Konsequenzen des Einsatzes von Antibiotika und Antiparasitika in der Fischzucht für aquatische Ökosysteme

Abstract

Der Einsatz antimikrobieller Substanzen in der Aquakultur betrifft nicht nur die gezüchteten Fischarten, sondern in bisher unbekanntem Ausmaß auch die an Fischfarmen angrenzenden aquatischen Ökosysteme – einschließlich der Mikrobiota aus Wasser und Sediment sowie der dort lebenden Eukaryoten. Zu den Auswirkungen zählen unter anderem ein Anstieg (multi-)resistenter Mikroorganismen sowie umfassende Veränderungen in der Struktur und Funktion mikrobieller Gemeinschaften. Diese sogenannte „Dysbiose“ könnte Folgen für die Funktionsweise aquatischer Ökosysteme haben. Besonders ausgeprägt können diese Effekte sein, wenn verschiedene Wirkstoffe mit antimikrobiellen Eigenschaften kombiniert eingesetzt werden – etwa Antibiotika gegen bakterielle und eukaryotische Krankheitserreger. In dieser Studie untersuchen wir die Auswirkungen der Anwendung antimikrobieller und antiparasitärer Substanzen (Florfenicol und Peressigsäure) in der Aquakultur – sowohl auf die gezüchteten Fischarten als auch auf die aquatische Umwelt – mithilfe kontrollierter Modellsysteme. Um der weltweiten Vielfalt aquakultureller Praktiken Rechnung zu tragen, wurden mehrere sogenannte „Showcases“ ausgewählt, darunter Süß- und Meerwassersysteme in warmen und gemäßigten Klimazonen. Dieses Vorgehen ermöglichte nicht nur eine Bewertung der jeweiligen Standorte, sondern auch die Untersuchung der Folgen des Klimawandels und steigender Temperaturen auf die Stabilität antimikrobieller Wirkstoffe in Aquakultursystemen sowie deren ökologische Konsequenzen. In einem der Showcases wurde eine gezielte Minderungsmaßnahme getestet, um den Pathogendruck – und damit den Bedarf an antimikrobiellen Substanzen – durch ein integriertes multitrophisches System zu reduzieren. Ergänzend zu den Modellstudien wurden Probenahmen in der Nähe realer Fischfarmen in den Ländern der jeweiligen Showcases durchgeführt. Zur Untersuchung der Struktur und Funktion des Mikrobioms der behandelten Fische sowie der Nicht-Zielorganismen und des umgebenden Wassers kamen molekulare Methoden zum Einsatz, darunter Metabarcoding und metagenomische Analysen. Zusätzlich wurde der Verbleib der eingesetzten Wirkstoffe verfolgt und die Auswirkungen auf die Entwicklung antimikrobieller Resistenzen im Mikrobiom sowohl der behandelten Fischarten als auch in der Umwelt und bei Nicht-Zielorganismen bewertet. Obwohl die antimikrobiellen Wirkstoffe in allen Showcases in vergleichbarer Dosierung angewendet wurden, zeigen unsere Daten, dass die Auswirkungen der Antibiotikatherapie stark vom jeweiligen Aquakultursystem abhängen:

Generell unterschieden sich die Effekte auf Mikrobiome und Resistome in Aquakultursystemen in warmen Regionen deutlich von jenen in gemäßigten Klimazonen. Das Alter der Fische war ein entscheidender Modulationsfaktor. Veränderungen in Struktur und Funktion des Mikrobioms waren bei juvenilen Fischen ausgeprägter und auch in der Nachbehandlungsphase sichtbar, während sie bei älteren Tieren geringer ausfielen. Die Mikrobiome von Nicht-Zielorganismen – darunter Muscheln und Seeigel – wurden durch die eingesetzten Antibiotika signifikant beeinflusst. Die Anwendung eines antiparasitären Wirkstoffs verstärkte die Wirkung der Antibiotika insbesondere im Wasserraum. Der Einsatz eines integrierten multitrophischen Ansatzes zur Schadensbegrenzung führte zu deutlichen Veränderungen im Mikrobiom der Zuchtfische und der Umwelt im Vergleich zu Kontrollsystemen.

Zur Überprüfung unserer Ergebnisse aus künstlichen Systemen unter realen Bedingungen wurden Wasser- und Sedimentproben aus Gewässern entnommen, die als Vorfluter von Fischfarmen in den Regionen der beiden Süßwasser-Showcases dienen. Diese Proben werden aktuell mit zielgerichteten qPCR-Methoden analysiert, um Gene zu quantifizieren, die für antimikrobielle Resistenzen kodieren, sowie bakterielle Taxa, die in den Modellsystemen als Reaktion auf die Antibiotikabehandlungen identifiziert wurden – einschließlich potenzieller Fischpathogene. Die Ergebnisse wurden mit lokalen Akteuren in Deutschland, Brasilien und Israel diskutiert. Daraus ergaben sich erste Ansätze zur Reduktion der Fischbesatzdichte in Aquakulturtanks, um die Ausbreitung von Parasiten und Krankheitserregern zu verringern und somit den Einsatz antimikrobiell wirksamer Substanzen zu vermeiden.