Entwicklung und Evaluierung neuer Bioreaktorkonzepte für phototrophe Mikroorganismen: Entwicklung und Evaluierung neuer Bioreaktorkonzepte für phototrophe Mikroorganismen

Die Photobiotechnologie nutzt photosynthesegetriebene Bioprozesse zur nachhaltigen Synthese von Wertstoffen und Energieträgern. Diese Bioprozesse rücken vor allem durch die stoffliche Nutzung von CO2 als Kohlenstoff- und Licht als regenerative Energiequelle in den Fokus von Forschung und Entwicklung. Trotz der enormen Vielfalt von geschätzten 500.000 Algenspezies werden zurzeit nur ca. 15 Mikro- und 220 Makroalgen technisch genutzt. Dieser Umstand ist u.a. dem geringen Prozessverständnis und den spezifischen Anforderungen der photobiotechnologische Prozesse an die technischen Systeme geschuldet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Kultivierungssysteme für die photosynthetisch aktiven Mikroorganismen Rhodobacter sphaeroides DSM158, Chlamydomonas reinhardtii 11.32b und Chlorella sorokiniana UTEX1230 entwickelt und evaluiert. Die photofermentative Wasserstoffproduktion mittels R. sphaeroides DSM158 erfolgte in einem eigens dafür konzipierten gerührten Halogen-Photobioreaktor durchgeführt. Im Satzbetrieb wurde der Einfluss des volumetrischen Leistungseintrages (P0/VL) und der mittlere Bestrahlungsstärke (I0) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass R. sphaeroides DSM158 bei einer durchschnittlichen I0 von 2250 W m-2 und einem P0/VL von 0,55 kW m-3 im Satzbetrieb eine maximale Wasserstoffproduktionsrate (rH2) von 195 mL L-1 h-1 erzielt. Das Reaktorsystem wurde mittels optischer Ray Tracing Simulation, einer empirischer Simulation der Strahlungsverteilung und Computational Fluid Dynamics (CFD) charakterisiert, um die Prozessbedingungen für R. sphaeroides DSM158 zu analysieren. Der photofermentative Prozess wurde in ein kontinuierliches Verfahren überführt, welches unter optimalen Bedingungen von I0 = 2250 W m-1, einer Durchflussrate von 0,096 h-1 und einem C:N-Verhältnis von ca. 22,5 eine rH2 von 170,5 mL L-1 h-1 lieferte. Für Mikroalgen wurden Kultivierungssysteme für Suspensions- und immobilisierte Kulturen entwickelt und charakterisiert. Zur Kultivierung immobilisierter Mikroalgen wurde die Methode des Green Bioprinting etabliert, die auf der 3D-Bioprinting Technologie des Tissue Engineerings beruht. Bei diesem Verfahren werden Algenzellen über einen Extrusionsprozess in ein strukturiertes Hydrogel eingebettet. In vergleichenden Studien zum Wachstum in Suspensionskulturen konnte gezeigt werden, dass die Hydrogelumgebung ideale Bedingungen für das photoautotrophe Wachstum und die Zellviabilität von C. reinhardtii 11.32b und C. sorokiniana UTEX1230 liefert. Der MicrOLED-Bioreaktor bezeichnet ein miniaturisiertes Flat-Panel-Airlift (FPA)-Bioreaktor-system mit 15 mL Arbeitsvolumen und nichtinvasiver optischer Prozessüberwachung in Bezug auf zellspezifische Parameter (Zelldichte und Fluoreszenz) und Suspensionsparameter (pH, dO2 und dCO2). Hydrodynamische Untersuchungen der miniaturisierten FPA-Kultivierungskammer zeigten vergleichbare und damit skalierbare Eigenschaften zu Labor- und Produktions-FPA-Bioreaktoren. Im Zuge des MicrOLED-Bioreaktors wurden erstmals organische Leuchtdioden für den Einsatz in Photobioreaktoren verwendet und charakterisiert. Die geometrisch komplexen Bioreaktorkomponenten wurden mittels additiver Fertigungstechnologien aus Polyamid hergestellt und erlauben die Integration der optischen Elemente zur Überwachung des Bioprozesses in Echtzeit

