Medikamente zur Behandlung bakterieller Infektionen wirken nicht nur im menschlichen Körper – sie können auch nach ihrer Anwendung Auswirkungen auf die Umwelt haben. In ihrer Dissertation an der Schwedische Universität für Agrarwissenschaften in Uppsala untersuchte Valentina Ugolini, wie antibiotische Wirkstoffe aus dezentralen Kläranlagen in die Umwelt gelangen und welche Strategien geeignet sind, ihre Verbreitung einzudämmen.
Wachsende Gefahr durch Antibiotikaresistenzen
Antibiotikaresistenzen gelten als eine der größten Bedrohungen für die globale Gesundheit. Ihr Anstieg wird maßgeblich durch den übermäßigen und unsachgemäßen Einsatz von Antibiotika begünstigt. Während Krankenhäuser und große Kläranlagen bereits intensiv erforscht wurden, ist die Rolle dezentraler Abwassersysteme bislang nur unzureichend untersucht. Gerade hier besteht jedoch erhebliches Potenzial, neue Ansatzpunkte zur Eindämmung der Ausbreitung zu identifizieren.
Biokohle als möglicher Lösungsansatz
Eine wirksame Abwasserbehandlung ist entscheidend, um die Verbreitung antibiotikaresistenter Bakterien und Gene in der Umwelt zu verlangsamen. Ugolinis Forschung zeigt, dass der gezielte Einsatz von Biokohle dabei eine wichtige Rolle spielen könnte.
Stichwort Biokohle
Biokohle ist ein kohlenstoffreiches, festes Material, das durch Pyrolyse entsteht – die thermische Zersetzung organischer Biomasse unter weitgehendem Sauerstoffausschluss. Als Ausgangsstoffe dienen Holzreste, Stroh, Grünschnitt oder andere pflanzliche Abfälle. Anders als bei der Verbrennung wird das Material nicht zu Asche oxidiert, sondern in eine stabile Kohlenstoffform überführt.
Das Verfahren ist keineswegs neu: Indigene Gemeinschaften im Amazonasgebiet stellten bereits vor Jahrhunderten Pflanzenkohle her, die als Bestandteil der legendären „Terra Preta“ bis heute außergewöhnlich fruchtbare Böden ermöglicht.
Moderne Biokohle knüpft an dieses Wissen an – allerdings mit zeitgemäßer Technik und klimapolitischem Anspruch. Da Pflanzen während ihres Wachstums CO₂ aufnehmen und ein Teil dieses Kohlenstoffs in der Biokohle langfristig gebunden bleibt, gilt sie als Form der Negativemissionstechnologie. Wird sie in Böden eingebracht, kann Kohlenstoff über Jahrhunderte gespeichert werden.
Darüber hinaus verbessert Biokohle aufgrund ihrer porösen Struktur die Wasserhaltefähigkeit von Böden, fördert das Bodenleben und bindet Nährstoffe. Sie findet deshalb Anwendung in der Landwirtschaft, im Gartenbau, in der Tierhaltung und sogar in der Bauwirtschaft – etwa als Zuschlagstoff in Beton.
Unterschiedliche Oberflächen – unterschiedliche Wirkungen
„In meinem Experiment war Biokohle mit einer hohen spezifischen Oberfläche besonders geeignet, verschiedene Chemikalien zu entfernen, die mit Antibiotikaresistenzen in Verbindung stehen. Für die Entfernung von Resistenzgenen und Bakterien waren hingegen andere Eigenschaften entscheidend – etwa eine größere äußere Oberfläche statt einer stark mikroporösen Struktur“, erklärt Valentina Ugolini.
Die Ergebnisse verdeutlichen: Nicht jede Biokohle wirkt gleich. Entscheidend sind ihre physikalischen Eigenschaften.
