Relations between climate sensitive factors and fecally derived microorganisms in rivers

  • Microbial pollution of surface waters poses substantial risks for public health, amongst others during recreational use. Microbial pollution was studied at selected sampling sites in rivers Rhine, Moselle and Lahn (Germany) on the basis of commonly used fecal indicator organisms (FIO) indicating bacterial (Escherichia coli, intestinal enterococci) and viral (somatic coliphages) fecal contamination. In addition, blaCTX-Mantibiotic resistance genes (ARG) were quantified at twosites in river Lahn and were used as markers for tracking the spread of antibiotic resistance in the aquatic environment. The impact of changes in climate-related parameters on FIO was examined by studying monitoring results of contrasting flow conditions at rivers Rhine and Moselle. Analyses at all studied river sites clearly indicate that high discharge and precipitation enhance the influx of FIO, ARG and thus potentially (antibiotic resistant) pathogens into rivers. In contrast, a decrease in hygienic microbial pollution was observed under high solar irradiation and increasing water temperatures. Based on identified contributing key factors, multiple linear regression (MLR) models for five sites at a stretch of river Lahn were established that allow a timely assessment of fecal indicator abundances. An interaction between abiotic and biotic factors (i.e. enhanced grazing pressure) considerably contributed to the formation of seasonal patterns among FIO abundances. This was enhanced during extraordinary low flow conditions in rivers with pronounced trophic interactions, clearly hampering a transfer of model approaches between rivers of different biological and hydrological characteristics. Bacterial indicatorswere stronger influenced by grazing pressure than phages. Hence, bacterial indicators alone do not sufficiently describe viral pollution in rivers. BlaCTX-Mgenes were omnipresent in Lahn River water and corresponded to distribution patterns of FIO, indicating fecal sources. Agriculture and waste watertreatment plant effluents contributed to ARG loads and participants in non-bathing water sports were found to be at risk of ingesting antibiotic resistant bacteria (ARB) including ARG, bearing the risk of infection or colonization. Results of the present study highlight the need to be aware of such risks not only in designated bathing waters. ARG abundance at both riverine sampling sites could largely be explained by E. coliabundance and may thus also be incorporated into multiple regression models using E. colispecific environmental predictors. It can be expected that the frequency of short-term microbial pollution events will increase over the next decades due to climate change. Several challenges were identified with regard to the implementation of early warning systems to protect the public from exposure to pathogens in rivers. Most importantly, the concept of the Bathing Water Directive (Directive 2006/7/EC) itself as well as the lack of harmonization in the regulatory framework at European Union (EU) level are major drawbacks and require future adjustments to reliably manage health risks related to microbial water pollution in waters used in multifunctional ways.
  • Da die Belastung von Gewässern mit Mikroorganismen ein Gesundheitsrisiko für den Menschen unter anderem bei dessenFreizeitnutzung birgt, wurde die mikrobielle Belastung der Flüsse Rhein, Mosel und Lahn anhand von Indikatoren für fäkalbürtige bakterielle (Escherichia coli, intestinale Enterkokken) und virale Belastungen (somatische Coliphagen) untersucht. Des Weiteren wurden blaCTX-MGene als Marker für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen in der Lahn quantifiziert. Durch vergleichende Analysen von Monitoringdaten gegensätzlicher Abflussgeschehen in Rhein und Mosel wurde ein Einfluss von Veränderungen klimarelevanter Parameter auf die Verbreitung der fäkalen Indikatororganismen (FIO) geprüft. Die Analysen an Rhein, Mosel und Lahn zeigen deutlich, dass hohe Abflüsse und Niederschläge den Eintrag von FIO und Antibiotikaresistenzgenen (ARG) und damit potentiell antibiotikaresistenter Bakterien in Gewässer begünstigten, während unter dem Einfluss hoher Globalstrahlung und steigenden Wassertemperaturen ein Rückgang zu beobachtenwar. Basierend auf als relevant identifizierten Einflussparametern wurden multiple lineare Regressionsmodelle (MLR Modelle) entwickelt, die eine zeitnahe Vorhersage von FIO Konzentrationen an fünf Stellen eines Lahnabschnitts ermöglichen. Wechselwirkungenzwischen abiotischen und biotischen (Fraßdruck) Faktoren tragen zur Entstehung saisonaler Muster in den FIO Konzentrationenbei. Diese sind unter Niedrigwasserverhältnissen und besonders in Flüssen mit ausgeprägten trophischen Interaktionen besonders deutlich ausgeprägt und beeinflussen eine Übertragbarkeit von Modellansätzen zwischen Flüssen unterschiedlicher biologischer und hydrologischer Charakteristika. Daraus, dass Bakterien davon stärker betroffen sind als Coliphagen, lässt sich schließen, dass bakterielle Indikatoren virale Belastungen nicht ausreichend abbilden. BlaCTX-MGene waren in der Lahn parallel zu den FIO ubiquitär nachzuweisen, was auf einen fäkalen Ursprung hinweist. Landwirtschaft und kommunale Kläranlageneinleiter trugen zur Belastung mit FIO bei. Es zeigte sich, dass auch nicht badende Wassersportler mit eingeschränktem Wasserkontakt nachweislich dem Risiko ausgesetzt waren, antibiotikaresistente Bakterien (ARB) samt ihren Genen zu verschlucken, was das Risiko einer Infektion oder Kolonisierung mit den entsprechenden Bakterien birgt. Da ARG zu großen Teilen durch E. colierklärt werden konnten, könnenARG gegebenenfalls in MLR Modellemit E. colispezifischen Vorhersagevariablenintegriert werden. Kurzeitige und kurzfristig auftretende Verschmutzungsereignisse werden in Zukunft als eine Folge des Klimawandels in ihrer Häufigkeit weiter zunehmen. Identifizierte Herausforderungen hinsichtlich der Implementierung von Frühwarnsystemen zur Bewertung der mikrobiellen Wasserqualität in Flüssen liegen in den Anforderungen der Badegewässerrichtlinie (Richtlinie 2006/7/EC) und in einer unzureichenden Harmonisierung des Rechtsrahmens der Europäischen Union (EU) begründet, um Gesundheitsrisiken aufgrund mikrobieller Belastung in multifunktional genutzten Gewässern angemessen zu begegnen.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Ilona Herrig
URN:urn:nbn:de:kola-20605
Advisor:Werner Manz, Jochen Koop
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2020/05/28
Date of publication:2020/06/03
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2020/05/18
Release Date:2020/06/03
Number of pages:iii, 94
Comment:
Kapitel 2 und 3 sind in Zeitschriften veröffentlicht worden, hier nicht enthalten.
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Biologie
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG