Der Nachweis von Fäkalindikatorbakterien (wie z. B. E. coli oder intestinale Enterokokken) gibt zwar einen Hinweis auf eine fäkale Belastung im Gewässer, erlaubt jedoch keinen Rückschluss auf den Ursprung.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden verschiedene Methoden zur Identifizierung von fäkalen Eintragsquellen (Microbial Soruce Tracking, MST) geprüft. Hierzu zählen Kultur-basierte Verfahren, wie der Nachweis von Toxingenen in E. coli-Isolaten, und Kultur-unabhängige Methoden wie die Denaturierende-Gradienten-Gelelektrophorese oder der Nachweis von DNA-Abschnitten, die spezifisch für menschlichen oder tierischen Kot sind.
Die Untersuchung von E. coli-Isolaten aus der aquatischen Umwelt auf Toxingene erwies sich in Hinblick auf die Identifizierung von fäkalen Eintragsquellen als nicht zielführend. Problematisch war neben dem hohen Zeitaufwand vor allem das seltene Vorkommen dieser Virulenzfaktoren im untersuchten Gewässer. Enteropathogene E. coli-Bakterien werden nur von infizierten Wirten abgegeben, daher ist der Nachweis der Virulenzgene in Gewässern stark eingeschränkt.
Im nächsten Schritt wurden Datenbank-unabhängige Verfahren für die Untersuchungen im Einzugsgebietsmaßstab etabliert. Methoden zur spezifischen Detektion von fäkalen Einträgen durch Menschen, Rinder (Wiederkäuer), Schweine, Hunde, Schafe, Hühner und Pferde standen anschließend für die Identifizierung von fäkalen Einträgen in verschiedenen Einzugsgebieten zur Verfügung. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen, dass mit den etablierten MST-Verfahren sehr empfindliche und spezifische Werkzeuge für die Identifizierung von fäkalen Einträgen im Einzugsgebietsmaßstab zur Verfügung stehen. Durch die Untersuchung von Wasserproben auf das Vorkommen von MST-Markern konnten Aussagen über Auftreten und Stärke fäkaler Belastungen in städtisch und ländlich geprägten Einzugsgebieten gemacht werden. Kontaminationsquellen wurden identifiziert und Vorschläge für gezielte Management¬maßnahmen im Einzugsgebiet abgeleitet. Des Weiteren wurde die MST-Verfahren erfolgreich dazu genutzt Erkenntnisse über den Ursprung von Antibiotikaresistenzgenen im Tai-See (China) zu gewinnen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die MST-Methoden basierend auf wirtsspezifischen Markern für den Einsatz in der Praxis geeignet sind. Zusammen mit der Betrachtung der örtlichen Gegebenheiten ist MST ein hilfreiches und kostengünstiges Werkzeug bei der Ursachen-forschung und der Ermittlung der Herkunft fäkaler Belastungen in der aquatischen Umwelt. Damit trägt es wesentlich zu einer zielorientierten Bewirtschaftung des Gewässers bei.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
TABELLENVERZEICHNIS
FORMELVERZEICHNIS
1. HINTERGRUND
1.1 INDIKATORORGANISMEN
1.2 SOURCE TRACKING-METHODEN
1.2.1 Datenbank-abhängige Methoden
1.2.2 Datenbank-unabhängige Methoden
1.2.3 Source Tracking mit chemischen Substanzen
1.3 ANTIBIOTIKARESISTENZEN IN DER UMWELT
2. ZIELSETZUNG DER ARBEIT
3. MATERIAL UND METHODEN
3.1 MONITORING MIKROBIOLOGISCHER PARAMETER – KULTURVERFAHREN
3.1.1 Coliforme Bakterien und Escherichia coli
3.1.2 Enterokokken
3.1.3 Clostridium perfringens-Sporen
3.2 MOLEKULARBIOLOGISCHE ANALYTIK
3.2.1 PCR-Untersuchung von E. coli-Isolaten auf Virulenzgene
3.2.2 Molekularbiologische Untersuchung von Wasserproben
3.3 UNTERSUCHUNGEN ZUR ERFASSUNG DER CHARAKTERISTIKA DER KULTUR-UNABHÄNGIGEN MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN
3.3.1 Nachweisempfindlichkeit
3.3.2 Spezifität und Sensitivität
3.3.3 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen
