Alexander K. T. Kirschner

Molecular diagnostics provide advantages in many areas of water quality analysis compared to cultivation-based methods, yet their implementation remains limited mainly due to reliance on specialized instruments, trained personnel and regulatory barriers. To bridge this gap, we developed and evaluated a rapid and field-compatible workflow for the assessment of microbiological water quality. The approach combines simple, ionic liquid-based DNA extraction directly from water filters with detection by loop-mediated isothermal amplification (LAMP). Performance was assessed using three representative bacterial targets (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Enterococcus faecalis) and the human-associated faecal marker HF183 in environmental water samples to determine the applicability in resource-limited settings. Each step of the workflow was carefully benchmarked against state-of-the-art molecular diagnostics. First, our sample processing method was evaluated using dilution series of target cells, demonstrating strong linearity and reliable detection down to very low cell numbers. In spiked environmental water matrices, the method performed competitively with a commercial extraction kit and phenol-chloroform-based extraction both of which require bead-beating steps. The evaluated sample processing method was then coupled with LAMP for on-site target detection. This integrated workflow was highly competitive with reference workflows across the entire concentration range of the chosen targets and showed similar process limits of detection. Validation with environmental water samples demonstrated robust performance, rapid detection times, and minimal variability across matrices. Overall, our workflow offers simplicity without compromising applicability and reliability compared to state-of-the-art molecular methods. The results indicate strong potential for rapid on-site molecular testing in resource-limited settings.

Biological swimming pools rely on efficient removal of fecal bacteria and pathogens. Here we report on results from a bacterial addition experiment, in which Escherichia coli (E. coli), Enterococcus and Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) were introduced into two swimming pools, one with and one without a biological filter. The biological filter was based on polyurethane (PU) mats with a high surface to volume ratio. Biofilters provided a solid removal of fecal bacteria (E. coli and Enterococcus) with removal rates exceeding 50% (Log10 0.3) per filter passage, while the removal rate of P. aeruginosa was lower (43%). The area-specific removal of E. coli was more than 5 times higher for the PU foam filter than for typical Slow Sand Filters. Finally, we evaluated the hypothesis that a biofilter colonized by biofilm may act as a reservoir for fecal pathogens. We observed limited survival of pathogens in the biofilter 41 and 156 days after the additions, while most added cells were removed, suggesting minimal risk to swimmers under the tested conditions. PU foam-based biofilters appear to be a promising technology for pathogen reduction in biological swimming pools, while mitigating negative impacts of chlorine use, such as toxicity and potential carcinogenic effects.

The number of published isothermal amplification assays has increased substantially in recent years. Unfortunately, no harmonized guidelines, such as the Minimum Information for Publication of Quantitative Real-Time PCR Experiments guidelines, exist for publishing these methods, often resulting in incomplete reporting of assay composition and performance. In this study, we systematically evaluated nine published loop-mediated isothermal amplification (LAMP) assays for the detection of Pseudomonas aeruginosa . We aimed to assess whether publications provide (i) sufficient information on assay composition to allow implementation and reproduction and (ii) robust data on assay performance to evaluate their applicability. Assays were screened for basic functionality, analytical specificity, sensitivity, and limit of detection (LOD) in head-to-head experiments with qPCR. Four assays lacked essential composition details, and almost all did not report DNA concentrations or replicate numbers. Only six assays consistently amplified target DNA. Analytical specificity testing with 19 non-target strains contradicted previously reported 100% specificity, with only 3 maintaining specificity above 90% in our evaluation. Sensitivity testing with 13 P. aeruginosa strains confirmed 100% sensitivity for two assays. However, LOD experiments revealed significantly higher values than originally reported, with qPCR outperforming all LAMP assays. These findings highlight substantial discrepancies between published data and real-world assay performance. The absence of standardized formats, consistent units, and complete methodological details undermines replicability. Although this study focused on P. aeruginosa , the identified issues are widely relevant across different microbial targets. We advocate for increased publication standards and quality controls to ensure transparency, utility, and comparability of isothermal amplification assays and to support their translation into clinical and environmental applications. IMPORTANCE: Over the past decade, numerous isothermal amplification-based assays for the detection of pathogens or health-relevant microorganisms have been proposed, each claiming progress from the state-of-the-art and applicability to both clinical specimens and/or environmental samples. However, many published assays lack essential methodological details, and reported performance metrics are often inconsistent or incomparable. Using Pseudomonas aeruginosa as a representative model organism, we set out to test whether all details required for implementing assays were provided by original publications and if important assay characteristics were reproducible. The results of this systemic benchmarking of nine published loop-mediated isothermal amplification assays revealed major discrepancies between reported and experimentally measured performance in terms of specificity, sensitivity, and limit of detection. By highlighting the crucial elements that need to be reported, this work aims to improve the transparency, reproducibility, and overall quality of isothermal amplification assays, fostering their broader application across different research settings.

