Detection strategies for fecal pollution along the urban waste water path

Abstract

Die Nutzung von Wasserressourcen angemessener Qualität setzt seit jeher sowohl Schutzmaßnahmen als auch Kontrolle voraus. Diese angestrebte Qualität kann durch landwirtschaftliche Aktivitäten, unzureichende kommunale Abwasserentsorgung, als auch durch industrielle Abwässer gefährdet werden. Die Hauptquelle für mikrobiologische Wasserkontaminationen sind menschliche sowie tierische Fäkalien, welche potentiell sehr hohe Konzentrationen an intestinalen Krankheitserregern aufweisen können. Die Herkunftsbestimmung fäkaler Verunreinigungen wird in diesem Zusammenhang immer wichtiger, um zielgerichtete Schutzmaßnahmen im Einzugsgebiet vorzunehmen. Dafür wurden in der Vergangenheit mit zunehmender Häufigkeit quantitative Nachweisverfahren für wirtsassoziierte genetische Fäkalmarker auf Basis intestinaler bakterieller Bacteroidetes-Populationen herangezogen. Diese Verfahren fanden und finden insbesondere in der Detektion von häuslichen und städtischen Abwässern Anwendung. Betreffend der Abundanz und Persistenz im Abwasser sowie deren Verhalten während der Abwasserbehandlung existiert jedoch noch eine Vielzahl unbeantworteter Fragestellungen. Diese Dissertation hatte zum Ziel, vier wesentliche offene wissenschaftliche Aspekte betreffend der Anwendbarkeit genetischer Fäkalmarker entlang des kommunalen und häuslichen Abwasserpfades auf Basis von Bacteroidetes Populationen zu untersuchen. Diese beinhalten, i) die Fragestellungen der Persistenz von Bacteroidetes Markern in Roh- und behandeltem Abwasser sowie deren Vergleich mit E.coli und Enterokokken, ii) ihre Eignung für automatische Probenahmen in Kläranlagen, iii) deren Vorkommen und Variabilität in Abwässern aus österreichischen Kläranlagen mit unterschiedlicher Größe und Charakteristika und Vergleich mit Standard und alternativen viralen genetischen Fäkalmarkern sowie, iv) die Untersuchung der weltweiten Anwendbarkeit zur Detektion kommunaler und häuslicher Abwässer. Die in dieser Dissertation dargestellten Resultate belegen die hinreichende Persistenz und somit Eignung von genetischen Fäkalmarkern auf Basis von Bacteroidetes Population, E. coli und Enterokokken für automatisch durchgeführte Probenahmen in Kläranlagen. Weiters konnte das ubiquitäre Auftreten der genetischen Fäkalmarker in österreichischen, sowie in weiterer Folge, weltweit untersuchten Roh- und biologisch behandelten Abwässern demonstriert werden. Untersuchungen der Spezifität der angewandten genetischen Fäkalmarker zeigten jedoch ein nicht zu vernachlässigendes Verbesserungspotential auf. Um genetische Fäkalmarker, basierend auf Bacteroidetes Population, derzeit anwenden zu können, sollten diese im Vorfeld im Untersuchungsgebiet getestet und gegebenenfalls durch alternative virale Marker ergänzt werden, um eine ausreichende Aussagekraft zu erlangen. Nichtsdestotrotz stellen genetische Fäkalmarker, basierend auf Bacteroidetes Populationen, eine signifikante Erweiterung der Methodik dar und werden zukünftig bei vielen Anwendungen zur Überwachung der Gewässer- und Wasserqualität an Bedeutung gewinnen

Protecting and monitoring of water quality is essential because inadequate management of urban, industrial or agricultural pollution sources often leads to high levels of biological and chemical contaminants. In this context the WHO considers unsafe water and inappropriate sanitation as one of the leading global risk factors for disease, after malnutrition, hypertension, unsafe sex and alcohol. Fecal pollution is a serious threat since it can contain high concentrations of intestinal pathogens. As a result, gathering information on the source(s) of fecal pollution has become increasingly important. The discipline of microbial source tracking (MST) is considered a valuable approach to investigating the origin of fecal pollution. Host-associated genetic Bacteroidetes fecal markers have been increasingly used over the last years as very promising tools for MST, especially in order to detect municipal and domestic wastewater input into water resources. However, information on the occurrence, persistence, treatment resistance, and methodical performance characteristics (e.g. specificity or sensitivity) of human-associated genetic fecal Bacteroidetes markers along the communal or domestic wastewater path is still very limiting. The aim of this thesis was to investigate four aspects of the use of human- associated genetic Bacteroidetes markers for MST: i) the stability of genetic Bacteroidetes markers, E. coli and enterococci in raw and treated wastewater for the potential use in automated sampling procedures at waste water treatment plants (WWTP). ii) the dynamics and occurrence of human-associated genetic Bacteroidetes markers in raw and treated wastewater differing in catchment size and type at selected and well described Austrian WWTP locations. iii) the wider geographic distribution of human-associated genetic Bacteroidetes markers to determine the markers- potential global applicability. iv) a comparison of genetic Bacteroidetes markers to standard fecal bacteria (i.e. E. coli and enterococci) and to other alternative fecal pollution indicators (i.e. human specific Adenovirus and JC Polyomavirus markers as well as bacteriophages infecting Bacteroides thetaiotaomicron) in raw and treated wastewater. The results presented in this thesis demonstrate the suitability of the investigated microbiological parameters for automated sampling procedures in municipal WWTP. It was shown that automated sampling provides a reliable technique to obtain representative samples for microbiological analysis. Irrespectively of catchment size and season, human-associated genetic Bacteroidetes fecal markers could be detected consistently in raw and biologically treated wastewater of the investigated 14 Austrian WWTPs.The obtained results covering wastewater samples from 29 sites in 13 countries on 6 continents confirm that human-associated genetic Bacteroidetes fecal markers are ubiquitous and occur worldwide in high concentrations. They are highly sensitive for the detection of communal and domestic wastewater pollution around the globe, while their source-specificity indicates need for improvement. It thus remains advisable to evaluate the markers under the local circumstances in order to choose the best assays for the corresponding study. Finally it can be concluded that these markers are very promising candidates to complement water quality monitoring, if additional information on human-associated fecal pollution is needed.