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Antibiotika, Anthelminthika und Kokzidiostatika in Wirtschaftsdüngern und Böden : Betriebsspezifische Analyse von Anwendungen, Rückständen und Risiken

Affiliation
Institut für Ökologische und Nachhaltige Chemie
Zellmann, Dennis Marlin

Gülle und Mist aus der Schweine-, Rinder- und Geflügelhaltung können Rückstände von Antibiotika, Anthelminthika und Kokzidiostatika enthalten. Mit der Ausbringung belasteter Wirtschaftsdünger werden diese Substanzen in Böden eingetragen. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb betriebsspezifisch untersucht, in welchem Maß Wirkstoffe zur Anwendung kommen, welche Rückstände dadurch in Wirtschaftsdüngern und Böden auftreten und ob diese aus ökotoxikologischer Sicht und im Hinblick auf die menschliche Gesundheit ein Risiko darstellen.
Dazu wurden aus insgesamt 26 Betrieben fast 3000 Wirkstoff-Anwendungsdaten ausgewertet, 159 Wirtschaftsdünger- und 169 Bodenproben auf Rückstände von 17 Antibiotika und 2 Anthelminthika mittels LC-MS/MS analysiert. Zusätzlich wurden Analysendaten zur Belastung von Geflügelmist und damit gedüngten Böden mit 18 Antibiotika und 10 Kokzidiostatika in die Auswertung miteinbezogen.
Es konnte ein enger Zusammenhang zwischen Wirkstoffanwendungen und Rückständen in Wirtschaftsdüngern und Böden belegt werden. Schweinegülle war am häufigsten und in den höchsten Konzentrationen belastet, gefolgt von Geflügelmist und Rindergülle. Mit maximalen Rückstandskonzentrationen von 163 mg Doxycyclin, 40.9 mg Sulfadimidin und 50.7 mg Nicarbazin/kg Trockensubstanz wurden in allen Wirtschaftsdünger-Matrizes Wirkstoffrückstände festgestellt. Im Boden wurde nur ein Teil dieses Stoffspektrums gefunden, mit Maximalgehalten von bis zu 154 µg Tetracyclin/kg. Außerdem wurde gezeigt, dass auf Ackerflächen Antibiotika- und Anthelminthika-Rückstände über mehrere Jahre akkumuliert wurden.
Ökotoxikologische Studien belegen adverse Effekte der untersuchten Wirkstoffe im Boden sowohl im mg/kg- als auch im umweltrelevanten µg/kg-Bereich, wobei im letzteren die in der vorgelegten Untersuchung nachgewiesenen Rückstände lagen. Es besteht daher noch erheblicher Forschungsbedarf, unter welchen Umständen diese Effekte eintreten und welche Risiken von Schadstoffgemischen ausgehen, um eine umfassende Risikoabschätzung durchführen zu können. Es ist zudem belegt, dass Antibiotika-Rückstände, wie sie in dieser Arbeit in Wirtschaftsdüngern und Böden nachgewiesen wurden, die Selektion antibiotikaresistenter Mikroorganismen fördern und die Abundanzen von Resistenzgenen in Böden erhöhen. Jedoch fehlen auch hier für eine Bewertung ausreichende Informationen zur weiteren Verbreitung der Resistenzgene und zum direkten Zusammenhang mit für die menschliche Gesundheit kritischen Pathogenen.

Farm fertilizers are frequently contaminated with residues of antibiotics, anthelmintics and coccidiostats. These contaminants enter soil when arable land is fertilized with manures and digestates. This study aims to link farm-specific application patterns of active compounds to residues found in manures and soils in order to assess the ecotoxicological and human-health risks.
At 26 farms, nearly 3000 data sets of antibiotic, anthelmintic and coccidiostat usage were evaluated. Furthermore, 159 manure and 169 soil samples were analyzed for 17 antibiotics and 2 anthelmintics using LC-MS/MS. Additionally, external results from the analysis of chicken manure, turkey manures and corresponding soils on 18 antibiotics and 10 coccidiostats were included in data evaluation.
A direct link between application patterns and residues in manure and soil was observed. Pig manure was contaminated most frequently and to the highest extends, followed by poultry and bovine manure. With maximum contents of 163 mg doxycycline, 40.9 mg sulfadimidine and 50.7 mg nicarbazin/kg dry weight, respectively, contaminants were found in all manure and digestate matrices. The broad spectrum of detected compounds in farm fertilizers was only partially found in soil, with 154 µg Tetracyclin/kg as peak concentration. Additionally, it was proven that residues were a consequence of compound accumulation and not the result of single applications of farm fertilizers.
Various studies dealing with ecotoxicological assessments of antibiotic contaminations in soil have conflicting outcomes, reporting adverse effects of residues at the order of mg/kg on the one hand and µg/kg on the other, the latter representing environmentally relevant concentrations as found in this research. Consequently, more detailed studies on experimental boundary conditions at field scale are necessary for refinement of environmental risk assessment, including the testing of active compound mixtures instead of single substances.
Furthermore, studies prove that residues of antibiotics in manures and soil as reported in this research cause an increase in the abundance of antibiotic resistance genes in soil. However, insufficient information on the links between resistance genes in soil and emerging pathogens as a threat to human health is available in order to perform a concluding risk assessment.

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