To understand transmissible human diseases, disciplines such as epidemiology and the surveillance of affected cases are as essential as the knowledge about the pathogenesis and the course of a disease. Epidemiologists categorize and estimate factors for public health risks by taking metadata into account including geographic aspects, health and social states to study a disease transmission and prevent further cases. In addition, a focus on the causative agents itself is necessary in order to understand their ecology and hence their virulence traits. The causative agents for a severe pneumonia named Legionnaires’ disease (LD) are bacteria of the genus Legionella. The putative sources of LD infection are any aerosol-generating natural or man-made fresh water systems. Due to this ubiquitous distribution of legionellae, it is difficult to find the source of infection. Therefore, it is necessary to isolate the bacterium from the suffering patients to further characterize it in the laboratory and to compare the clinical isolates with isolates obtained from probable environmental sources. The predominant species isolated from LD patients is Legionella pneumophila serogroup (Sg) 1. Intensive genotyping of L. pneumophila Sg1 isolates by using the current gold standard method, the sequence-based typing scheme (SBT), revealed limitations in the discrimination of several sequence types (ST) which could not be compensated for by additional phenotypic typing scheme. In practical terms, this means that several clones or STs are disproportional frequently found in both, patients and water systems, and cannot be distinguished by current methods. Therefore, a distorted picture of endemic and globally-spread clones is generated and current typing methods cannot add substantial information during the identification of the infectious source. The aim of this thesis is to develop and implement new typing methods for L. pneumophila isolates with a higher resolution than the gold standard methods. A DNA-DNA hybridization based microarray was designed and equipped with probes that target specifically L. pneumophila virulence factors and genes that are involved in the biosynthesis of lipopolysaccharide structures. Legionellae can be subgrouped on the basis of their lipopolysaccharide structures. Here, the usually phenotypic characterization of L. pneumophila Sg1 is successfully transmitted to a DNA-based genotypic method. Furthermore, the detailed validation of the DNA-microarray revealed a higher discriminatory power in comparison to the gold standard methods. It enables previously indistinguishable clones to be subdivided, providing valuable information about probable sources of infection. The second new tool for typing of L. pneumophila is based on the core genome of the bacteria. An extended SBT-scheme was extracted from the core genome and accordingly named core genome multilocus sequence typing (cgMLST). This genome wide gene-by-gene typing approach allows a high genomic resolution of L. pneumophila isolates by retaining epidemiological concordance. A major advantage of this genome-based method is the detection of large recombination events within the analysed genomes, which is, so far, reserved for whole genome sequencing. The population structure of legionellae is largely driven by recombination and horizontal gene transfer rather than by spontaneous mutations. Therefore, the detection of recombination events is essential for typing of L. pneumophila isolates. In addition, the cgMLST-scheme assigns a core genome sequence type to the analysed isolate and allows backwards compatibility with the current SBT-scheme. Both methods proved to be fast, reliable and robust typing methods through their application during outbreak investigations. Furthermore, both systems are particularly suited as routine molecular typing tools for the surveillance of single cases. The raw data are verified and translated into uniform portable codes, which enables the easy transfer and comparison of results. The standardized and portable quality of the results of both methods enables the establishment of a curated global database. This qualifies both methods as potential new gold standard methods for the genotyping of L. pneumophila isolates.

To understand transmissible human diseases, disciplines such as epidemiology and the surveillance of affected cases are as essential as the knowledge about the pathogenesis and the course of a disease. Epidemiologists categorize and estimate factors for public health risks by taking metadata into account including geographic aspects, health and social states to study a disease transmission and prevent further cases. In addition, a focus on the causative agents itself is necessary in order to understand their ecology and hence their virulence traits. The causative agents for a severe pneumonia named Legionnaires’ disease (LD) are bacteria of the genus Legionella. The putative sources of LD infection are any aerosol-generating natural or man-made fresh water systems. Due to this ubiquitous distribution of legionellae, it is difficult to find the source of infection. Therefore, it is necessary to isolate the bacterium from the suffering patients to further characterize it in the laboratory and to compare the clinical isolates with isolates obtained from probable environmental sources. The predominant species isolated from LD patients is Legionella pneumophila serogroup (Sg) 1. Intensive genotyping of L. pneumophila Sg1 isolates by using the current gold standard method, the sequence-based typing scheme (SBT), revealed limitations in the discrimination of several sequence types (ST) which could not be compensated for by additional phenotypic typing scheme. In practical terms, this means that several clones or STs are disproportional frequently found in both, patients and water systems, and cannot be