Untersuchungen zum biotechnologischen Potenzial des fakultativ photosynthetischen Bakteriums Rhodospirillum rubrum und dessen Zentralstoffwechsel

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2013von Christiane Rudol

Phylogenie und Genexpression der Glutamat-Synthase (GOGAT) in verschiedenen Algengruppen

Die Glutamat-Synthase (GOGAT) ist essentiell für die Stickstoffassimilation in Pflanzen. Zwei Isoformen des Enzyms sind in höheren Pflanzen bekannt, ein Ferredoxin-abhängiges, die Fd-GOGAT, und ein NADH-abhängiges, die N-GOGAT. Beide Isoformen werden von unterschiedlichen Genen kodiert. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Größe, Organisation und Regulation und sollen einen unterschiedlichen phylogenetischen Ursprung besitzen. In der vorliegenden Arbeit sollte das Vorkommen, die Regulation und die Evolution von GOGAT-Enzymen in verschiedenen Gruppen von Algen untersucht werden. Mit Hilfe spezifischer Enzymaktivitätstest wurden in Rohenzymextrakten von Algen aus den Gruppen der Rhodophyta, der Heterokontophyta sowie der Chlorophyta sowohl Fd- als auch N-GOGAT Aktivitäten nachgewiesen. 1,2 kb große Fragmente für die entsprechenden (glsF- bzw. gltB-homologen) Gene konnten aus einer Reihe von Algen isoliert werden. Phylogenetische Bäume ermöglichten die Einordnung der ermittelten Sequenzen. Vor dem Hintergrund der Evolution ihrer Organellen wurde ein umfassendes Modell zur Evolution von GOGAT-Isoenzymen in den verschiedenen Gruppen von Algen erstellt. Die N-GOGAT scheint ein ursprünglich eukaryotisches Enzym zu sein, während die Fd-GOGAT aus dem Plastiden stammt. Zusätzlich dazu gelang es, in einer Reihe von Algen der Rhodophyta und Gruppen mit von Rotalgen abgeleiteten sekundären Plastiden (Heterokontophyta, Cryptophyta und Haptophyta) Gene nachzuweisen (gltA), die für eine phylogenetisch weitere GOGAT (alpha-GOGAT) kodieren. Für sie kann ein mitochondrialer Ursprung angenommen werden. Für die untersuchten Algen mit sekundären Plastiden konnte gezeigt werden, dass einige ihrer GOGAT Enzyme offensichtlich aus ihrem Rotalgen-Endosymbionten stammen. Mit Hilfe von Enzymaktivitätstests und semiquantitativer RT-PCR wurde eine Induktion der Fd-GOGAT Genexpression in Rhodophyten, Herterokontophyten und Chlorophyten durch Licht nachgewiesen. In der Heterokontophyte H. carterae unterliegt diese Regulation der Fd-GOGAT einer circadianen Rhythmik. Die NAD(P)H-abhängigen Aktivitäten verhielten sich in allen untersuchten Fällen einer Regulation durch Licht gegenüber konstitutiv. In P.aerugineum und H. carterae wurde der Einfluss von Stickstoffmangelbedingungen auf die spezifischen Enzymaktivitäten untersucht. Lediglich die Aktivität der Fd-GOGAT wurde unter diesen Bedingungen induziert. In H. carterae wurde die Kompartimentierung verschiedener GOGAT Enzyme untersucht. Während die Fd-GOGAT Enzymaktivität im Plastiden lokalisiert ist, scheint die Hauptaktivität der NADH-abhängigen GOGAT Enzyme im Cytoplasma zu liegen

Aufreinigung und Charakterisierung des D1-Proteins aus dem Photosystem II höherer Pflanzen : Entwicklung eines Biosensors auf der Basis der Oberflächen-Plasmon-Resonanz-Technologie

