The occurrence of waterborne pathogenic protozoa in environmental water samples, their reduction by wastewater treatment and dissemination in the hydrological circuit
Mit der UNO Resolution vom Juli 2010 wurde das Menschenrecht auf Wasser und Sanitätsversorgung anerkannt. Trotzdem leben weltweit 884 Millionen Menschen ohne Zugang zu sauberem Wasser oder sanitärer Grundversorgung. Dabei spielt Wasser eine herausragende Rolle bei der Übertragung von Krankheitserregen. Wasserbedingte Krankheitserreger sind seit jeher von großer humanmedizinischer Bedeutung. Mit der Schaffung geeigneter Instrumentarien wie Abwasserreinigung, Trinkwasseraufbereitung und Überwachung öffentlicher Wasserversorgungsanlagen sind die hygienischen Bedingungen in den Industrieländern bakteriologisch im Allgemeinen unter Kontrolle gebracht. Die parasitäre Belastung bleibt hierbei jedoch unberücksichtigt und die technische Umsetzung von Multibarrierensystemen zur Rückhaltung von Parasiten ist durchaus noch verbesserungswürdig. Cryptosporidium spp. und Giardia duodenalis gehören zu den parasitären Protozoen der Vertebraten. Weltweit kommt es jährlich zu 2,8 x 108 Neuinfektionen durch G. duodenalis und 3.0 x 105 Neuinfektionen durch Cryptosporidium. Die Übertragung erfolgt in i.d.R. fäkal-oral durch die mit den Fäzes ausgeschiedenen Dauerstadien der Erreger. Die nahrungsmittel- und wasserassoziierte Übertragung ist weit verbreitet. Wasserbedingte Parasitosen gewinnen zunehmend an Interesse und es existieren zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen zu diesem Thema. Über das Vorkommen und die Verbreitung in Deutschland liegt jedoch nur wenig Datenmaterial vor. In der vorliegenden Arbeit wurden zwischen Juli 2009 und Januar 2011 insgesamt 396 Wasserproben unterschiedlicher Herkunft gesammelt, mit zwei verschiedenen Verfahren aufgearbeitet und mit drei Nachweismethoden vergleichend auf das Vorhandensein von parasitären Protozoen untersucht. Aus Zu- und Abläufen von acht kommunalen Kläranlagen wurden 206 Proben, aus Oberflächengewässern (ein Badegewässer, ein kleines Fließgewässer und der Rhein) sowie aus einem rheinnahen Trinkwassergewinnungsgebiet mit drei Grundwassermessstellen, einer Rohwassermessstelle und einer Trinkwassermessstelle insgesamt 190 Proben untersucht. Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über das aus den Kläranlagen emittierte Belastungspotenzial an parasitären Krankheitserregern. Sie stellt dar, welche Belastungen in den Oberflächengewässern, im Grundwasser und im Trinkwasser vorhanden sind. Zusätzlich zur Verbreitung der Parasiten in einem Gebiet von 650 km2 wurde die Rückhaltung der Parasiten in den Kläranlagen, durch Uferfiltration, durch die Bodenpassage in das Grundwasser und die Trinkwasseraufbereitung anhand des gewonnenen Datenmaterials bewertet. Im ersten Teil der Arbeit wurden alle Proben mittels Immunofluoreszenz-Test (IFT), 4′,6-Diamidino-2-phenylindol-Färbung und anschließender mikroskopischer Detektion (Epifluoreszenz und Differenz-Interferenz-Konstrast) quantitativ auf das Vorhandensein von Giardia Zysten und Cryptosporidium Oozysten untersucht. Parasitenstadien konnten in allen Wasserqualitäten nachgewiesen werden. Die höchsten Raten traten erwartungsgemäß in den Zuläufen von Kläranlagen auf. Nach der Abwasserreinigung und im weiteren Verlauf des Wasserkreislaufs, im Oberflächenwasser und Grundwasser, bis hin zum aufbereiteten Wasser für die Trinkwasserversorgung konnte eine zunehmende Dezimierung der (Oo)zysten beobachtet werden. Die Betrachtung der Ergebnisse über die Zeit ergaben für die beiden Parasiten jahreszeitliche Schwankungen und typische Jahresgänge v.a. im Zulauf der Kläranlagen. Während Giardia Zysten alternierende Kurvenverläufe zeigten, konnten bei Cryptosporidium Oozysten saisonale Spitzen beobachtet werden. Abhängig von der Ausbaugröße, der Verfahrenstechnik und dem Einzugsgebiet traten Unterschiede in den Kläranlagen auf. Eine Korrelation zum Auftreten anderer mikrobiologischer Hygieneparameter konnte jedoch nicht festgestellt werden. Die Untersuchungen des Badegewässers und des Fließgewässers im Einzugsgebiet wurden während der Badesaison in den Jahren 