Mikroorganismen aus der Arktis. (© Daniel Gattinger)

Antibiotikaresistenzen galten lange Zeit als ein weitgehend menschengemachtes Problem, beschränkt auf urbanisierte Regionen und klinische Umgebungen. Neuere Entdeckungen stellen jedoch die Annahme infrage, dass abgelegene Umweltbereiche grundsätzlich vor diesem Phänomen geschützt sind. Die Kryosphäre – der Bereich von Eis und Schnee – dient seit Langem als natürliches Archiv mikrobiellen Lebens. Von alpinen Gletschern bis zu den Polregionen enthalten diese gefrorenen Lebensräume aktive bakterielle Gemeinschaften, die an extreme Kälte, Strahlung und Nährstoffarmut angepasst sind.

Diese Mikroorganismen, von denen einige seit Jahrtausenden im Eis eingeschlossen sind und andere kontinuierlich durch biologische und physikalische Prozesse eingebracht werden, verfügen häufig über natürliche oder erworbene Abwehrmechanismen, die es ihnen ermöglichen, Antibiotika zu tolerieren, die in der modernen Medizin relevant sind.

Diese Bakterien kommen dabei nicht ausschließlich frei in der Umwelt vor, sondern sind zunehmend mit anthropogenen Materialien assoziiert. Insbesondere die Plastikverschmutzung hat sich dabei als eine relevante Schnittstelle zwischen menschlicher Aktivität und mikrobiellem Leben in abgelegenen Ökosystemen erwiesen. Die Bedeutung dieser Verbindung wird besonders deutlich, wenn Kunststoffe in polare Umgebungen gelangen.

Plastikmüll in der Arktis fungiert nicht nur als passive Umweltverschmutzung, sondern als idealer Lebensraum für bakterielle Gemeinschaften. Als unser Team in Svalbard verwitterten Plastikmüll – abseits ausgetretener Pfade auf dem Weg zu einem Gletscher – sammelte, offenbarte das Material ein verborgenes Ökosystem. Die Oberflächen waren von dichten Biofilmen besiedelt. Diese Biofilme sind gewissermaßen vergleichbar mit mikroskopischen Städten, in denen sich Bakterien zum Schutz und zum Austausch von Ressourcen dicht zusammenschließen.

Zurück im Labor testeten wir die auf Plastik angesiedelten Bakterien auf ihre Fähigkeit, Antibiotika zu tolerieren. Nach der Kultivierung der Isolate auf Nährmedien und der Exposition gegenüber häufig eingesetzten Antibiotika stellten wir fest, dass die Resistenz-Niveaus einiger Wirkstoffe mit denen in klinischen Umgebungen vergleichbar waren. Die Mehrheit der Isolate war zudem multiresistent, das heißt resistent gegenüber mindestens drei verschiedenen Antibiotika.

Mehrere Mechanismen tragen vermutlich zu diesen Beobachtungen bei. Einige Bakterien besitzen Antibiotika-Resistenzgene bereits zum Zeitpunkt der Besiedlung von Plastik, entweder als Teil natürlicher Abwehrsysteme oder durch zuvor erworbene Resistenzen. Darüber hinaus ist bekannt, dass Biofilme den genetischen Austausch fördern, wobei Resistenzgene innerhalb von Biofilmen häufiger weitergegeben werden als bei freilebenden Bakterien. Die beobachteten Resistenzmuster lassen sich daher wahrscheinlich am plausibelsten durch eine Kombination aus natürlichen und anthropogen beeinflussten Prozessen erklären.

Bakterielle Kolonien im Labor. Diese Isolate wurden auf Antibiotikaresistenz getestet. (© Daniel Gattinger)

Mit der fortschreitenden Beschleunigung der Gletscherschmelze in der gesamten Kryosphäre – sowohl in den Alpen als auch an den Polen – steigt das Risiko, dass das Reservoir resistenter Bakterien in nachgelagerte Ökosysteme freigesetzt werden. Schmelzwasser kann Mikroorganismen aus Gletschern und Eisschilden in Flüsse, Grundwasser und letztlich in vom Menschen genutzte Umgebungen transportieren. Auch wenn es sehr unwahrscheinlich ist, dass diese Bakterien selbst für den Menschen direkt krankheitserregend sind, können sie dennoch Antibiotika-Resistenzgene auf lokale mikrobielle Gemeinschaften übertragen. Dadurch entsteht eine Rückkopplungsschleife, in der ehemals als isoliert betrachtete Regionen direkt mit globalen Gesundheitssystemen verknüpft werden.

Schema zur Zirkulation von Bakterien und ihren Resistenzgenen in und aus abgelegenen Regionen wie der Kryosphäre. (erstellt mit BioRender)

Ähnliche Beobachtungen in alpinen Gletschern und arktischem Eis zeigen, dass es sich hierbei nicht um ein isoliertes Phänomen handelt. In einer globalisierten Welt bleibt kein Umweltbereich vollständig unbeeinflusst von menschlicher Aktivität, und alles ist miteinander verbunden – einschließlich One-Health-Themen wie Antibiotikaresistenz.

Die Bewältigung dieses Problems erfordert mehr als reine Grundlagenforschung. Initiativen zur öffentlichen Wissensvermittlung, wie unsere Veröffentlichung in einer kinderfreundlichen wissenschaftlichen Zeitschrift (Frontiers for Young Minds) oder gezielte Bildungsangebote im Web, helfen dabei, komplexe Forschungsergebnisse verständlich aufzubereiten. Ein breiteres Verständnis von Antibiotikaresistenzen – sowohl in urbanen als auch in abgelegenen Umgebungen – ist entscheidend, um dem Problem wirksam zu begegnen und die Wirksamkeit von Antibiotika langfristig zu erhalten.

Comic eines gegen Antibiotika resistenten Bakteriums im Rahmen unseres Ansatzes, ein junges Publikum zu erreichen. (© Cayla Silbermann)