distinguished by current methods. Therefore, a distorted picture of endemic and globally-spread clones is generated and current typing methods cannot add substantial information during the identification of the infectious source. The aim of this thesis is to develop and implement new typing methods for L. pneumophila isolates with a higher resolution than the gold standard methods. A DNA-DNA hybridization based microarray was designed and equipped with probes that target specifically L. pneumophila virulence factors and genes that are involved in the biosynthesis of lipopolysaccharide structures. Legionellae can be subgrouped on the basis of their lipopolysaccharide structures. Here, the usually phenotypic characterization of L. pneumophila Sg1 is successfully transmitted to a DNA-based genotypic method. Furthermore, the detailed validation of the DNA-microarray revealed a higher discriminatory power in comparison to the gold standard methods. It enables previously indistinguishable clones to be subdivided, providing valuable information about probable sources of infection. The second new tool for typing of L. pneumophila is based on the core genome of the bacteria. An extended SBT-scheme was extracted from the core genome and accordingly named core genome multilocus sequence typing (cgMLST). This genome wide gene-by-gene typing approach allows a high genomic resolution of L. pneumophila isolates by retaining epidemiological concordance. A major advantage of this genome-based method is the detection of large recombination events within the analysed genomes, which is, so far, reserved for whole genome sequencing. The population structure of legionellae is largely driven by recombination and horizontal gene transfer rather than by spontaneous mutations. Therefore, the detection of recombination events is essential for typing of L. pneumophila isolates. In addition, the cgMLST-scheme assigns a core genome sequence type to the analysed isolate and allows backwards compatibility with the current SBT-scheme. Both methods proved to be fast, reliable and robust typing methods through their application during outbreak investigations. Furthermore, both systems are particularly suited as routine molecular typing tools for the surveillance of single cases. The raw data are verified and translated into uniform portable codes, which enables the easy transfer and comparison of results. The standardized and portable quality of the results of both methods enables the establishment of a curated global database. This qualifies both methods as potential new gold standard methods for the genotyping of L. pneumophila isolates.

Die Mehrzahl der jährlich 400.000 bis 600.000 Krankenhausinfektionen in Deutschland wird von Erregern der sog. ESCAPE-Gruppe (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Clostridium difficile, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa und verschiedene Enterobacteriaceae, u.a. Klebsiella pneumoniae) verursacht. Besondere Sorge bereitet dabei die Ausbreitung von K. pneumoniae-Stämmen mit enzymvermittelter Resistenz gegenüber Carbapenem-Antibiotika (K. pneumoniae-Carbapenemase, KPC) und die Zunahme von C. difficile-Infektionen (CDI) durch hypervirulente Epidemiestämme (z.B. Ribotyp 027). Die spezifischen Erfahrungen eines prolongierten Ausbruchsgeschehens durch einen KPC-bildenden K. pneumoniae-Stamm (KPC-KP) am Leipziger Universitätsklinikum machen deutlich, dass bei diesem Erregertyp ein hohes Transmissionspotential bei enormer Tenazität (Umweltresistenz) zu berücksichtigen ist, ein Versagen von Standardhygienemaßnahmen in Betracht zu ziehen ist, und Infektionsketten oftmals unklar bleiben. Die Anwendung von Antibiotika ist bei KPC-KP-Infektionen auf einzelne Substanzen (Colistin, Tigecyclin, Gentamicin) beschränkt und vor allem bei immunsupprimierten Patienten (z.B. Lebertransplantierte) mit einem relevanten Risiko des Therapieversagens behaftet. Die Therapie von CDI wird gerade bei Immunsupprimierten durch eine steigende Zahl an Rezidiven erschwert, die teilweise antibiotisch (Vancomycin, Fidaxomicin) nicht beherrschbar sind, so dass alternative Therapieverfahren wie die fäkale Bakterientherapie („Stuhltransplantation“) zur Anwendung kommen. CDI-Rezidive, aber auch eine dauerhafte intestinale Besiedelung mit multiresistenten Enterobakterien wie KPC-KP, scheinen neben wirtsspezifischen Faktoren der Immunantwort durch eine Dysregulation der physiologischen intestinalen Standortflora mit Störung der Kolonisationsresistenz bedingt zu sein. Der Versuch einer Eradikationsbehandlung von Patienten mit persistierender intestinaler Besiedelung durch KPC-KP mittels oraler Applikation der nicht resorbierbaren Antibiotika Colistin und Gentamicin ist mit einem relevanten Risiko der Entstehung von Sekundärresistenzen behaftet. Die Zulassung neuer, besser wirksamer Antibiotika ist für die nächsten Jahre nicht in Sicht, so dass der Infektionsprävention überragende Bedeutung zukommt. Die Erfahrungen der KPC-Ausbruchsbewältigung am Leipziger Universitätsklinikum zeigen, dass nahezu lückenlose Compliance bei der Händedesinfektion, rigoros praktizierte und kontrollierte Barriere- und Isolationsmaßnahmen, Optimierung des Gebrauchs von Breitspektrum-Antibiotika (sog. „Antibiotic Stewardship“) und systematisches mikrobiologisches Erregerscreening dabei unabdingbar sind. Nachhaltige Verbesserungen hinsichtlich der globalen Ausbreitung von multiresistenten Krankenhausbakterien werden sich nur durch grundlegende Umgestaltungen in Umwelt, Landwirtschaft, Tierzucht und Gesundheitswesen mit sparsamer und möglichst gezielter Anwendung von Antibiotika erzielen lassen. Um Risikopopulationen hospitalisierter Patienten vor potentiell lebensbedrohlichen Erregertransmissionen effektiv schützen zu können, sind erweiterte Surveillance und konsequent umgesetzte krankenhaushygienische Maßnahmen erforderlich.

