Antibiotikaresistenz gilt weithin als eine der drängendsten Herausforderungen für die öffentliche Gesundheit im 21. Jahrhundert. Eine neue Studie zeigt nun, dass selbst geringste Mengen an Antibiotika, die häufig in Böden, Flüssen, Abwässern und landwirtschaftlichen Abflüssen vorkommen, die Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen unter Bakterien erheblich beschleunigen können.
Die in der Fachzeitschrift „Biocontaminant “ veröffentlichte Studie untersucht, wie vier typische, in der Umwelt vorkommende Antibiotika den vertikalen und horizontalen Gentransfer beeinflussen – die beiden Hauptwege, über die Bakterien Resistenzen weitergeben. Das Forschungsteam untersuchte Tetracyclin, Ampicillin, Kanamycin und Streptomycin in Konzentrationen, die von extrem niedrigen Umweltkonzentrationen bis hin zu subinhibitorischen Konzentrationen reichten. Solche Konzentrationen werden häufig in Flüssen, Ackerböden, Tierhaltungsanlagen und Krankenhausabwässern nachgewiesen.
Die Wissenschaftler entwickelten drei experimentelle Modelle, um die Ausbreitung von Resistenzen zu untersuchen. Das erste Modell konzentrierte sich auf den vertikalen Gentransfer, also die Weitergabe von Genen von den Elternzellen an ihre Nachkommen. Die beiden anderen Modelle untersuchten den horizontalen Gentransfer, darunter die Konjugation zwischen verschiedenen Bakterienstämmen und die Transformation, bei der Bakterien freie DNA aus ihrer Umgebung aufnehmen.
Die Ergebnisse zeigen, dass umweltrelevante Antibiotikakonzentrationen bestehende Resistenzen stabilisieren und die Entwicklung neuer Resistenzmerkmale fördern können. In den vertikalen Gentransfer-Experimenten trugen drei Antibiotikaarten (neben Tetracyclin) dazu bei, dass resistente Bakterien über zehn Tage hinweg eine stabile Resistenz aufwiesen. Das Team stellte fest, dass einige Stämme sogar Kreuzresistenzen gegen weitere Antibiotika entwickelten. Mathematische Simulationen bestätigten die experimentellen Ergebnisse und sagten voraus, dass resistente Bakterienpopulationen weiter wachsen und über längere Zeiträume bestehen bleiben würden.
Die Auswirkungen auf den horizontalen Gentransfer waren noch deutlicher. Niedrige Antibiotikakonzentrationen von nur 0,005 mg pro Liter steigerten sowohl die Häufigkeit als auch die Effizienz der Konjugation zwischen Bakterienstämmen signifikant. Je nach Antibiotikum erhöhte sich die Anzahl der Transkonjuganten um mehr als das Fünffache. Ähnliche Steigerungen wurden in Transformationsversuchen beobachtet, bei denen die Anzahl der Bakterien, die Plasmide mit externer Resistenz aufnahmen, um bis zu 2,7-fach anstieg.
Um die zugrundeliegenden biologischen Mechanismen zu verstehen, maßen die Forscher Veränderungen reaktiver Sauerstoffspezies, der Zellmembranpermeabilität, des Energieniveaus und der Genexpression. Sie fanden heraus, dass niedrig dosierte Antibiotika den oxidativen Stress erhöhten und die Membranstrukturen so veränderten, dass die Zellen empfänglicher für den Austausch genetischen Materials wurden. Die Antibiotika aktivierten zudem Gene, die an der Stressantwort, dem Membrantransport und der DNA-Reparatur beteiligt sind und somit Schlüsselfaktoren für den Gentransfer darstellen. Gleichzeitig lieferte der Anstieg des zellulären ATP zusätzliche Energie für die genetischen Austauschprozesse.
Zusammengenommen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass selbst geringfügige Antibiotikabelastungen die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen in natürlichen und künstlichen Ökosystemen verstärken können. Die Studie unterstreicht die Bedeutung eines verantwortungsvolleren Umgangs mit Antibiotika, der Kontrolle von Emissionen in die Umwelt und der Überprüfung von Abwasserbehandlungsverfahren.