Zusammenfassung: Cryptosporidium -Oozysten stellen aufgrund ihrer hohen Resistenz gegenüber chemischen Desinfektionsmitteln und ihrer Rolle bei bedeutenden wasser-assoziierten Krankheitsausbrüchen nach wie vor eine Herausforderung für die Trinkwassersicherheit dar. Bei der Trinkwasseraufbereitung ist die Sandfiltration ein wichtiger Baustein im Multi-Barrieren-System. Eine zuverlässige Bewertung des Rückhaltevermögens der Sandfiltration ist daher sowohl für die Planung von Aufbereitungsanlagen als auch für die betriebliche Qualitätssicherung unerlässlich. Da die Arbeit mit lebenden Oozysten komplex und kostspielig ist, werden in der Forschung und bei Pilotversuchen häufig Ersatzpartikel, sogenannte Surrogate eingesetzt. Dennoch ist die Eignung der gängigen Surrogate in der wasserwirtschaftlichen Praxis noch nicht ausreichend erforscht. In dieser Studie untersuchen wir vier potenzielle Surrogate unter Bedingungen, die für Trinkwasser und die Schnellsandfiltration relevant sind: Bakterien-Sporen ( Bacillus subtilis ), unbeschichtete gelb-grüne Mikrosphären, unbeschichtete gelb-orange Mikrosphären und Glykoprotein-beschichtete gelb-orange Mikrosphären. Die Ergebnisse zeigen, dass die Eignung der Surrogate als Modelle für Cryptosporidien -Oocysten stark von physikochemischen Eigenschaften wie Partikelgröße, Oberflächenladung, Hydrophobizität und vom Vorhandensein von Oberflächen-Makromolekülen abhängt. Die Bewertung der Rückhalteleistung der Oozysten und Surrogate in den Sandfilter-Experimenten ergab, dass Bakteriensporen und die gelb-grünen Mikrosphären die Rückhaltung der Oozysten deutlich unterschätzen, also zu konservativ sind, die unbeschichteten gelb-orangen Mikrosphären die Retention überschätzen, wodurch ein potenzielles Sicherheitsrisiko entstehen kann, und dass die Glykoprotein-beschichteten Mikrosphären die höchste Übereinstimmung mit dem Verhalten von Cryptosporidium -Oozysten zeigten. Die Studie belegt, dass eine sorgfältige Auswahl der Surrogate entscheidend für eine effektive Dimensionierung von Sandfiltern sowie für die Validierung und die Darstellung der Reinigungsleistung ist. Der Einsatz präzise abgestimmter Surrogate bewirkt, das Vertrauen in die Sandfiltration zu stärken und vermeidet unnötige Überdimensionierungen, wobei Sicherheitsmargen und Kosteneffizienz gegeneinander abgewogen werden müssen. Diese Arbeit wurde im Zuge der Forschungskooperation Vienna Water Resource Systems 2020+ erstellt und stellt eine für die Österreichische Abfall- und Wasserwirtschaft abgestimmte Version der im Journal of Water Process Engineering im Jahr 2025 publizierten Originalarbeit dar (Stevenson et al. 2025).