Die Mehrzahl der jährlich 400.000 bis 600.000 Krankenhausinfektionen in Deutschland wird von Erregern der sog. ESCAPE-Gruppe (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Clostridium difficile, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa und verschiedene Enterobacteriaceae, u.a. Klebsiella pneumoniae) verursacht. Besondere Sorge bereitet dabei die Ausbreitung von K. pneumoniae-Stämmen mit enzymvermittelter Resistenz gegenüber Carbapenem-Antibiotika (K. pneumoniae-Carbapenemase, KPC) und die Zunahme von C. difficile-Infektionen (CDI) durch hypervirulente Epidemiestämme (z.B. Ribotyp 027). Die spezifischen Erfahrungen eines prolongierten Ausbruchsgeschehens durch einen KPC-bildenden K. pneumoniae-Stamm (KPC-KP) am Leipziger Universitätsklinikum machen deutlich, dass bei diesem Erregertyp ein hohes Transmissionspotential bei enormer Tenazität (Umweltresistenz) zu berücksichtigen ist, ein Versagen von Standardhygienemaßnahmen in Betracht zu ziehen ist, und Infektionsketten oftmals unklar bleiben. Die Anwendung von Antibiotika ist bei KPC-KP-Infektionen auf einzelne Substanzen (Colistin, Tigecyclin, Gentamicin) beschränkt und vor allem bei immunsupprimierten Patienten (z.B. Lebertransplantierte) mit einem relevanten Risiko des Therapieversagens behaftet. Die Therapie von CDI wird gerade bei Immunsupprimierten durch eine steigende Zahl an Rezidiven erschwert, die teilweise antibiotisch (Vancomycin, Fidaxomicin) nicht beherrschbar sind, so dass alternative Therapieverfahren wie die fäkale Bakterientherapie („Stuhltransplantation“) zur Anwendung kommen. CDI-Rezidive, aber auch eine dauerhafte intestinale Besiedelung mit multiresistenten Enterobakterien wie KPC-KP, scheinen neben wirtsspezifischen Faktoren der Immunantwort durch eine Dysregulation der physiologischen intestinalen Standortflora mit Störung der Kolonisationsresistenz bedingt zu sein. Der Versuch einer Eradikationsbehandlung von Patienten mit persistierender intestinaler Besiedelung durch KPC-KP mittels oraler Applikation der nicht resorbierbaren Antibiotika Colistin und Gentamicin ist mit einem relevanten Risiko der Entstehung von Sekundärresistenzen behaftet. Die Zulassung neuer, besser wirksamer Antibiotika ist für die nächsten Jahre nicht in Sicht, so dass der Infektionsprävention überragende Bedeutung zukommt. Die Erfahrungen der KPC-Ausbruchsbewältigung am Leipziger Universitätsklinikum zeigen, dass nahezu lückenlose Compliance bei der Händedesinfektion, rigoros praktizierte und kontrollierte Barriere- und Isolationsmaßnahmen, Optimierung des Gebrauchs von Breitspektrum-Antibiotika (sog. „Antibiotic Stewardship“) und systematisches mikrobiologisches Erregerscreening dabei unabdingbar sind. Nachhaltige Verbesserungen hinsichtlich der globalen Ausbreitung von multiresistenten Krankenhausbakterien werden sich nur durch grundlegende Umgestaltungen in Umwelt, Landwirtschaft, Tierzucht und Gesundheitswesen mit sparsamer und möglichst gezielter Anwendung von Antibiotika erzielen lassen. Um Risikopopulationen hospitalisierter Patienten vor potentiell lebensbedrohlichen Erregertransmissionen effektiv schützen zu können, sind erweiterte Surveillance und konsequent umgesetzte krankenhaushygienische Maßnahmen erforderlich.

