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Culture-dependent and culture-independent hygienic assessment of thermophilic compost from human excreta
Werner, Katharina Alicia
Human excreta contain high amounts of nutrients that are largely wasted instead of recycled for agriculture. At the same time agriculture is severely challenged by extreme weather events and decreases in water availability caused by climate change. Ecological sanitation could close the loop between sanitation and agriculture through thermophilic composting of human excreta, which converts organic waste into a humus-rich fertilizer. However, the usage of human excreta raises concerns of a possible spread of human pathogens and antibiotic resistance genes.
We have conducted thermophilic composting of dry toilet contents along with other organic waste, with and without biochar, at different pilot plants in Germany and Ethiopia. Composting was conducted for a minimum of three and up to seven to nine months, depending on the trial. Both cultivation-based and molecular methods were applied to study the succession of the bacterial community, as well as the fate of human pathogens and antibiotic resistance genes during composting. Bacterial indicator organisms Escherichia coli, Salmonella spp., and the eggs of the helminth Ascaris were monitored. Targeted isolation of human pathogenic bacteria was conducted along with 16S rRNA gene amplicon and metagenomic sequencing to further assess the state of sanitation in the mature compost. The sequencing data provided insights into the succession of the microbial community, as well as antibiotic resistance. The latter was further complemented by qPCR analyses on antibiotic resistance genes and marker genes for horizontal gene transfer.
When sufficient temperatures were reached during the thermophilic phase, common indicator organisms decreased below German thresholds for organic fertilizer. The isolation study with culture conditions directed towards the isolation of human pathogenic bacteria yielded more opportunistic than strict pathogens in the mature compost. Moreover, metagenomic sequencing data revealed decreases in severe human pathogens. Multiple resistance to at least three and up to seven antibiotics from different antibiotic classes were found in one fifth of the biosafety level 2 isolates. However, the respective species (e.g., Serratia marcescens and Stenotrophomonas maltophilia) are known to carry multiple resistances irrespective of a clinical or an environmental origin. Thermophilic composting strongly decreased most of the antibiotic resistance genes assessed through qPCR, and the occurrence of genes conferring resistance to most antibiotic classes (metagenomic sequencing data). Marker genes for horizontal gene transfer exhibited significant decreases during composting. The bacterial community consisted of Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Chloroflexi and Bacteroides as most abundant phyla both before and after composting. The relative abundances of these phyla changed during composting with Proteobacteria and Firmicutes decreasing. The bacterial community was reshaped, and the alpha-diversity rose during composting. In the experiments conducted within this thesis, cocomposted biochar revealed hardly any effects on the state of sanitation of the compost, antibiotic resistance, or the microbial community structure.
In the present thesis it was shown that thermophilic composting can sufficiently reduce the abundance of human pathogens, as well as antibiotic resistances contained in human excreta from dry toilets. Composting restructured the microbial community with decreases in Firmicutes and Proteobacteria. An increased alpha-diversity of the 16S rRNA gene amplicon sequences demonstrated a higher variety of species in the mature compost. This suggests thermophilic composting as a promising option for the recycling of human excreta as a fertilizer and soil conditioner for agriculture.
Menschliche Exkremente enthalten große Mengen an Nährstoffen, die größtenteils ungenutzt bleiben, statt für die Landwirtschaft recycelt zu werden. Gleichzeitig stellt der Klimawandel die Landwirtschaft durch Zunahme extremer Wetterereignisse und Abnahme der Wasserverfügbarkeit vor große Herausforderungen. Über die thermophile Kompostierung menschlicher Ausscheidungen könnte eine Kreislaufwirtschaft zwischen Sanitärversorgung und Landwirtschaft etabliert werden, die organische Abfälle in einen humusreichen Dünger umwandelt und für die Landwirtschaft nutzbar macht. Die Verwendung menschlicher Exkremente wirft jedoch Bedenken hinsichtlich einer möglichen Ausbreitung von humanen Krankheitserregern und Antibiotikaresistenzgenen auf.