3.3.4 Untersuchungen zur Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern
3.4 STATISTISCHE AUSWERTUNG
4. BESCHREIBUNG DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE
4.1 RHEIN
4.2 GALLUSQUELLE
4.3 EINZUGSGEBIETE DER BERLINER WASSERBETRIEBE
4.3.1 Wasserwerk Tiefwerder
4.3.2 Wasserwerk Kaulsdorf
4.4 EINZUGSGEBIETE DER WSW ENERGIE & WASSER AG
4.4.1 Talsperre Herbringhausen
4.4.2 Talsperre Kerspe
4.5 TAI-SEE
4.6 VERGLEICH DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 61
5. ERGEBNISSE UND DISKUSSION 63
5.1 NACHWEIS VON VIRULENZGENEN ALS MICROBIAL SOURCE TRACKING-WERKZEUG
5.2 DATENBANK-UNABHÄNGIGE UND KULTUR-UNABHÄNGIGE MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN
5.2.1 Etablierung Datenbank-unabhängiger und Kultur-unabhängiger Microbial Source Tracking-Verfahren
5.2.2 Nachweisempfindlichkeit
5.2.3 Spezifität und Sensitivität der Marker
5.2.4 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen
5.2.5 Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern
5.3 UNTERSUCHUNG IM EINZUGSGEBIETSMAßSTAB
5.3.1 Gallusquelle
5.3.2 Wasserwerke Tiefwerder und Kaulsdorf
5.3.3 Talsperren Herbringhausen und Kerspe
5.4 EINSATZ VON MICROBIAL SOURCE TRACKING-METHODEN ZUR IDENTIFIZIERUNG DER HERKUNFT VON ANTIBIOTIKARESISTENZEN
6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
7. EIGENE VERÖFFENTLICHUNGEN
8. FINANZIELLE FÖRDERUNG
9. LITERATURVERZEICHNIS
10. ANHANG / Although evidence of fecal indicator bacteria (such as E. coli or intestinal enterococci) indicates fecal contamination in the aquatic environment, it does not allow any conclusion regarding the origin of the pollution. With the use of so-called microbial source tracking methods it is possible to trace the origin of such contaminations.
In this dissertation, various microbial source tracking methods were tested. These include culture-based methods such as the detection of toxin genes in E. coli isolates, and culture-independent methods such as denaturing gradient gel electrophoresis or the detection of defined DNA sections specific for human or animal feces using quantitative real-time PCR.
Analysis of E. coli isolates from the aquatic environment on toxin genes proved to be ineffective in identifying fecal sources of input. In addition to the high effort of time, the problem was the rare occurrence of these virulence factors in the examined water. Enteropathogenic E. coli bacteria carry virulence genes which are only released from infected hosts. Therefore, the detection of virulence genes in weakly to moderately contaminated waters is severely limited.
In the next step, culture-independent PCR procedures were established. Afterwards, methods for the specific detection of fecal entries by humans, cattle (ruminants), pigs, dogs, sheep, chickens and horses were available for the identification of fecal entries in various catchment areas. The results of these investigations show that established MST methods provide very sensitive and specific tools for the identification of fecal entries at the catchment scale. Investigation using culture-independent methods provided information on the origin and severity of fecal pollutions in urban and rural catchment areas. Origins of contaminations were identified and concrete recommendations for management action plans in the catchment area were derived. Overall, the results show the potential and the suitability for practical application of molecular biological microbial source tracking methods. Furthermore, the MST methods have been successfully used to gain knowledge about the origin of antibiotic resistance genes in Tai Lake (China).
