Metoder til sporing af mikrobiel fækal forurening i vand

I et projekt støttet af den østrigske videnskabsfond FWF, mikrobiologen Andreas Farnleitner kigger på nye metoder til at analysere fækal forurening i vand. Ved hjælp af DNA-analyser, videnskabsmanden sigter mod at udvikle omfattende og enkle metoder til at bestemme omfanget og oprindelsen af ​​fækal forurening.

I 2015 FN formulerede 17 mål for bæredygtig udvikling. Et af disse mål er at give alle mennesker adgang til rent vand. På nuværende tidspunkt det vand, der er tilgængeligt for mindst 1,5 milliarder mennesker, er forurenet med afføring. Dette kan forårsage alvorlige sygdomme som kolera - omkring 500, 000 mennesker bliver hvert år syge på grund af forbrug af forurenet vand. Målet er at løse dette problem inden 2030, men det er ofte svært at sætte de rigtige foranstaltninger på plads, fordi kilden til forureningen ikke kan påvises ved hjælp af aktuelt tilgængelige tests. I et projekt finansieret af den østrigske videnskabsfond FWF, en gruppe ledet af Andreas Farnleitner fra Technische Universität Wien (TU Wien) og Karl Landsteiner University of Health Sciences i Krems har til hensigt at ændre det ved at forske i at udvikle mere præcise og hurtigere analysemetoder for vand.

En metode, der er mere end 100 år gammel

"I de sidste 120 år, fæces er påvist i vand på basis af tarmbakterien Escherichia coli. Den lever i tarmene på dyr og mennesker, og det er relativt nemt at opdage det i vand", siger Farnleitner. "Du filtrerer vandet og sætter filteret på en petriskål. Hvis Escherichia coli er til stede, den vil begynde at vokse og danne let synlige kolonier næste dag. Dette er den traditionelle metode, konditionerer alle standarder i hele verden." Ifølge Farnleitner, imidlertid, denne essentielle standardmetode er ikke længere tilstrækkelig. "For én ting, testen fortæller os ikke kilden til forureningen. Er det dyr eller menneske? Husdyr eller vilde dyr? I dag ønsker man også at kunne drage konklusioner om sundhedsrisikoen." I og for sig, "Escherichia coli"-bakterien er ufarlig, og ikke al afføring indeholder farlige mikrobielle stoffer. "Vi har brug for metoder til at vurdere, hvilke typer af fækale patogener, der kan være til stede i vandet", forklarer Farnleitner.

Identifikation af fækale bakterier ved deres DNA

I flere projekter finansieret af FWF, Farnleitner forsker i nye detektionsmetoder for fækal mikrobiel forurening i vandressourcer. Han koncentrerer sin indsats om populationer af tarmbakterier, som ikke tidligere kunne påvises, såkaldte "rigelige værtsassocierede bakterier". "Rent faktisk, 'Escherichia coli'-bakterier spiller kun en understøttende rolle i tarmene. Andre bakterier findes i meget større mængder, højere med flere størrelsesordener endda, men, i modsætning til 'Escherichia coli', de kan ikke dyrkes ved hjælp af standardprocesser." Det er muligt, imidlertid, at detektere disse bakterier direkte ved hjælp af deres DNA. "I princippet, det er lidt ligesom at bruge DNA-analyse i kriminalefterforskninger. Vi analyserer DNA'et fra fækale bakterier, der er relevante for vores formål."

At finde ud af, hvilke bakterier der er relevante for en sådan analyse er i centrum for et igangværende FWF-projekt. For at finde svaret, Farnleitner analyserer afføringen fra en lang række husdyr og vilde dyr, inklusive fugle, krybdyr, padder og fisk, samt jordprøver, med henblik på at udarbejde en database over de mikroorganismer, der findes der. "Vi har bygget fæcesdatabasen, som nu omfatter udskillelser fra mere end 450 forskellige dyr, for at få et første indtryk af mangfoldigheden og forskellene i bakteriepopulationer mellem de forskellige fækale forureningskilder." I prøveudtagningen som blev gennemført over hele verden, forskerne blev assisteret af dyrlæger i et team ledet af Chris Walzer og Gabrielle Stalder fra University of Veterinary Medicine, Wien.

23 millioner DNA-sekvenser

At skelne grupper af dyr på baggrund af deres fæces bakterier stillede forskergruppen over for nye udfordringer:"Det er en mere kompleks opgave, end vi troede. Først og fremmest konstaterede vi, at drøvtyggeres afføring er meget forskellig fra resten. Dette var bl.a. forventes, fordi deres fordøjelsessystem fungerer anderledes. Det er rart at se, at dette faktum afspejles i deres tarmmikrobiom." Blandt andre spørgsmål, projektet omhandler spørgsmålet om "co-evolution". Nogle tarmbakterier udviklede sig sammen med deres vært og er karakteristiske for denne organisme. De er som et fingeraftryk for den respektive gruppe af dyr. Det er præcis, hvad Farnleitners team leder efter. Indtil videre har de analyseret 23 millioner DNA-sekvenser – et tal, der repræsenterer en udfordring for de nuværende bioinformatiske metoder. Molekylærbiologen Georg Reischer er ansvarlig for sekvensanalyse, støttet af gruppen af ​​professor Ruth Ley ved Max Planck Instituttet i Tübingen, Tyskland.

"I fremtiden vil vi være i stand til at bruge resultatet til feltforsøg og hurtige detektionsmetoder, der virker udenfor i det fri, ved hjælp af simple værktøjer. Over hele verden, folk arbejder på at udvikle sådanne intelligente detektionsværktøjer", siger Farnleitner. "Et løb blev startet for 10 år siden i USA, hvor der blev indført nye regler. Hvis du har problemer med vandkvaliteten i USA, du skal også angive deres kilde. Denne udvikling kommer til at revolutionere analysen af ​​vandkvalitet", slutter Farnleitner. Nu, efter næsten 150 år, døren er åben for fremskridt.