2009 und 2010 an 54 Proben durchgeführt. Einschließlich der Proben aus dem Rhein waren 11% mit Cryptosporidien bzw. 12% mit Giardien belastet. Aufgrund von Änderungen im hydraulischen Regime des Gewässersystems ergab sich in der Saison 2010 trotz erhöhten Probenvolumens keine Steigerung der Positivergebnisse. Aus dem Trinkwassergewinnungsgebiet konnten in 8,8% der 113 Proben Cryptosporidium Oozysten und in 0,88% Giardia Zysten nachgewiesen werden. Zysten traten jedoch in keiner der Rohwasser- und Trinkwasserproben auf. Die Arbeit konnte belegen, dass Cryptosporidien in allen Wassermatrizes auftreten und Giardia bei der Trinkwasseraufbereitung besser als Cryptosporidien zurückgehalten wird. Ausgehend von den Kläranlageneinleitungen in das Oberflächenwasser infiltriert ein Teil der Organismen ins Grundwasser. Bis zum Endverbraucher findet eine Reduzierung der Oozysten um ein bis zwei Größenordnungen statt. Aufgrund der niedrigen Infektionsdosis von 1 -10 (Oo)zysten stellt das Baden in Oberflächengewässern und der Trinkwasserkonsum ein Infektionsrisiko besonders für immungeschwächte Personen dar. Giardien und Cryptosporidien sollten demnach künftig in die routinemäßige Trinkwasserüberwachung implementiert werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden 227 Proben mit zwei weiteren molekularbiologischen Methoden (PCR - Polymerase Chain Reaction und LAMP – Loop-mediated Isothermal Amplification) untersucht. Die Vor- und Nachteile der Methoden wurden im Hinblick auf praktische Anwendbarkeit und Effizienz herausgearbeitet und mit den Standardverfahren (USEPA 1623 und ISO 15553) verglichen. Hieraus ergab sich eine unterschiedliche Rangfolge in der Nachweishäufigkeit der beiden Organismen mit den drei Verfahren. Mit der konventionellen mikroskopischen Untersuchung wurden von Giardia mehr Positivergebnisse eruiert als mit der LAMP und der PCR (56.8 % > 42.7% > 33.5%); hingegen war die Rangfolge bei Cryptosporidium LAMP, PCR und IFT (43.6% > 41.9% > 30.4%). Die Ursachen sind im Wesentlichen in der Spezifität und Störanfälligkeit der einzelnen Untersuchungsverfahren zu suchen. Die relative Leistungsfähigkeit der Verfahren wurde mittels statistischer Auswertung mit dem Ergebnis bewertet, dass beide molekularbiologischen Anwendungen keine Gleichwertigkeit zur konventionellen Mikroskopie aufweisen. Das LAMP-Verfahren kann, verglichen mit der PCR, als gleichwertig eingestuft werden. Der Nachweis von Toxoplasma gondii in unterschiedlich stark kontaminierten Wasserproben wird im dritten Teil dieser Arbeit vorgestellt. T. gongii gilt ebenfalls als einer der Parasiten, die unter dem Verdacht stehen, über den Wasserweg übertragen zu werden. Für den Nachweis von T. gondii existieren keine Standardverfahren, so dass hier das molekularbiologische LAMP-Verfahren, welches auf der Amplifizierung des Toxoplasma B1 Gens beruht, für unterschiedlich stark kontaminierte Wasserproben Anwendung fand. Toxoplasma DNA konnte in 95 und damit in 9,6% der Proben aus den Zu- und Abläufen von Kläranlagen, nicht aber in Oberflächen-, Grund- und Trinkwasser nachgewiesen werden. Dies ist die erste Studie über den Nachweis von Toxoplasma Oozysten in Wasserproben aus Deutschland. Die Untersuchung von Belastungen des Wassers mit T. gondii bietet Hinweise auf das Infektionspotenzial wasserassoziierter Parasiten für Mensch und Tier. In der vorliegenden Arbeit wird das LAMP-Verfahren für den Nachweis von T. gondii vorgestellt. Ziel war, die Aufmerksamkeit auf das Risiko von Toxoplasmose Ausbrüchen zu erhöhen. Die Arbeit belegt, dass Parasitenstadien von G. duodenalis, Cryptosporidium spp. und T. gondii im Wasserkreislauf auftreten und über den Wasserweg weiterverbreitet werden. Die Vor- und Nachteile verschiedener Probenahmetechniken und Nachweismethoden konnten dargestellt werden. Außerdem konnte belegt werden, dass IFT, LAMP und PCR für die Hygieneüberwachung des Wassers, zur Vermeidung von Epidemien und zum schnellen Auffinden von Kontaminationsquellen herangezogen werden können. Eine routinemäßige Überwachung insbesondere des Trinkwassers wird gerade im Hinblick auf das Infektionsrisiko immungeschwächter Personen als sinnvoll erachtet.
