Da wir uns der Sommer-Strandsaison nähern, kann es gelegentlich vorkommen, dass Sie auf ein Schild mit der Aufschrift „Zurückhalten“ stoßen, das darauf hinweist, dass der Bereich vorübergehend geschlossen ist. Bei Verdacht auf fäkale Verschmutzung können Gesundheitsbehörden Labortests an Wasserproben durchführen, um zu prüfen, ob es für Menschen sicher ist, im Wasser zu schwimmen.
Trotz der vielen Labormethoden, die den Gesundheitsbehörden zur Verfügung stehen, sind die Ergebnisse nicht immer konsistent. Um dieses Problem zu lösen, hat das National Institute of Standards and Technology (NIST) mit der Environmental Protection Agency (EPA) zusammengearbeitet, um ein Referenzmaterial zu entwickeln – bekannt als SRM 2917-Plasmid-DNA für von der EPA entwickelte Stuhlindikatoren –, um eine genauere Bestimmung zu gewährleisten allgemeine Ergebnisse für die Methoden, die Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens anwenden.
„Die Hauptziele für die Entwicklung von NIST SRM 2917 bestanden darin, zur landesweiten Standardisierung der Verwendung von Methoden zur Überwachung der Wasserqualität beizutragen und ein Tool zu entwickeln, das zur Erstellung von Metriken zur Methodenleistung verwendet werden kann“, sagte EPA-Forschungsgenetiker Orin Shanks, der daran arbeitete über die Entwicklung des SRM mit NIST-Forschern. „Das SRM kann auch Wissenschaftlern, Managern und der Öffentlichkeit helfen, die Qualität von Messungen zu bewerten.“
Die EPA ist verantwortlich für die Entwicklung von Instrumenten zur Überwachung der Wasserqualität in der Freizeit, darunter Strände, Seen und Flüsse, die zum Angeln, Bootfahren, Schwimmen, Surfen und für andere Zwecke genutzt werden. Eine fäkale Verunreinigung dieser Gewässer könnte durch fehlerhafte Abwassersysteme, undichte Abwasserleitungen, Regenwassereinleitungen, Abflüsse aus der Landwirtschaft, Überläufe aus kombinierten Abwassersystemen, Wildtiere oder unsachgemäße Entsorgung von Tierabfällen sowie durch illegale Aktivitäten verursacht werden, sagte Shanks.
Menschen, die einer fäkalen Kontamination ausgesetzt sind, sei es durch Hautkontakt oder das Schlucken des Wassers, können von leichten bis hin zu potenziell tödlichen Krankheiten alles erleiden. Kinder, ältere Menschen und Menschen mit geschwächtem Immunsystem können einem höheren Risiko ausgesetzt sein.
NIST SRM 2917 wurde entwickelt, um dieses Problem zu mindern und enthält 13 genetische Marker – bekannte DNA-Sequenzen – die verwendet werden können, um eine Verschmutzungsquelle zu identifizieren oder die Konzentration der fäkalen Verschmutzung in einer Probe abzuschätzen. Das SRM wurde aus einem Plasmid konstruiert, einem kleinen, oft kreisförmigen DNA-Molekül, das in Bakterien und anderen Zellen vorkommt.
Die EPA hat die genetischen Marker des SRM ausgewählt, von denen einige auf über einem Jahrzehnt kollektiver Forschung beruhen. Die genetischen Marker auf der Plasmid-DNA dienen als Indikatoren für eine fäkale Verschmutzung. „Fäkalienindikatoren sind Ziele wie Bakterien oder genetische Marker, die auf eine fäkale Kontamination hinweisen“, sagte NIST-Forscher Scott Jackson. „Es gibt insgesamt 13 genetische Marker, von denen einige menschliche Fäkalien, Kuh-, Vogel- und Hundekot erkennen. So können wir unterscheiden, welche Fäkalienquellen in einer verschmutzten Wasserprobe vorhanden sind.“
Bei der Zusammenstellung eines Standard-Referenzmaterials (SRM) verwenden die Forscher den sogenannten „Robottler“, eine Robotermaschine, die sie so programmiert haben, dass sie Reagenzgläser automatisch füllt. SRM 2917 (Plasmid DNA for EPA-Developed Fecal Indicators) besteht aus 13 bekannten DNA-Sequenzen (genetischen Markern), die verwendet werden können, um die Konzentration der fäkalen Verschmutzung in einer Probe abzuschätzen. Hier werden die Reagenzgläser für das SRM mit der Plasmid-DNA-Probe befüllt. Bildnachweis: J. Kralj/NIST
Jeder genetische Marker des SRM funktioniert mit einer spezifischen qPCR-Methode, die entwickelt wurde, um die fäkale Verschmutzung in einer Wasserprobe zu charakterisieren. Ein qPCR-Assay – quantitative Polymerase-Kettenreaktion – ist ein molekularer Test, der verwendet wird, um die Ziel-DNA-Konzentration einer Probe abzuschätzen, die sich auf ein Referenzmaterial stützt, um die Ergebnisse zu interpretieren. Drei dieser Testmethoden sind national von der EPA validiert.
Die qPCR-Methoden zielen auf zwei Arten von Fäkalienindikatoren ab: Die erste schätzt die Gesamtmenge an Fäkalien in einer Probe, und die zweite identifiziert die Quelle der Fäkalienkontamination. Zwei qPCR-Methoden zielen auf die fäkalen Indikatorbakterien E. coli und Enterococcus ab, die in den Fäkalien der meisten Säugetiere vorkommen. Die verbleibenden 11 qPCR-Methoden helfen bei der Identifizierung von Quellen wie Fäkalien von Menschen, Rindern, Hunden, Schweinen und Vögeln.
„Dies ist ein Mehrzweck-Referenzmaterial. Ein zukünftiges Labor kann dieses SRM verwenden, um festzustellen, ob das Wasser sicher zum Schwimmen ist, und um zu charakterisieren, was die Quellen sind, wenn es zu fäkaler Verschmutzung kommt“, sagte Shanks.
Was das SRM so neuartig macht, ist, dass sich alle 13 genetischen Marker auf einem physischen Stück DNA befinden, sagte NIST-Forscher Jason Kralj. Dies bedeutet, dass Forscher mehrere qPCR-Methodenergebnisse aus einer Wasserprobe mit einem Standard bewerten können.
Das SRM könnte verwendet werden, um Schwankungen bei Wasserqualitätsmessungen zwischen Labors zu minimieren und den Prozess der Laborakkreditierung zu unterstützen, was anzeigt, dass ein öffentliches Gesundheitslabor seine Tests korrekt durchführt. Obwohl das SRM für routinemäßige Wasserqualitätstests in Freizeitbereichen entwickelt wurde, kann es auch zur Unterstützung des Regenwassermanagements, der Überwachung der Lebensmittelproduktion, der Abwasserüberwachung und der Identifizierung von Expositionswegen bei Ausbrüchen verwendet werden, sagte Shanks.
Während der Entwicklung des SRM wurde ein nationaler Ringversuch durchgeführt. In naher Zukunft werden NIST und die EPA die Ergebnisse der Studie veröffentlichen, die darauf ausgelegt war, die Leistung des SRM auf nationaler Ebene zu bewerten.
„Mit Blick auf die Zukunft ist es wahrscheinlich, dass der Erfolg dieser Zusammenarbeit zu zukünftigen Kooperationen führen wird, die sich auf die Entwicklung neuer Referenzmaterialien konzentrieren, die die Implementierung von Methoden zum Schutz der Umweltgesundheit und der natürlichen Ressourcen unterstützen“, sagte Shanks.