Rückstände von Pflanzenschutzmitteln (Pestizide), insbesondere von Herbiziden, stellen eine immer weiter zunehmende Gefährdung für den Menschen und die Ökosysteme dar. Zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt hat der Gesetzgeber daher sehr niedrige Grenzwerte für Pestizide im Trinkwasser festgelegt. Über moderne chemische Analyseverfahren können die entsprechenden Xenobiotika, etwa Herbizide, innerhalb dieser Grenzwerte nachgewiesen werden. Zum Teil ist jedoch für die einzelnen Analysen ein hoher experimenteller Aufwand notwendig. Ein anderes Problem besteht darin, dass die entsprechenden Abbauprodukte der Herbizide und andere, noch unbekannte phytotoxische Substanzen, die eventuell noch stärker toxisch wirken können, bei derartigen Messungen nicht vollständig erfasst werden. Seit vielen Jahren wird deshalb an der Entwicklung von Biosensoren gearbeitet, die für eine alternative Detektion von Herbizidrückständen, auf der Basis ihrer phytotoxischen Wirkung auf das pflanzliche Photosystem II (PS II), geeignet sind. Durch den Einsatz eines Biosensors, basierend auf der biologischen Einheit des D1-Proteins, könnten diese Stoffe aufgrund ihrer ökotoxikologischen Wirkung auf die biologische Einheit als Summenparameter erfasst werden. Vor diesem Hintergrund war es Ziel der vorliegenden Arbeit, Untersuchungen zum Einsatz des D1-Proteins als biologische Einheit für den biosensorischen Nachweis von PS-II-Herbiziden durchzuführen. Dazu wurde ein Biosensor, basierend auf einem funktionell intakten Herbizid-bindefähigen D1-Protein aus dem Photosystem II höherer Pflanzen, zum Nachweis von Photosystem-II-inhibierenden Substanzen entwickelt. Für einen in Zukunft möglichen Einsatz des Biosensors als Überwachungssystem zum direkten Nachweis von PS-II-Inhibitoren in Wasserproben war es wichtig, eine Biosensortechnik zu entwickeln, die ohne eine Markierung der zu untersuchenden Analyten auskommt. Daher wurde die optische Methode der Oberflächen-Plasmon-Resonanz (SPR) verwendet, die sehr sensitive Messungen in Echtzeit ermöglicht. Für die Aufreinigung des D1-Proteins zum Einsatz als Zielstruktur im SPR-Biosensor sollte eine Isolationsmethode erarbeitet werden, die ein D1-Protein mit funktionell aktiver QB-Bindenische in hohen Ausbeuten, schnell und mit einem guten Aufreinigungsgrad liefert. Zur Isolation des D1-Proteins wurden daher verschiedene Methoden parallel untersucht und in ihrer Leistung miteinander verglichen. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Aufreinigungsmethode entwickelt, über die es möglich ist, funktionell aktives D1-Protein mit einer bindefähigen QB-Bindenische für PS-II-Inhibitoren zu isolieren. Die Methode zur Isolierung und Aufreinigung des Membranproteins besteht im Wesentlichen aus folgenden Schritten: a) Thylakoidmembranisolation, b) Butanolextraktion von PS-II-Proteinkomplexen aus den Thylakoidmembranen und c) abschließende chromatographische Aufreinigung des D1-Proteins aus dem PS-II-Proteinkomplex über Reversed phase Fast protein liquid chromatography (RP-FPLC). Der Nachweis des D1-Proteins in den einzelnen Aufreinigungsstufen konnte mit den klassischen Methoden der Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgelelektrophorese (SDS-PAGE) und dem Western-Blotting erbracht werden. Zusätzlich wurde eine ergänzende Methode zur biosensorischen Kontrolle der Aufreinigungsprozedur entwickelt und angewendet. Diese gestattet mit der Oberflächen-Plasmon-Resonanz-Methodik über einen spezifischen Anti-D1-Antikörper einen einfachen und schnellen Nachweis des D1-Proteins in isolierten Fraktionen. Zur