Zusammenfassung: Fäkalbürtige Krankheitserreger stellen weiterhin eines der zentralen Risiken für die Sicherheit von Trinkwasser dar, insbesondere bei der Nutzung von Oberflächengewässern als Rohwasserressource. Bisher lag der Fokus der mikrobiologischen Überwachung primär auf der Überprüfung von Grenzwerten basierend auf Fäkalindikatoren. Die aktuelle Trinkwasserleitlinie der Weltgesundheitsorganisation (WHO), die neue EU-Trinkwasserrichtlinie sowie deren Umsetzung in der österreichischen Trinkwasserverordnung fordern jedoch einen präventiven, risikobasierten und gesundheitsorientierten Ansatz entlang der gesamten Versorgungskette – vom Einzugsgebiet bis zum Verbraucher. In dieser Arbeit wird ein integrierter Modellierungsansatz vorgestellt, der diese Anforderungen erstmalig auf Einzugsgebietsebene umsetzt. Wissenschaftliche Fortschritte der letzten zwei Jahrzehnte – insbesondere die Entwicklung der quantitativen mikrobiellen Risikoabschätzung (QMRA) sowie die Etablierung molekularbiologischer Diagnostik auf Basis der DNA/RNA-Analytik zur mikrobiellen Herkunftsbestimmung (microbial source tracking, MST) – ermöglichen heute eine gesundheitsbasierte Risikobewertung mikrobiologischer Gefährdungen. Der hier vorgestellte Ansatz integriert diese methodischen Bausteine mit hydrologischer Einzugsgebietsmodellierung sowie mit Transportmodellierung fäkalbürtiger Mikroorganismen im Modell QMRAcatch. Auf dieser Basis können systemische log ₁₀ -Reduktionsziele für wasserübertragbare Krankheitserreger aus gesundheitsbasierten Wasserqualitätszielvorgaben abgeleitet werden, in der hier vorgestellten Studie zur Einhaltung eines maximal akzeptablen Infektionsrisikos von 1 Fall pro 10.000 Personen und Jahr. Als Fallbeispiel dient die Donau bei Wien, ein großer, abwasserbeeinflusster Fluss mit Bedeutung für die Trinkwasserversorgung. Mithilfe von Szenariensimulationen werden die Auswirkungen von Klimawandel, Bevölkerungsentwicklung sowie von Abwassermanagement-Maßnahmen im Sinne der neuen EU-Kommunalabwasserrichtlinie (KARL) auf fäkalbürtige Krankheitserreger (pathogene Viren, Bakterien, Protozoen) und erforderliche log ₁₀ -Reduktionsziele analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Maßnahmen im Abwassermanagement – insbesondere weitergehende Reinigungsstufen und die Reduktion von Mischwasserüberläufen – einen deutlich stärkeren Einfluss auf die mikrobiologische-hygienische Wassersicherheit haben als Klimawandel oder Bevölkerungswachstum allein. Damit wird erstmalig exemplarisch aufgezeigt, wie standortspezifische, systemische log ₁₀ -Reduktionsziele für Pathogene für die gesamte Gewinnungs- und Aufbereitungskette (als Summe der natürlichen Barrieren und technischen Aufbereitungsstufen) abgeleitet werden können und wie integrierte, einzugsgebietsbezogene Modellansätze die Weiterentwicklung von Wassersicherheitsplänen im Sinne eines präventiven, risikobasierten Trinkwassermanagements unterstützen. Dieser Artikel basiert auf Demeter, Derx et al., Modelling the interplay of future changes and wastewater management measures on the microbiological river water quality considering safe drinking water production (2021) Science of the Total Environment Volume 768, Art. Nr. 144278, und wurde um eine Diskussion der Anforderungen der EU-Trinkwasserrichtlinie ergänzt. Diese Arbeit wurde im Zuge der Forschungskooperation Vienna Water Resource Systems 2020+ beim Mid-Term-Symposium 2025 präsentiert.

