelles Verständnis mikrobieller Verschmutzungsmuster in großen Flüssen zu entwickeln. Basierend auf einer Liste definierter Wissenslücken und eigenen Untersuchungen der letzten 10 Jahre wurden zwei Hypothesen entwickelt, die im Rahmen der Studie während des nächsten "Joint Danube Survey" und eines Jahreszyklus getestet werden sollen. Die "Longitudinale Kontinuum, Laterale Diskontinuum" Hypothese beschreibt, dass, abhängig von der Intensität der Verschmutzung, die Randbereiche großer Flüsse starke Variationen mikrobiell-fäkaler Verschmutzung aufweisen, während die mikrobiell-fäkale Belastung in der Flussmitte langsam ändernde kontinuierliche Trends aufweist. Ursache dafür ist, dass die transversale Einmischung fäkal kontaminierter Wassermassen vom Flussrand in die Mitte ein sehr langsamer Prozess ist. Die "Transversale Selektion" Hypothese beschreibt, dass mikrobiell fäkale Verschmutzungsmuster in der Flussmitte und am Flussrand nicht nur in quantitativer sondern auch qualitativer Hinsicht verschieden sind. Randzonen beherbergen sensitive und resistente Populationen fäkaler Mikroorganismen, während es aufgrund unterschiedlicher Persistenz und Absterbevorgänge zu einer Verschiebung zu mehr resistenten Formen zur Flussmitte hin kommt. Der Joint Danube Survey 2013 ist die weltweit großer Flussexpedition und einzigartige Gelegenheit die neu formulierten Hypothesen und Konzepte entlang der gesamten Länge (> 2400 km) eines großen, internationalen Flusses zu testen. Zusätzlich zur Bestimmung fäkaler Standardindikatoren sowie NGS und qPCR basierter "Microbial Source Tracking" Werkzeuge, wird ein umfangreicher Datensatz von Umweltparametern zur Verfügung stehen, der es erlauben wird, ein umfassendes Bild mikrobiell-fäkaler Verschmutzungsmuster der Donau zu zeichnen und generelle Prinzipien und Konzepte zu formulieren, die diese Verschmutzungsmuster entlang großer Flüsse erklären. Die neuen Erkenntnisse werden die Entwicklung neuer Vorhersagemodelle der mikrobiell-fäkalen Verschmutzung in großen Flüssen ermöglichen, was entscheidend für ein zukünftiges Wassermanagement im Maßstab des gesamten Flusses über nationale Grenzen hinweg sein wird.

Das Wissen um die Ausbreitungswege und Muster mikrobiell-fäkaler Verschmutzung in großen Flüssen sind von höchster Wichtigkeit für alle Formen der Wassernutzung aber auch für das generelle Verständnis der Ökosystemfunktionen. In dieser Studie wurde ein vernetztes Konzept zur raum- zeitlichen Auflösung der Verschmutzungsmuster auf Basis gesamtheitlicher, interdisziplinärer Analysen am Beispiel der Donau entwickelt und angewandt. Die Untersuchungen beinhalteten eine einmalige Gesamtflussbefahrung in Kombination mit einer Jahresuntersuchung an ausgewählten Stellen, jeweils in der Mitte und an den linken und rechten Flussrändern. Eine detaillierte mikrobiologische Gewässergütekarte der gesamten Donau und ihrer wichtigsten Zubringer anhand eines neuen Farb-/Symbolcodes und unter Berücksichtigung der herrschenden hydrologischen Situation wurde erstellt. Diese Karte zeigt neben lokalen Verschmutzungsereignissen, dass die mikrobiell-hygienische Wasserqualität in der Flussmitte die generelle Verschmutzungssituation in einem bestimmten Flussabschnitt widerspiegelt. Dennoch sollten für lokale nutzungsorientierte Fragestellungen detaillierte Flussquerschnittsuntersuchungen durchgeführt werden. Der Einsatz von wirts-spezifischen Fäkalmarkern entlang einer 2600 km langen Fließstrecke ermöglichte erstmals die Identifikation der fäkalen Hauptverschmutzungsquellen eines großen Flusses und seiner wichtigsten Zubringer. Für die Donau stellte sich heraus, dass menschliche Fäkaleinträge bei weitem die dominierende Verschmutzungsquelle darstellen und Einträge von Rindern und Schweinen höchstens von lokaler Bedeutung sind. Die hochaufgelöste Kombination aus traditionellen Standardverfahren und moderner, intelligenter Fäkalmarker bringt also wertvolle Zusatzinformationen für ein besseres Management der mikrobiologischen Wasserqualität großer Flüsse hinsichtlich potenzieller Nutzungsformen (Trinkwassergewinnung, Nutzung als Badegewässer, Bewässerung für die Landwirtschaft, etc.). Die Studie lieferte auch erste grundlegende Erkenntnisse über die Verteilung von Antibiotikaresistenzen in wichtigen klinisch relevanten Bakteriengruppen entlang der Donau. Neben dem Nachweis mehrerer multiresistenter Isolate mit hoher klinischer Relevanz wurden in den oberen Abschnitten ähnliche oder höhere Resistenzniveaus im Vergleich zu den unteren Abschnitten, in denen der Abwasserzufluss und Antibiotikaeinsatz deutlich höher sind, gefunden. Zusätzlich zur Analyse mikrobieller Verschmutzungsmuster wurde die Entwicklung der bakteriellen Gemeinschaften entlang der Donau mit Hoch-Durchsatz-Sequenzierungsverfahren und neuen bioinformatischen und statistischen Verfahren erstmalig in einem so großen Fluss untersucht. Entgegen den Erwartungen zeigte sich, dass trotz zunehmender Abwassereinleitungen und Zuflüsse im Mittel- und Unterlauf der Donau die Bakteriengemeinschaften sich allmählich von großen grundwasser- und bodenbürtigen in Richtung typischer Seengemeinschaften entwickelten, mit kleineren, weniger aktiven Zellen. Diese Ergebnisse führen zu einem völlig neuen Verständnis der grundlegenden mikrobiologischen Prozesse und dem Funktionieren großer Flussökosysteme.