qualitativen Kontrolle der Bindefähigkeit des aufgereinigten D1-Proteins zu Herbiziden wurde eine SPR-Methode, basierend auf einem Simazinderivat (6-{[4-Chloro-6-(ethylamino)-1,3,5-triazin-2-yl]amino}-hexansäure) als Bindepartner, entwickelt, über die das aufgereinigte D1-Protein untersucht wurde. Besonders hervorzuheben ist, dass in dieser Arbeit die Eignung verschiedener Pflanzenspezies der höheren Pflanzen (Vicia faba, Pisum sativum und Lactuca sativa) als Ausgangsmaterial für die Isolation eines Herbizid-bindefähigen D1-Proteins in hohen Ausbeuten vergleichend charakterisiert wurde; das geschah anhand der klassischen Nachweismethoden sowie der Bindefähigkeit zu dem Simazinderivat. In den Untersuchungen dieser Arbeit konnte über diese verschiedenen Methoden zur Charakterisierung nicht nur gezeigt werden, dass das D1-Protein über die hier entwickelte Aufreinigungsmethode aus allen drei Pflanzenspezies isoliert werden kann, sondern auch, dass es sich noch in einem funktionell bindefähigen Zustand befindet. Anhand der entwickelten SPR-Methode, basierend auf einem Simazinderivat-Liganden, konnte die funktionelle Bindefähigkeit des aufgereinigten D1-Proteins aus allen drei Pflanzenspezies bestätigt werden. Beim Vergleich der untersuchten Pflanzenspezies kristallisierte sich Vicia faba als die zur Isolation von D1-Protein am besten geeignete Spezies heraus. Ferner war bemerkenswert, dass nur bei Vicia faba D1/D2-Dimere in den Isolaten der verschiedenen Aufreinigungsschritte gefunden wurden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde das D1-Protein von Vicia faba für die weitere Verwendung als biologische Einheit im SPR-Biosensor ausgewählt. Im Mittelpunkt des zweiten Teils der Arbeit stand der Einsatz des isolierten D1-Proteins für den biosensorischen Nachweis von PS-II-Herbiziden. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten D1-Protein-SPR-Biosensor konnte der direkte Nachweis der Herbizide Diuron, Atrazin und Metribuzin, bei einer Nachweisgrenze von 20 µg/ml für Diuron, 40 µg/ml für Atrazin und 80 µg/ml für Metribuzin, erbracht werden. Da diese Werte weit oberhalb der von den Trinkwasserverordnungen festgelegten Maximalmenge an Pestiziden im Trinkwasser liegen, sind für eine Anwendung des Biosensors im Rahmen des Nachweises von Herbiziden im Trinkwasser in Zukunft noch Optimierungen notwendig, um die Sensitivität des Biosensors zu erhöhen. Der hier entwickelte Biosensor kann die Gesamtheit aller in einer Probe enthaltenen PS-II-Inhibitoren aufgrund ihrer Wirkungsweise auf das D1-Protein als Summenparameter erfassen. In weiteren Entwicklungen scheint es möglich, diesen wirkungsbezogenen Nachweis der PS-II-Inhibitoren mit sensitiven chemischen Analysemethoden zu koppeln, um so die detektierten Schadstoffe direkt identifizieren zu können. Als Vorarbeit dazu wurde in dieser Arbeit ein pflanzliches SPR-Massenspektrometrie-System, bestehend aus einem Anti-Peroxidase-Antikörper und pflanzlicher Peroxidase, als Testsystem entwickelt. Mit diesem System wurde gezeigt, dass der biosensorische Nachweis eines Analyten über sein Wirkpotential auf die biologische Zielstruktur mit der genauen Bestimmung der Substanz über massenspektrometrische Analysen reproduzierbar gekoppelt werden kann. Damit konnte für die zukünftige Entwicklung eines Biosensors zum qualitativen und quantitativen Nachweis von PS-II-Inhibitoren eine Möglichkeit zur Verbindung des über die SPR-Biosensorik geführten wirkungsbezogenen Nachweises von PS-II-Inhibitoren (z. B. von Herbiziden) mit der klassischen Analytik der Massenspektrometrie aufgezeigt werden