Zusammenfassung: Die zunehmende Verbreitung antibiotikaresistenter Bakterien mit klinischer Relevanz stellt eine Gefahr für die globale Gesundheit dar. Klinisch relevante Resistenzen finden sich in zunehmendem Maße auch in der Umwelt. Aquatische Ökosysteme fungieren dabei als potenziell wichtige Ausbreitungswege. In dieser Studie wurden Antibiotikaresistenzen in Escherichia coli Populationen in zwei großen, extensiv bewirtschafteten österreichischen Karstquelleinzugsgebieten in den nördlichen Kalkalpen untersucht, die auch Grundwasserressourcen für die Trinkwassergewinnung darstellen. E. coli sind nicht nur klinisch relevante Krankheitserreger, sondern werden auch als standardisierte mikrobiologische Fäkalindikatoren für das Auftreten von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt verwendet. E. coli konnten in den Quellwässern nur während der Sommermonate nachgewiesen werden, und zeigten einen Zusammenhang mit der Präsenz von Wiederkäuern in den Einzugsgebieten, welcher durch eine Korrelation mit Wiederkäuer-assoziierten mikrobiellen genetischen Source-Tracking-Markern bestätigt werden konnte. Durch die Untersuchung einer repräsentativen Anzahl von 551 E.-coli -Isolaten von 13 Standorten in den zwei Einzugsgebieten konnte gezeigt werden, dass die Prävalenz von Antibiotikaresistenzen in diesem Untersuchungsgebiet gering ist. In 3,4 % der Isolate zeigten sich Resistenzen gegen eine oder zwei Antibiotikaklassen, lediglich 0,5 % waren gegen drei Antibiotikaklassen resistent. Es wurden keine Resistenzen gegen kritische oder Reserve-Antibiotika festgestellt. Ein Vergleich mit anderen Studien zu Antibiotikaresistenzen in alpinem Karst- oder Quellwasser verdeutlichte den geringen Grad des Vorkommens an Antibiotikaresistenzen der hier untersuchten Einzugsgebiete, was höchstwahrscheinlich auf den hohen Schutz und die sorgfältige Bewirtschaftung bzw. den geringen Einsatz von Antibiotika in der Tierhaltung im Einzugsgebiet zurückzuführen ist. Die Untersuchung der leicht zugänglichen Karstquellen mit der methodischen Kombination aus (i) der Standard-Fäkalindikatoranalyse, (ii) dem Nachweis wirtsassoziierter genetischer mikrobieller Source-Tracking-Marker und (iii) der Antibiotikaresistenzanalyse eines klinisch relevanten Indikatorbakteriums ermöglichte es, einen ganzheitlichen Überblick über das Karstquell-Einzugsgebiet hinsichtlich des Auftretens und der Herkunft von E. coli Isolaten als auch deren Antibiotikaresistenzen zu erlangen. Dieser vorgestellte Ansatz eines repräsentativen und proaktiven Umweltmonitorings steht auch im Einklang mit der geplanten Aktualisierung der EU-Grundwasserrichtlinie. Diese Arbeit wurde im Zuge der Forschungskooperation Vienna Water Resource Systems 2020+ beim Mid-Term-Symposium 2025 vorgestellt und repräsentiert eine für die Österreichische Wasserwirtschaft abgestimmte Version der im Journal Science of the Total Environment im Jahr 2023 publizierten Originalarbeit (Schachner-Gröhs et al. 2023).

Zusammenfassung: Die biologische Stabilität von Trinkwasser ist ein zentrales Qualitätsziel, da mikrobielles Wachstum im Verteilungsnetz sensorische, betriebliche und hygienische Beeinträchtigungen verursachen kann. Die mikrobiologische Bewertung stützte sich lange Zeit auf kultivierungsbasierte Indikatoren, welche primär Veränderungen der kultivierbaren Fraktion erfassen und dynamische Prozesse innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft nur eingeschränkt abbilden. Vor diesem Hintergrund gewinnen integrative, kultivierungsunabhängige Ansätze zur Beurteilung der mikrobiellen Dynamik in Trinkwassersystemen zunehmend an Bedeutung. In diesem Beitrag wird die Umsatzzeit der bakteriellen Gemeinschaft (Englisch: bacterial community turnover time, BaCTT) als neuer, kultivierungsunabhängiger In-situ-Parameter zur Bestimmung der biologischen Stabilität vorgestellt. BaCTT basiert auf der Kombination eines Biomasseparameters (Gesamtzellzahl bestimmt mittels Durchflusszytometrie) und eines Aktivitätsparameters (bakterielle Kohlenstoffproduktion bestimmt mittels In-situ- ³ H‑Leucin-Inkorporation) und beschreibt die Zeitspanne, die