Wir haben Pilotanlagen zur thermophilen Kompostierung von Trockentoiletteninhalten zusammen mit anderen organischen Abfällen mit und ohne Biokohle sowohl in Deutschland als auch in Äthiopien begleitet. Die Dauer der Kompostierung betrug je nach Versuch mindestens drei und bis zu sieben bis neun Monate. Es wurden sowohl kultivierungsbasierte als auch molekularbiologische Methoden angewendet, um die Veränderung der bakteriellen Gemeinschaft, sowie das Schicksal von Krankheitserregern und Antibiotikaresistenzgenen während der Kompostierung zu untersuchen. Als Indikatoren wurden E. coli und Salmonella spp., sowie die Eier des Spulwurms Ascaris, verwendet. Darüber hinaus wurden Isolationsstudien mit geeigneten Bedingungen für die Selektion von humanen Krankheitserregern durchgeführt. Sequenzierung von 16S rRNA-Gen-Amplikons und Metagenom- Sequenzierung sollten darüber hinaus Einblicke in die Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaft sowie von Antibiotikaresistenzen im Verlauf der Kompostierung geben. Letzteres wurde durch qPCRAnalysen ausgewählter Antibiotikaresistenzgene, sowie von Markergenen für den horizontalen Gentransfer ergänzt.
Bei ausreichender Temperaturentwicklung während der thermophilen Phase sanken die gängigen Indikatororganismen unter die deutschen Grenzwerte für organischen Dünger. Die Mehrheit der Bakterienisolate aus einer gerichteten Kultivierung zur Isolation von Krankheitserregern aus dem reifen Kompost wurde opportunistischen Pathogenen zugeordnet. Es wurden wenige strikte Pathogene isoliert. Darüber hinaus wurde in den Metagenom-Sequenzierungsdaten eine Abnahme von genetischem Material typischer Krankheitserreger festgestellt. Ein Fünftel der humanpathogenen Isolate zeigte Resistenzen gegenüber mindestens drei und bis zu sieben Antibiotikaklassen. Die entsprechenden Arten (z.B. Serratia marcescens and Stenotrophomonas maltophilia) sind jedoch häufig multiresistent, unabhängig von einem klinischen oder umweltbedingten Ursprung. Die thermophile Kompostierung führte zu starken Abnahmen der meisten mittels qPCR analysierten Antibiotikaresistenzgene, sowie von Gengruppen, die Resistenz gegenüber den meisten Antibiotikaklassen vermitteln (Metagenom- Sequenzierung). Die abundantesten Phyla sowohl vor als auch nach der Kompostierung waren Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Chloroflexi und Bacteroides mit Abnahmen der relativen Abundanz an Proteobacteria und Firmicutes über die Kompostierung. Die bakterielle Gemeinschaft zeigte große Veränderungen in ihrer taxonomischen Zusammensetzung mit einer Steigerung der Alpha- Diversität während der Kompostierung. Biokohle als Zuschlagsstoff in der Kompostierung zeigte kaum Auswirkungen auf die hier analysierten Parameter Humanpathogene, Antibiotikaresistenzen und die Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaft.
In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die thermophile Kompostierung als Vorbehandlung menschlicher Exkremente aus Trockentoiletten Humanpathogene und Antibiotikaresistenzen deutlich reduzieren kann. Die mikrobielle Gemeinschaft veränderte sich durch die Kompostierung grundlegend mit Abnahmen in den Abundanzen der Phyla Firmicutes und Proteobacteria. Eine erhöhte Alpha- Diversität der 16S-rRNA-Gen-Amplikonsequenzen demonstrierte die Steigerung der Artenvielfalt im reifen Kompost. Dies deutet darauf hin, dass die thermophile Kompostierung eine vielversprechende Option für das Recycling menschlicher Exkremente als Dünger und Bodenverbesserungsmittel für die Landwirtschaft ist.