Dezentrale Abwasserbehandlung im Fokus
Ugolinis Untersuchung konzentrierte sich auf sogenannte dezentrale Abwasserbehandlungssysteme, wie sie vor allem in ländlichen und vorstädtischen Regionen verbreitet sind. Typischerweise bestehen sie aus einer Klärgrube mit anschließender Versickerungsanlage. Nach einer Vorbehandlung in der Grube gelangt das Abwasser in ein Versickerungsfeld, bevor es in das Grundwasser oder angrenzende Gewässer übertritt.
Die Vorbehandlung in Klärgruben reicht jedoch nicht aus, um Mikroverunreinigungen – darunter antibiotische Rückstände, resistente Bakterien oder Resistenzgene – vollständig zu entfernen. Der Boden im Versickerungsfeld bildet somit die letzte Barriere vor dem Eintritt in die aquatische Umwelt. Dessen Eigenschaften, etwa Textur und pH-Wert, beeinflussen maßgeblich die Filterleistung.
Versickerungsfelder als mögliche Hotspots
Die Ergebnisse zeigen, dass das derzeitige Design vieler sogenannter „On-Site Sanitation Systems“ (OSSF) Verunreinigungen im Zusammenhang mit antimikrobieller Resistenz (AMR) nicht ausreichend entfernt.
„Meine Forschung hat gezeigt, dass während der Behandlung in diesen Systemen die Häufigkeit von Antibiotikaresistenzgenen und Mobilisierungsgenen zunimmt. Zudem habe ich im Grundwasser unterhalb des Versickerungsfeldes höhere Chemikalienkonzentrationen und eine größere Gendichte festgestellt als an einer stromaufwärts gelegenen Vergleichsstelle. Das deutet darauf hin, dass Versickerungsfelder als Hotspots für AMR fungieren können“, so Ugolini.
Wechselwirkungen mit Alltagschemikalien
Antimikrobielle Resistenz ist ein komplexes Phänomen, an dem zahlreiche Faktoren beteiligt sind. Neben Antibiotika selbst können auch andere Chemikalien Einfluss nehmen. Für bestimmte Metalle und Biozide ist dieser Zusammenhang bereits belegt. Weniger erforscht ist die Rolle von Substanzen, die im Alltag häufig vorkommen.
In Ugolinis Untersuchung zeigten sich positive Korrelationen zwischen weit verbreiteten Stoffen wie Acesulfam (ein Süßstoff) oder Koffein und genetischen Elementen, die mit AMR in Verbindung stehen. Diese Stoffe könnten daher als Indikatoren für die Verbreitung antimikrobieller Resistenzen in der Umwelt dienen.
Ein global unterschätztes Problem
Obwohl Antibiotikaresistenzen weltweit als zentrales Gesundheitsproblem gelten, existieren bislang nur wenige Studien zur Rolle kleiner, dezentraler Abwasseranlagen. In Schweden sind rund 13 Prozent der Haushalte an solche Systeme angeschlossen. Weltweit schätzt die Vereinte Nationen, dass etwa 24 Prozent der Haushalte dezentrale Lösungen nutzen.
Feldstudie im schwedischen Landkreis Kalmar
Die praktische Untersuchung führte Ugolini in einer Vor-Ort-Kläranlage im schwedischen Landkreis Kalmar durch. Sie entnahm Wasserproben aus der Anlage selbst sowie aus der Umgebung, um die Verbreitung von Schadstoffen im Grundwasser zu analysieren. Probenahmen in unterschiedlichen Jahreszeiten ermöglichten zudem Aussagen zu saisonalen Schwankungen.
Umwelt- und Gesundheitsfolgen im Blick
„Mit dieser Forschung wollten wir verdeutlichen, welche Auswirkungen selbst kleinere Abwasserbehandlungssysteme auf die Umwelt und letztlich auf unsere Gesundheit haben können – und so einen Beitrag zur Bekämpfung antimikrobieller Resistenzen leisten“, fasst Ugolini zusammen.