eine bakterielle Gemeinschaft benötigt, um ihre Biomasse zu verdoppeln. Die Eignung von BaCTT wurde über einen Zeitraum von sieben Monaten in einem großen, chlordesinfizierten urbanen Trinkwasserversorgungssystem im Dauerbetrieb untersucht. Dabei wurden sowohl die Trinkwasseraufbereitung als auch unterschiedliche Bereiche des Verteilungsnetzes einbezogen. Während kultivierungsbasierte Parameter keine klaren räumlichen oder saisonalen Muster zeigten und Zellzahlen überwiegend von der Rohwassercharakteristik beeinflusst waren, ermöglichte BaCTT eine Identifikation räumlicher und zeitlicher Hotspots erhöhter mikrobieller Dynamik. Die Ergebnisse zeigen, dass BaCTT einen praxisnahen, zeitnah verfügbaren und einfach interpretierbaren Parameter zur integrativen Bestimmung der biologischen Stabilität in Trinkwassersystemen darstellt. Der Artikel schließt mit einer Einordnung der Ergebnisse im Hinblick auf die Evaluierung von BaCTT und zeigt dessen Potenzial als Grundlage für weiterführende Anwendungen und zukünftige Untersuchungen in der Trinkwasserversorgung auf. Dieser Artikel ist eine adaptierte und etwas verkürzte deutsche Version der internationalen englischen Peer-review-Publikation „Introducing bacterial community turnover times to elucidate temporal and spatial hotspots of biological instability in a large Austrian drinking water distribution network“, die 2024 in der Fachzeitschrift Water Research erschienen ist (Campostrini et al. 2024). Dieses Thema wurde im Zuge der Forschungskooperation Vienna Water Resource Systems 2020+ (VIWA 20+) beim Mid-Term-Symposium 2025 behandelt.

Zusammenfassung: Mikroplastik wird in der Literatur zunehmend als potenzielles globales Umweltproblem thematisiert, wobei insbesondere terrestrische Systeme relevant erscheinen, da mechanischer Abrieb dort zur Fragmentierung von Kunststoffen beitragen kann. Besonders im städtischen Oberflächenabfluss zerfällt Plastik bzw. Mikroplastik schnell und reichert sich im Boden an, wodurch es möglicherweise das oberflächennahe Grundwasser gefährdet. Zum besseren Verständnis des Transports von Mikroplastik im Grundwasser, wurden Säulenexperimente durchgeführt, in denen das Transportverhalten von fragmentiertem (FMPs ~1 µm Durchmesser) und kugelförmigem (SMPs ~1, 10 und 20 µm Durchmesser) Mikroplastik in natürlichem Kies (mittel und fein) und Quarzsand (grob und mittel) verglichen wurden. Polystyrol-Mikrokugeln wurden mit Glasperlen physikalisch abgerieben, um den schnellen Fragmentierungsprozess nachzuahmen. Die Versuche wurden bei einer konstanten Durchflussrate von 1,50 m pro Tag durchgeführt, indem zwei Porenvolumina von SMPs und FMPs injiziert wurden. Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass SMPs im Vergleich zu FMPs in natürlichem Kies leichter transportiert werden, was möglicherweise auf den Rückhalt der größeren SMPs zurückzuführen ist. Interessanterweise zeigten FMPs einen höheren Durchbruch in Quarzsand, wahrscheinlich aufgrund von häufigen Drehungen und ihrer Tendenz, sich an den Strömungswegen auszurichten. Im Gegensatz dazu wurden beide Größen von SMPs (größer und kleiner als FMPs) in Quarzsand besser zurückgehalten. Zusammengefasst haben daher sowohl Form als auch Größe einen Effekt auf das Transportverhalten von Mikroplastik in porösen Grundwasserleitern. Aufgrund natürlicher Zerfallsprozesse unter Umweltbedingungen kann davon ausgegangen werden, dass fragmentiertes Mikroplastik in kiesig-sandigen Grundwasserkörpern potenziell besser transportiert wird, was auf ein erhöhtes Risiko einer Belastung des Grundwassers mit Mikroplastik hindeutet. Die aus der Studie gewonnenen Erkenntnisse bedürfen einer weiteren Überprüfung und Vertiefung in zukünftigen Forschungsarbeiten, insbesondere unter Berücksichtigung zusätzlicher Einflussfaktoren auf Transportprozesse. Diese Arbeit wurde im Zuge der Forschungskooperation Vienna Water Resource Systems 2020+ beim Mid-Term-Symposium 2025 vorgestellt und repräsentiert eine für die Österreichische Wasserwirtschaft abgestimmte Version der im Journal of Environmental Quality im Jahr 2024 publizierten Originalarbeit von Ameen et al. (2024).