The results of this thesis show that MST methods based on host-specific markers are suitable for practical use. Together with the consideration of local conditions, MST is a helpful and cost-effective tool for causal research and the determination of the origin of fecal contamination in the aquatic environment. Thus it contributes significantly to a goal-oriented management of the water body.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
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1. HINTERGRUND
1.1 INDIKATORORGANISMEN
1.2 SOURCE TRACKING-METHODEN
1.2.1 Datenbank-abhängige Methoden
1.2.2 Datenbank-unabhängige Methoden
1.2.3 Source Tracking mit chemischen Substanzen
1.3 ANTIBIOTIKARESISTENZEN IN DER UMWELT
2. ZIELSETZUNG DER ARBEIT
3. MATERIAL UND METHODEN
3.1 MONITORING MIKROBIOLOGISCHER PARAMETER – KULTURVERFAHREN
3.1.1 Coliforme Bakterien und Escherichia coli
3.1.2 Enterokokken
3.1.3 Clostridium perfringens-Sporen
3.2 MOLEKULARBIOLOGISCHE ANALYTIK
3.2.1 PCR-Untersuchung von E. coli-Isolaten auf Virulenzgene
3.2.2 Molekularbiologische Untersuchung von Wasserproben
3.3 UNTERSUCHUNGEN ZUR ERFASSUNG DER CHARAKTERISTIKA DER KULTUR-UNABHÄNGIGEN MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN
3.3.1 Nachweisempfindlichkeit
3.3.2 Spezifität und Sensitivität
3.3.3 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen
3.3.4 Untersuchungen zur Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern
3.4 STATISTISCHE AUSWERTUNG
4. BESCHREIBUNG DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE
4.1 RHEIN
4.2 GALLUSQUELLE
4.3 EINZUGSGEBIETE DER BERLINER WASSERBETRIEBE
4.3.1 Wasserwerk Tiefwerder
4.3.2 Wasserwerk Kaulsdorf
4.4 EINZUGSGEBIETE DER WSW ENERGIE & WASSER AG
4.4.1 Talsperre Herbringhausen
4.4.2 Talsperre Kerspe
4.5 TAI-SEE
4.6 VERGLEICH DER UNTERSUCHUNGSGEBIETE 61
5. ERGEBNISSE UND DISKUSSION 63
5.1 NACHWEIS VON VIRULENZGENEN ALS MICROBIAL SOURCE TRACKING-WERKZEUG
5.2 DATENBANK-UNABHÄNGIGE UND KULTUR-UNABHÄNGIGE MICROBIAL SOURCE TRACKING-VERFAHREN
5.2.1 Etablierung Datenbank-unabhängiger und Kultur-unabhängiger Microbial Source Tracking-Verfahren
5.2.2 Nachweisempfindlichkeit
5.2.3 Spezifität und Sensitivität der Marker
5.2.4 Charakterisierung möglicher Eintragsquellen
5.2.5 Stabilität von Microbial Source Tracking-Markern
5.3 UNTERSUCHUNG IM EINZUGSGEBIETSMAßSTAB
5.3.1 Gallusquelle
5.3.2 Wasserwerke Tiefwerder und Kaulsdorf
5.3.3 Talsperren Herbringhausen und Kerspe
5.4 EINSATZ VON MICROBIAL SOURCE TRACKING-METHODEN ZUR IDENTIFIZIERUNG DER HERKUNFT VON ANTIBIOTIKARESISTENZEN
6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
7. EIGENE VERÖFFENTLICHUNGEN
8. FINANZIELLE FÖRDERUNG
9. LITERATURVERZEICHNIS
10. ANHANG
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:77101 |
| Date | 22 December 2021 |
| Creators | Stange, Claudia |
| Contributors | Berendonk, Thomas U., Tiehm, Andreas, Seidel, Michael, Technische Universität Dresden, TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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