Untersuchungen zum Transkriptionsapparat von Plastiden verschiedener Pflanzen unter besonderer Berücksichtigung der Funktion des mit dem eukaryotischen Transkriptionsfaktor TFIIS verwandten ETCHED1-Proteins

Zur Untersuchung des Transkriptionsapparates von Plastiden wurden 'Transkriptionsaktive Chromosomen' (TAC) und eine lösliche sRNAP-Fraktion isoliert. Durch immunologische Analysen konnten in TAC-Fraktionen die Proteine TCP34, das bei der Genregulation und Transkriptstabilisierung involviert sein könnte, und das ETCHED1-Protein nachgewiesen werden. Die Mutation des Gens etched1 ruft in Maispflanzen einen komplexen Phänotyp hervor, der sich durch eine abnormale Entwicklung des Endosperms in den Körnern sowie eine verzögerte Chloroplastenentwicklung in den Blättern auszeichnet. Durch den Vergleich von TAC-Fraktionen aus einer ETCHED1-defizienten Mutante aus Mais mit dem Wildtyp konnte gezeigt werden, dass ETCHED1 als Elongationsfaktor einer RNAP in der TAC-Fraktion agiert, ähnlich wie TFIIS mit der RNAP II im Zellkern. ETCHED1 kann nach Stoppen der Transkription durch den Einbau eines modifizierten Nukleotids die schwache intrinsische Endonukleaseaktivität der TAC-RNAP verstärken und so arretierte Elongationskomplexe reaktivieren. Die Untersuchung der Genspezifität der RNAP in löslichen Extakten zeigte, dass im Vergleich zu TAC-Transkripten ein grundlegend anderes Transkriptionsmuster erhalten, welches wahrscheinlich auf die Aktivität einer nukleär kodierten RNA-Polymerase in dieser Fraktion zurückzuführen ist. Die RNAP-Aktivität in dieser Fraktion wird durch Rifampicin nicht gehemmt, zeigt jedoch eine starke Hemmung in Gegenwart von Tagetitoxin

Untersuchung der Kälteanpassungsmechanismen bakterieller Zellmembranen

Die Lebensmittelindustrie versucht stetig, die Haltbarkeit ihrer Produkte zu verlängern, um ihre Produktivität zu optimieren. Dafür verwendet sie auch Kühlungs- und Gefriertechniken. Durch den Einsatz dieser Techniken sollen die für den Menschen pathogenen Mikroorganismen im Lebensmittel absterben bzw. die Anzahl vermindert werden, da ein Wachstum bei niedrigen Temperaturen nicht mehr möglich oder stark verlangsamt ist. Es gibt jedoch auch psychrophile bzw. psychrotolerante Bakterien, die sich in sehr kalten Regionen der Erde an die dort herrschenden Umwelt- und Klimabedingungen evolutiv angepasst haben. Einige dieser kälteadaptierten Bakterien finden optimale Wachstumsvoraussetzungen bei kühlschrankähnlichen Bedingungen vor. Gelangen diese Bakterien nun mit Lebensmittelrohstoffen in ein Lebensmittel, bietet sich ihnen ein nährstoffreiches Biotop, in dem sie sich gut vermehren können. Zu diesen psychrophilen bzw. psychrotoleranten Bakterien zählen die Gattungen Listeria, Clostridium, Yersinia und einige für den Menschen pathogene Bacillus-Stämme. In dieser Dissertation werden die Kälteanpassungsmechanismen psychrophiler bzw. psychrotoleranter Bakterien näher untersucht. Als Standardmechanismus der Kälteanpassung wird in der herrschenden Literatur die Änderung im Fettsäuremuster innerhalb der bakteriellen Membran definiert, welche sich qualitativ und quantitativ verändern kann. Es gibt aber auch Bakteriengruppen, bei denen dieser Anpassungsmechanismus bei Untersuchungen nicht nachgewiesen werden konnte. Diese Feststellung führt zu der Annahme, dass es weitere Mechanismen der Kälteanpassung bei Bakterien geben muss. Diese sollen im Rahmen der vorliegenden Arbeit gefunden und erläutert werden. Sie konzentriert sich dabei auf die lipophilen Substanzen Chinone und Carotinoide, die Bestandteile der bakteriellen Zellmembran sind. Als Keimquellen dienten lebensmittelassoziierte Habitate. Diese Arbeit konnte nachweisen, dass bei bestimmten Bakterienarten der Chinongehalt und der Carotinoidgehalt durch Kälteeinfluss verändert wird. Zum Teil kommt es zu einer Erhöhung des Gehaltes, durch den die Kältetoleranz dieser Bakterien erklärt werden kann. Zusätzlich konnte durch diese Arbeit eine erhöhte Zellausbeute bei einer Kühlinkubation gezeigt werden. Dieser Effekt trat nur bei Wildisolaten auf, jedoch nicht bei Referenzstämmen. Die vorliegenden Forschungsergebnisse können in der Lebensmittelindustrie bei der Haltbarmachung von Produkten und in der Medizin angewendet werden. Sie erweitern den Forschungsstand, um besser mit kälteangepassten, potenziell pathogenen Mikroorganismen umzugehen und daraus entstehende Gefahren (für den Menschen) besser beherrschbar zu machen

