Subletale Wasserdesinfektion kann unbeabsichtigt die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen fördern

Subletale Wasserdesinfektion kann unbeabsichtigt die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen fördern

Die Studie zeigt, dass Umweltstressoren nicht nur Bakterien abtöten; Sie können überlebende Zellen auch darauf vorbereiten, Resistenzgene effizienter aufzunehmen, was Bedenken hinsichtlich der Ausbreitung antibiotikaresistenter Bakterien in Gewässern aufkommen lässt.

Antibiotikaresistenzgene und antibiotikaresistente Bakterien gelten mittlerweile als neu auftretende Umweltschadstoffe, die häufig in Flüssen, Seen, Abwässern und sogar Ozeanen nachgewiesen werden. Aquatische Systeme bieten ideale Bedingungen für das Überleben, die Interaktion und die Ausbreitung von Resistenzgenen unter Mikroorganismen. Bakterien tauschen genetisches Material durch horizontalen Gentransfer aus, einschließlich Transformation, einem Prozess, bei dem Zellen freie DNA direkt aus ihrer Umgebung aufnehmen. Obwohl die Transformation bekanntermaßen zur Verbreitung von Resistenzen beiträgt, ist ihr Verhalten unter realistischem Umweltstress – wie etwa einer unvollständigen Desinfektion – bisher kaum verstanden. Die moderne Wasseraufbereitung stützt sich zunehmend auf fortschrittliche Oxidations- und lichtbasierte Technologien. Schwankungen in der Aufbereitungseffizienz können jedoch dazu führen, dass Bakterien am Leben bleiben, aber gestresst und nicht vollständig inaktiviert werden. Für den Schutz der öffentlichen Gesundheit ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie diese subletalen Zustände die ARG-Übertragung beeinflussen.

Eine Studie (DOI:10.48130/biocontam-0025-0017), veröffentlicht in Biokontaminant am 8. Dezember 2025 vom Team von Taicheng An, Technische Universität Guangdong, zeigt, dass subtödliche Wasserdesinfektion die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen unbeabsichtigt beschleunigen kann, indem sie die stressinduzierte Aufnahme von Resistenzgenen in überlebenden Bakterien fördert.

Mithilfe eines subletalen Photokatalysesystems (Sub-PC) zur Simulation einer unvollständigen Wasserdesinfektion wurde in dieser Studie systematisch untersucht, wie oxidativer Stress die Umwandlung von ARGs beeinflusst. Zwei antibiotikaempfindliche Empfängerstämme, Escherichia coli DH5α und E. coli HB101 wurden Sub-PC-Bedingungen ausgesetzt und mithilfe eines Plasmids, das das Ampicillin-Resistenzgen (amp) trägt, auf bakterielle Inaktivierung, physiologische Stressreaktionen und ARG-Aufnahme untersucht. Bei identischer Sub-PC-Exposition sank die Bakterienhäufigkeit nach 120 Minuten allmählich um etwa 2 Logarithmen, dennoch blieben fast 10 % der Zellen lebensfähig, was einen ausreichenden Pool für den horizontalen Gentransfer durch Transformation darstellte. Dementsprechend stiegen die intrazellulären reaktiven Sauerstoffspezies (ROS)-Werte in der frühen Phase (0–60 Minuten) deutlich an und erreichten einen drei- bis vierfachen Wert gegenüber dem Ausgangswert, während die antioxidativen Enzyme Katalase (CAT) und Superoxiddismutase (SOD) stark induziert wurden, was auf eine Aktivierung der Abwehrkräfte gegen oxidativen Stress hinweist. Mit fortschreitender Behandlung führten übermäßige Schäden zu einem Rückgang der ROS-, CAT- und SOD-Werte, was mit Zelllyse und -leckage einhergeht. Nach der Plasmidaufnahme zeigten ampicillinresistente Transformanten eine erhöhte Persistenz unter Sub-PC und zeigten nur eine Verringerung der Häufigkeit um etwa 1 log, was die Annahme stützt, dass der ARG-Erwerb die Stresstoleranz verbessert. Optimierungsexperimente ergaben, dass die Transformation bei 37 °C am effizientesten war und hohe Rezipientendichten erforderte; Die maximale Transformantenausbeute lag bei 10⁸–10⁹ KBE·ml⁻¹, wobei 10⁸ KBE·ml⁻¹ für eine robuste Quantifizierung ausgewählt wurden. Unter diesen optimalen Bedingungen stiegen die Transformationsfrequenzen um das Drei- bis Viereinhalbfache und erreichten ihren Höhepunkt nach 50–60 Minuten, bevor sie mit zunehmender Zellschädigung abnahmen. Mechanistische Analysen zeigten, dass ROS-Scavenger den Verstärkungseffekt deutlich abschwächten, ihn aber nicht aufhoben, was bestätigt, dass ROS ein wesentlicher Treiber ist. Sub-PC erhöhte außerdem die Membranpermeabilität, erhöhte das intrazelluläre Ca²⁺ um fast das Vierfache und verminderte ATP, wodurch der Ca²⁺-Ausfluss begrenzt und dessen Akkumulation verstärkt wurde. Genexpressionsprofile bestätigten diese Trends und zeigten eine frühe Hochregulierung der Gene für Stressreaktion, Antioxidantien, Membrantransport und DNA-Aufnahme sowie eine Unterdrückung der Energiestoffwechselwege.

Die Ergebnisse verdeutlichen ein kritisches, aber unterschätztes Risiko in Wasseraufbereitungssystemen: Eine teilweise wirksame Desinfektion kann die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen fördern, anstatt sie zu verhindern. Subletaler Stress ermöglicht nicht nur das Überleben von Bakterien, sondern erhöht auch aktiv ihre Fähigkeit, Resistenzgene aus der Umwelt zu erwerben. Dieser Mechanismus könnte zum Fortbestehen und der Verstärkung von Antibiotikaresistenzen in Abwasser, Oberflächengewässern und nachgelagerten Ökosystemen beitragen.

Quellen: