Integrated modelling of the selection of resistant bacteria and horizontal transfer of resistance genes caused by exposure to antibiotics and disinfectants

01.11.2021 bis 31.10.2025

Ein Verständnis der verschiedenen Faktoren und Prozesse, die das
Umweltverhalten und die Auswirkungen von Schadstoffgemischen in
abwasserberegneten Böden beeinflussen, fehlt noch weitgehend,
auch wenn Abwasser bei wachsender Bevölkerung und Klimawandel,
insbesondere in Ländern mit Wasserknappheit, für die Bewässerung
in der Landwirtschaft immer wichtiger wird. Die Einführung der
Abwasserbehandlung in seit langem etablierten
Bewässerungssystemen mit unbehandeltem Abwasser könnte
Schadstoffe mobilisieren, die sich früher in den Böden angesammelt
haben, was zu Schadstoffkonzentrationen führen könnte, die
antimikrobielle Resistenz (ko-)selektieren, wobei Freisetzung und
Konzentrationen von Antibiotika sowie Auswahl der
Antibiotikaresistenz durch den Bodentyp beeinflusst werden. Dieses
Teilprojekt (TP 7) der Forschungsgruppe "Schadstoff -
Antibiotikaresistenz - Pathogeninteraktionen in einem sich
verändernden Abwasser-Bewässerungssystem" wird mathematische
Modelle mit Daten aus Beobachtungen im Labor und im Feld
kombinieren, um Prozesse zu quantifizieren und verschiedene
Szenarien zu analysieren, die die Auswirkungen ausgewählter
Umwelt- oder Laborbedingungen (sogenannte in silico-Experimente)
auf Konzentrationen und Verbleib von Antibiotika und Quartären
Alkylammoniumdesinfektionsmitteln sowie ihre Effekte auf die
Selektion und Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen simulieren.
Sowohl die zeitliche Dynamik von Konzentrationen und der Verbleib
von Schadstoffen in Böden als auch die Ausbreitung der antimikrobiellen Resistenz wurden durch prozessbasierte mathematische Modelle beschrieben. Existierende Ansätze für die Modellierung der mikrobiellen Populationsdynamik und der Ausbreitung resistenter Bakterien reichen von gewöhnlichen Differentialgleichungen (ODEs) über stochastische Ansätze bis hin zu individuen- oder agentenbasierten Modellen. Wir werden in Zusammenarbeit mit allen beteiligten Teilprojekten i) ein konzeptuelles und mathematisches Modell entwickeln, das das Schadstoffverhalten in abwasserberegneten Böden mit der Bakteriendynamik und der Ausbreitung von Resistenzgenen kombiniert, um ii) Schadstoffkonzentrationen, Freisetzung aus dem Boden und Verhalten mit der Selektion resistenter Bakterien und dem horizontalen Gentransfer (HGT) in Abwasser und Böden zu verknüpfen, iii) die räumliche Heterogenität und Pflanzenaufnahme
bei der Gesamtbewertung der Wechselwirkungen zwischen Schadstoffen und Bakterien zu berücksichtigen; und iv) das in Experimenten unterschiedlicher Komplexität und Realitätsnähe gewonnene Prozessverständnisses über die verschiedenen Skalen hinweg zu integrieren. Auf diese Weise werden die Ergebnisse dieses Teilprojekts zur Aufklärung und Quantifizierung von Prozessen und Parametern beitragen, die das Schadstoffverhalten und die
Ausbreitung von Bakterienresistenzen in landwirtschaftlich genutzten
Böden vorantreiben, die einer Umstellung der Bewässerung mit
unbehandeltem auf eine Bewässerung mit behandeltem Abwasser
unterliegen.