Biochemische Charakterisierung von mitochondrialen Teilproteomen und Proteinkomplexen in Pflanzen

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Einträge, Vorkommen, Verbreitung und gesundheitliche Bedeutung antibiotikaresistenter Bakterien in Abwasser und Gewässern : Ein sozial-ökologischer Beitrag zur Geographischen Gesundheitsforschung

Antibiotika gelangen über natürliche Ausscheidung von Mensch und Tier sowie unsachgemäße Entsorgung in die Umwelt. Wichtige Eintragspfade stellen Abwasser, Klärschlamm und Gülle dar. Mikroorganismen können Resistenzen gegen Antibiotika entwickeln, was zu Problemen bei der medizinischen Behandlung führt. Ziel der Arbeit war es, am Beispiel eines Kläranlagen-Einzugsgebietes ohne angeschlossenem Krankenhaus, zugehörigem Vorfluter und Abwasser-unbeeinflussten Oberläufen, die Verbreitung erworbener bakterieller Antibiotika-Resistenzen durch kommunales Abwasser aus Sicht der geographischen Gesundheitsforschung zu analysieren. Die Untersuchungen im Einzugsgebiet der Swist mit den Krankheitserregern Pseudomonas aeruginosa und Campylobacter spp. sowie nicht-pathogene Gewässerbakterien der Familie Rhodospirillaceae haben gezeigt, dass sich ganzjährig sowohl Antibiotika-resistente Krankheitserreger als auch resistente Nicht-Pathogene in Abwasser und Gewässern nachweisen lassen. Bereits in Siedlungsabwasser-unbeeinflussten Oberläufen waren Antibiotika-resistente Isolate zu finden. Der Resistenzanteil variiert sowohl zwischen den Probenahmestellen und Spezies als auch mit den einzelnen Antibiotika. Ein allgemeingültiger Einfluss des Siedlungsabwassers auf die Resistenzsituation ließ sich für Resistenzen gegen Einzelsubstanzen nicht ableiten. Jedoch war mit zunehmendem Siedlungsabwassereinfluss bei den Pathogenen eindeutig ein Anstieg der Multi-Resistenzen gegen humanmedizinisch genutzte Antibiotika festzustellen. Bezüglich der Rhodospirillaceae schien bei Betrachtung der Abwasserbeeinflussung der Resistenzlage eher ein Verdünnungseffekt für die in der Umwelt vorhandenen Multiresistenzen durch das eingeleitete Abwasser vorzuliegen: Der Anteil hochgradig multi-resistenter Isolate in den Oberläufen war höher als im Vorfluter mit Abwassereinfluss. Eine Übertragbarkeit von Resistenzen durch horizontalen Gentransfer zwischen Pathogenen und Umweltbakterien wurde durch erfolgreiche Konjugation mit Übertragung einer Piperacillin-Resistenz von C. jejuni auf zwei Rhodospirillaceae in Filtermating-Experimenten belegt. Unter Fließgewässer-simulierenden Bedingungen waren die Konjugationsfrequenzen geringer. Gentransfer im freien Wasser scheint demnach seltener aufzutreten als in Biofilmen an der Grenzfläche zum Gewässerbett. Eine Erhebung des Risikoverhaltens im Kläranlagen-Einzugsgebiet ergab, dass die Risikowahrnehmung und das Wissen um Antibiotika-Resistenzen bei der Bevölkerung eher gering sind. Arzneimittel werden von rund einem Drittel der Haushalte im Ausguss entsorgt. Ein Eintrag von Antibiotika in die Umwelt wird damit aktiv unterstützt. Die Therapie-Untreue ist ähnlich dem bundesweiten Durchschnitt. Analysen der „Falschentsorger“ und „Therapieuntreuen“ ermöglichten eine Charakterisierung beider Problemgruppen. Der methodischen Dreiklang der Studienabschnitte, der im Sinne sozial-ökologischer Forschung auch die Triangulation der betrachteten Subjekte Umwelt, Mikroorganismen und Mensch spiegelt, mündete in einer Risikoabschätzung. Eine Gesundheitsgefährdung und Infektionen mit resistenten Pathogenen bei den vielfältigen Nutzungen des untersuchten Fließgewässers kann demnach nicht ausgeschlossen werden. Da ein Zusammenhang zwischen Anwendungsmengen und Fehlanwendungen von Antibiotika mit der Resistenzverbreitung Konsens unter Experten ist, wird der adäquaten Risikokommunikation eine hohe Bedeutung im Kampf gegen Antibiotika-Resistenzen zugewiesen. Zudem wird eine bundesweit einheitliche Strategie zur Arzneimittelentsorgung empfohlen.Input, occurence, spread and health impact of antibiotic resistant bacteria in sewage and surface waters – a socio-ecologic contribution to geographical health research Antibiotics enter the environment through human and animal excretion and inappropriate disposal. As a result, the most important emission pathways are wastewater, sludge and liquid manure. Microorganisms can develop resistance to antibiotics. This causes problems in medical therapy and in the antibiotic treatment of illness. The aim of the thesis was to produce an analysis of the spread of bacterial antibiotic resistances though municipal wastewater from the perspective of geographical health research. It takes as examples the catchment area of a municipal sewage treatment plant that does not receive wastewater from any hospital and the corresponding receiving stream and its tributaries without any influence from wastewater. The analysis of the pathogenic species Pseudomonas aeruginosa and Campylobacter spp, as well as non-pathogenic aquatic bacteria of the Rhodospirillaceae family within the catchment area of the river Swist have shown that antibiotic-resistant pathogens, as well as non-pathogenic bacteria, are present in wastewater and surface waters throughout the year. Antibiotic resistant isolates could even be found in tributaries without any influence from wastewater. The percentage of resistant isolates varied between sampling sites and species as well as among the different antibiotics. An universal impact by wastewater on the levels of resistance against single antibiotics could not be detected, but an increase in multi-resistances of pathogens against medically used antibiotics with increasing volumes of wastewater in the river was found. The effect on multi-resistance by wastewater was different for Rhodospirillaceae: The proportion of high-level multi-resistant isolates was higher in water samples from tributaries than from the receiving stream influenced by sewage. The resistance spread by horizontal genetic transfer between pathogens and environmental bacteria was proven in filtermating-experiments by successful conjugational gene transfer of piperacillin resistance by C. jejuni on two different Rhodospirillaceae. The conjugation frequency was reduced with simulation of running water conditions. For that, the importance of gene transfer in bulk water seems to be less than the transfer at the boundary layer between sediment and water. A study about risk behavior of the people living within the catchment area showed, that public risk perception and knowledge about antibiotic resistance is low. Approximately one third of all households dispose pharmaceuticals down the drain. Therefore antibiotic entry into the environment is actively enhanced. Non-compliance is similar to the nationwide average. Analysis of groups showing incorrect disposal behavior or therapy non-compliance were carried out. In terms of socio-ecological research, the methodological triad of the study parts reflects the triangulation of environment, micro-organism and human as the subjects investigated. The findings result in a qualitative microbial risk assessment. Health hazards and infections with resistant pathogens through the manifold use of watercourses cannot be excluded. Due to the consensus among experts that there is a relationship between the amounts of antibiotics used and their misuse, risk communication is an important component in the fight against antibiotic resistance. In addition, a nationwide strategy for pharmaceutical disposal is advised

Hedwigia.

v.46 (1907