Jagd auf Fäkal-Bakterien in Wasser

2015 formulierten die Vereinten Nationen 17 Ziele für eine nachhaltige Entwicklung der Welt. Eines davon sieht vor, allen Menschen Zugang zu sauberem Wasser zu ermöglichen. Derzeit ist das Wasser von mindestens 1,8 Milliarden Menschen mit Fäkalien verunreinigt. Die Folgen können schwere Krankheiten wie Cholera sein – etwa 500.000 Menschen erkranken jährlich an den Folgen von verunreinigtem Wasser. Bis 2030 soll das Problem gelöst werden. Oft ist es allerdings schwierig, die richtigen Maßnahmen zu setzen, weil die Quelle der Verunreinigung mit den derzeitigen Tests nicht feststellbar ist. In einem vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Projekt forscht eine Gruppe um Andreas Farnleitner von der Technischen Universität Wien und der Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften in Krems an genaueren und schnelleren Analysemethoden für Wasser, die das ändern sollen.

Eine über hundert Jahre alte Methode

„Der Nachweis von Fäkalien in Wasser basiert seit über 120 Jahren auf dem Darmbakterium Escherichia coli. Es lebt im Darm von Tier und Mensch und lässt sich relativ leicht im Wasser detektieren“, sagt Farnleitner im Gespräch mit scilog. „Dazu filtriert man das Wasser und legt den Filter auf einen Nährboden. Falls Escherichia coli vorhanden ist, beginnt es zu wachsen und bildet nach einem Tag gut sichtbare Kolonien. Das ist die traditionelle Methode, an der sich alle Normen weltweit orientieren.“ Diese essenzielle Standardmethodik sei aber in die Jahre gekommen, so Farnleitner. „Einerseits sagt uns der Nachweis nicht, woher die Belastung kommt. Stammt sie von Tier oder Mensch? Von Nutztieren oder von Wildtieren? Heutzutage möchte man außerdem eine Aussage über das Gesundheitsrisiko treffen.“ Escherichia coli selbst ist harmlos, und nicht in allen Fäkalien sind gefährliche Krankheitserreger enthalten. „Wir brauchen Methoden um zu beurteilen, welche Arten von Krankheitserregern vorkommen können“, erklärt Farnleitner.

Fäkalbakterien anhand ihrer DNA nachweisen

In mehreren vom FWF finanzierten Projekten forscht Farnleitner an neuen Nachweisverfahren für mikrobiologische Fäkalverschmutzungen in Wasser. Er konzentriert sich dabei auf Populationen von Darmbakterien, die bisher nicht nachweisbar waren, sogenannten „wirtsassoziierten abundanten Bakterien“. „Escherichia-coli-Bakterien sind eigentlich Zaungäste im Darm. Andere Bakterien sind um mehrere Größenordnungen häufiger, aber im Gegensatz zu Escherichia coli mittels Standardverfahren nicht kultivierbar.“ Tatsächlich ist es jedoch möglich, diese Bakterien direkt anhand ihrer DNA nachzuweisen. „Im Prinzip kann man es sich ein wenig so vorstellen wie in der DNA-Analyse bei der Verbrecherjagd. Wir analysieren die DNA von für uns relevanten Fäkalbakterien.“ Welche Bakterien für eine solche Analyse relevant sind, wird in einem aktuellen FWF-Projekt untersucht. Dazu analysiert Farnleitner die Fäkalien von unterschiedlichsten Wild- und Haustieren, darunter neben bekannten Nutztieren auch Vögel, Reptilien, Amphibien und Fische sowie Proben von Böden, um eine Datenbank der dort vorkommenden Mikroorganismen zu erstellen. „Wir haben so eine Fäkaldatenbank aufgebaut, die mittlerweile Ausscheidungen von über 450 unterschiedlichen Tieren enthält, um erstmalig einen Eindruck von der Diversität und dem Unterschied der Bakterienpopulationen zwischen den verschiedenen Fäkal-Kontaminationsquellen zu haben.“ Bei den weltweit durchgeführten Probenahmen halfen Tierärzte rund um das Team von Chris Walzer und Gabrielle Stalder der Universität für Veterinärmedizin in Wien.

23 Millionen DNA-Sequenzen

Das Unterscheiden von Tiergruppen anhand ihrer Fäkalbakterien stellt die Forschungsgruppen vor neue Herausforderungen: „Das ist komplexer, als wir uns das vorgestellt haben. Ein erstes Ergebnis ist, dass sich die Wiederkäuer-Fäkalien von anderen stark unterscheiden. Das war zu erwarten, weil der Verdauungsapparat anders funktioniert. Es ist schön zu sehen, dass sich das in der Darm-Mikroflora widerspiegelt.“ Hier geht es unter anderem um Fragen wie jene der „Co-Evolution“. Manche Darmbakterien haben sich gemeinsam mit dem Wirtsorganismus entwickelt und sind für diesen typisch. Sie sind wie ein Fingerabdruck für die jeweilige Tiergruppe. Genau danach sucht Farnleitners Team. Bislang hat man 23 Millionen DNA-Sequenzen analysiert – eine Menge, die eine Herausforderung für aktuelle Bioinformatik-Methoden darstellt. Federführend bei der Sequenzanalyse ist der Molekularbiologe Georg Reischer, unterstützt von Ruth Ley am Max-Planck-Institut in Tübingen. „Zukünftig werden damit Feld- und Schnell-Nachweis-Verfahren möglich sein, die draußen im Freien funktionieren, mit simplen Mitteln. Die Entwicklung solcher intelligenten Nachweistools wird zurzeit weltweit vorangetrieben“, sagt Farnleitner. „Vor zehn Jahren hat ein Wettrennen eingesetzt, ausgehend von den USA, wo es neue gesetzliche Regelungen gibt. Wer dort Probleme mit der Wasserqualität hat, muss auch sagen, woher sie kommen. Diese Entwicklung wird die Wasserqualitätsanalyse revolutionieren“, so Farnleitner. Man habe nun die Möglichkeit, nach fast 150 Jahren einen Schritt weiterzugehen.

Zur Person Andreas Farnleitner ist Mikrobiologe und Toxikologe am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der Technischen Universität (TU) Wien und der Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften in Krems (KL). Er leitet des Interuniversitäre Kooperationszentrum für Water & Health an der TU Wien, zu dem die MedUni Wien und die KL Krems als Kooperationspartner gehören. Farnleitner interessiert sich für Molekulare Diagnostik und Mikrobielle Ökologie. Interdisziplinäre Forschung betreibt er innerhalb des FWF-Doktorats-Programms Water Resource Systems.

Publikationen

Mayer RE, Egle L, Bofill-Mas S, Reischer GH, Schade, M., Fernandez-Cassi, Mach RL, Lindner G, Fuchs, W., Kirschner, A, Gaisbauer M, Püringer H, Blaschke A.P., Girones R, Zessner M, Sommer R & Farnleitner AH: Occurrence of human-associated Bacteroidetes genetic source tracking marker in raw and treated wastewater of municipal and domestic origin and comparison to standard and alternative indicators of faecal pollution. Water Research 90: 265-276, 2016

Schijven, J, Derx, J., De Roda Husman, A.M., Blaschke, A.P. & Farnleitner AH: QMRAcatch - Microbial quality simulation of water resources including infection risk assessment. J. Environmental Quality 44(5): 1491-1502, 2015

Reischer, G.H, J.E. Ebdon, J.M. Haider, N. Schuster, W. Ahmed, J. Åström, AR. Blanch, G. Blöschl, D, Byamukama, T. Coakleyi, C. Ferguson, G. Goshu, G.P. Ko, A.M. de Roda Husman, D. Mushi, R. Poma, B. Pradhan, V. Rajal, M. Schade, R. Sommer, H. Taylor, E.M. Toth, V. Vrajmasu, S. Wuertz , R.L. Mach, & AH Farnleitner: Performance characteristics of qPCR assays targeting human- and ruminant-associated Bacteroidetes for microbial source tracking across sixteen countries on six continents. Environmental Science & Technology 47 (15):8548-8556, 2013

Reischer, GH, Kollanur, D, Vierheilig J, Wehrspaun, C, Mach, R, Stadler, H, Sommer, R & Farnleitner, AH: A hypothesis-driven approach for the identification of fecal pollution sources in water resources. Environmental Science & Technology 45(9):4038-45, 2011