Grundsätzlich ist für die nachhaltige Nutzung einer Lagerstätte die Kenntnis der Geologie von signifikanter Bedeutung. Unter Einbeziehung und Aufbereitung vielfältiger Eingangsdaten wurde erstmals eine komplexe geologische Interpretation des Werra-Kaligebietes vorgelegt, die sowohl das Suprasalinar und Salinar als auch das Subsalinar umfasst. Mit Hilfe eines eigens zu diesem Zweck erstellten 3D-Strukturmodells wurden Untersuchungen zu Auswirkungen struktureller und geologischer Merkmale auf wesentliche Eigenschaften der Lagerstätte durchgeführt. So erfolgte u. a. die Analyse der Verteilung der Wertstoffgehalte der sich im Abbau befindlichen Kaliflöze im Hinblick auf das 3D-Strukturmodell. Auch wurden die Häufigkeit, die räumliche Verteilung und die Größe von Gasereignissen im Kontext zur geologischen Entwicklung des Werra-Kaligebietes untersucht. Die vorgelegte Dissertation stellt einen Beitrag zur Erforschung der Beckenentwicklung dar und ermöglicht eine Übertragung gewonnener Erkenntnisse auf zukünftige Abbaubereiche der Lagerstätte.:Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 Präzisierung der Aufgabenstellung 3 Wissenschaftlicher Kenntnisstand zum Werra-Kaligebiet 3.1 Geographische und topographische Situation 3.2 Regionalgeologischer Rahmen 3.2.1 Paläogeographie 3.2.2 Tektonische Einordnung und Entwicklung 3.2.3 Strukturinventar von Subsalinar, Salinar und Suprasalinar im Werra- Kaligebiet 3.2.3.1 Tektonische Erscheinungsformen im Subsalinar 3.2.3.2 Tektonische Erscheinungsformen im Salinar 3.2.3.3 Tektonische Erscheinungsformen im Suprasalinar 3.3 Stratigraphische Gliederung 3.3.1 Präzechstein 3.3.2 Zechstein 3.3.3 Postzechstein 4 Eingangsdaten und methodische Vorgehensweise 4.1 Arbeitsvorbereitung und Datenaufbereitung 4.1.1 Digitales Geländemodell 4.1.2 Geologische Karten 4.1.3 Bohrungsdaten aus Tagesbohrungen 4.1.4 Grubenrissliche Unterlagen 4.1.4.1 Bohrungsdaten aus Untertagebohrungen 4.1.4.2 Fazies- und Strukturdaten 4.1.4.3 Vulkanitvorkommen 4.1.4.4 Gasereignisse 4.1.4.5 Wertstoffgehalte 4.1.5 Georadardaten 4.1.6 Seismikdaten 4.1.7 Geomagnetik 4.1.8 Gravimetrie 4.2 Eingangsdaten und Geomodellierung 4.2.1 Definition Modellraum und stratigraphische Tabelle 4.2.2 Eingangsdaten und Erstellung Störungen 4.2.3 Eingangsdaten und Erstellung der Horizonte 5 Ergebnisse 5.1 Ergebnis der geologischen Modellierung 5.2 Güte des 3D-Strukturmodells 5.3 Auswertung des 3D-Strukturmodells 5.3.1 Isobathenpläne ausgewählter stratigraphischer Horizonte 5.3.2 Isopachenpläne ausgewählter stratigraphischer Abschnitte 5.3.3 Geologische Profile 5.3.4 Fazieskarten und Störungszonen 5.3.5 Ergebnisse zu Wertstoffgehalten 5.3.6 Ergebnisse zu Gasereignissen und Vulkanitvorkommen 5.3.6.1 Häufigkeit der Gasereignisse 5.3.6.2 Größe der Gas-Salz-Ausbrüche 5.3.6.3 Beziehungen der Häufigkeit von Gasereignissen, der Größe von Gas-Salz- Ausbrüchen, der Fazies und der Eigenschaften der Vulkanite 6 Diskussion der Ergebnisse 6.1 Ableitung zur Senkungsentwicklung des Arbeitsgebietes 6.2 Differenzierte geologische Entwicklung des Arbeitsgebietes unter Berücksichtigung einzelner Strukturelemente 6.2.1 Beginn des Zechstein 6.2.2 Verlauf Zechstein 6.2.3 Trias 6.2.4 Jura und Kreide 6.2.5 Tertiär 6.3 Fazielle Ausbildung der Kaliflöze in Bezug zu der geologischen Entwicklung des Arbeitsgebietes 6.4 Wertstoffverteilung der Kaliflöze im Hinblick auf die geologische Entwicklung des Arbeitsgebietes 6.5 Gasimprägnationen 6.6 Auswirkungen und Übertragbarkeit der Ergebnisse 7 Zusammenfassung 8 Fazit und Ausblick