Chemische und physikalische Belastungen, denen Bakterien bei der Abwasseraufbereitung ausgesetzt sind, können den Gentransfer zwischen ihnen beeinträchtigen. Doch Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie von Cartagena fanden heraus, dass bestimmte Kombinationen von Stressoren die Rate des Gentransfers deutlich erhöhten, während andere Kombinationen sie verringerten. Diese Erkenntnis könnte als Grundlage für die Gestaltung und Verwaltung bewährter Verfahren der Abwasseraufbereitung und -wiederverwendung dienen.
Forscher der King Abdullah University of Science and Technology haben herausgefunden, dass eine Kombination von Stressfaktoren bei der Abwasseraufbereitung die bakteriellen Gentransferraten beeinflusst. Ihre Ergebnisse zeigten, dass Mikrofiltrationsmembranen die Bakterien- und eDNA-Konzentration wirksamer reduzierten als Sandfiltration und dadurch den Gentransfer minimierten. Bildquelle: 2023KAUST; HenoHwang
Weltweit betrachten viele Regionen behandeltes Abwasser als potenziell wertvolle Süßwasserressource. „Im Rahmen der Saudi Vision 2030 besteht die Notwendigkeit, die Wasserwiederverwendungs- und -aufbereitungsraten zu erhöhen“, sagte Bothayna Al-Gashgari, eine Doktorandin in Hong Peiyings Gruppe, die die Forschung leitete. „Die Förderung einer sicheren Entsorgung und Wiederverwendung ist von entscheidender Bedeutung.“
Bakterien können auf natürliche Weise extrazelluläre DNA (eDNA) aus ihrer Umgebung aufnehmen und funktionelle Gene in ihr eigenes Genom integrieren. Aufbereitetes Abwasser kann relativ hohe Konzentrationen an Bakterien und eDNA enthalten. Außerdem werden Bakterien dadurch Stressfaktoren ausgesetzt, von denen bekannt ist, dass sie die Aufnahme und Integration von eDNA fördern, darunter ultraviolettes Licht, chemische Nebenprodukte der Desinfektion und Medikamente.
„Mehrere Studien haben den möglichen Einfluss einzelner Stressfaktoren auf den horizontalen Gentransfer von Bakterien in chloriertem Abwasser hervorgehoben“, sagte Al-Gashgari. „Aber in realen Abwasserumgebungen gibt es mehrere Stressfaktoren gleichzeitig. Unser Ziel war es, die kombinierte Wirkung dieser Faktoren zu verstehen.“
Durch die Aufbereitung von Abwasser zur sicheren Wiederverwendung werden wertvolle Süßwasserressourcen bereitgestellt. Bildquelle: 2023KAUST; HenoHwang
Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass mehrere Stressfaktoren additive Auswirkungen auf die Gentransferraten hätten. Aber überraschenderweise ist die Situation viel komplizierter. Abhängig von ihrer Wirkungsweise erhöhen einige Kombinationen synergistisch die Gentransferraten deutlich, andere wirken neutral und andere reduzieren die Gentransferraten.
„Wenn beispielsweise ein Stressor, der die Durchlässigkeit der Bakterienzellwände erhöht (wie das Medikament Carbamazepin), nacheinander mit einem Stressor kombiniert wird, der DNA-Schäden verursacht (wie Sonneneinstrahlung), können die beiden Stressoren einen synergistischen Effekt haben“, sagte Al-Gashgari. „Wir haben auch herausgefunden, dass ein Stressor (wie Chloroform), der direkt mit der eDNA in schädlicher Weise interagiert, die Integration der DNA in das Bakteriengenom blockiert und so einen antagonistischen Effekt erzeugt.“
Diese Komplexität macht es schwierig, die kombinierten Auswirkungen mehrerer Stressfaktoren vorherzusagen, was die Fähigkeit erschwert, zu beurteilen, ob es möglicherweise unbeabsichtigte Folgen in der nachgelagerten Wiederverwendungsumgebung gibt. Die Studienergebnisse lassen jedoch eindeutige Schlussfolgerungen für die Abwasserbehandlung zu.
Ein Hauptziel bei Abwasseraufbereitungsprozessen sollte darin bestehen, die Konzentrationen von Bakterien und eDNA im Abwasser niedrig zu halten und so den Gentransfer zu minimieren.
„Wir glauben, dass Abwasseraufbereitungsanlagen mit Mikrofiltrationsmembranen statt mit Sandfiltration ausgestattet werden sollten, da Mikrofiltrationsmembranen Bakterien und extrazelluläre DNA in einem Ausmaß entfernen können, das der natürlichen Umwandlung abträglich ist“, sagte Hong. „Mikrofiltrationsmembranen sind in der Installation und im Betrieb teurer als Sandfiltration, wir fordern die Versorgungsunternehmen jedoch dringend auf, diese Vorsichtsmaßnahme zu treffen.“