Abbau und Rückstandsdynamik von Tierarzneimitteln in Boden-Pflanzen-Systemen

Junge, Thorsten; Schäffer, Andreas

doi:4303

Abbau und Rückstandsdynamik von Tierarzneimitteln in Boden-Pflanzen-Systemen = Degradation and residue dynamics of veterinary medicines in soil-plant systems

Junge, Thorsten

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thorsten Junge

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangIV, 148 S. : ILL., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-08-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43031
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/197559/files/4303.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Antibiotikum (Genormte SW) ; Boden (Genormte SW) ; Tierarzneimittel (Genormte SW) ; Gülle (Genormte SW) ; Abbau (Genormte SW) ; Pflanzen (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; gebundene Rückstände (frei) ; veterinary antibiotics (frei) ; soil (frei) ; manure (frei) ; bound residues (frei) ; plants (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit war es, durch die Anwendung von umweltchemischen und -analytischen Methoden (Radio-DC, Radio-HPLC, GC-MS & -FID, LC-MS/MS) das Schicksal von zwei Veterinärpharmaka im Boden zu untersuchen. Im Fokus sollten hierbei der Einfluss von Maispflanzen und ein eventuell auftretender Rhizosphäreneffekt auf das Verhalten der Verbindungen stehen. Als Testsubstanzen wurden mit Sulfadiazin (SDZ) und Difloxacin (DIF) jeweils ein Vertreter aus den Antibiotikagruppen der Sulfonamide und Fluorochinolone eingesetzt. In der Tierhaltung werden sie zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt; sie werden überwiegend unverändert von den Tieren wieder ausgeschieden. Über Gülle oder Mist, die zum Zweck der Düngung ausgebracht werden, können die Rückstände auf landwirtschaftlich genutzte Flächen gelangen. Als Folge kann es zu einer Entwicklung und Ausbreitung von Resistenzen im Boden kommen, oder zu einem Transport in Oberflächengewässer und Grundwasser. Ein anderer Aspekt ist die Aufnahme in Pflanzen, die auch als Nahrung für Menschen und Tiere dienen. Bei dem hier verwendeten Boden handelte es sich um einen tonigen Schluff. Aus dem hier eingesetzten Boden wurden nur sehr geringe Anteile der beiden Antibiotika in Maispflanzen aufgenommen. Demnach ist die Verfügbarkeit für Mais aus dem hier eingesetzten Boden für beide Antibiotika als sehr gering einzustufen Auch die zu 14CO2 mineralisierten Anteile fielen bei beiden Verbindungen sehr gering aus. Über den Versuchszeitraum wurde die mikrobielle Aktivität durch das bakteriostatisch wirkende SDZ bei 10 mg pro kg Boden um ca. 10% reduziert. Im Fall des bakterizid wirkenden DIF konnte nur am ersten Tag eine etwas verminderte mikrobielle Aktivität festgestellt werden. Für beide Verbindungen kann gesagt werden, dass - wenn überhaupt – nur ein geringer Effekt auf die mikrobielle Aktivität festgestellt werden konnte. Für beide untersuchten Antibiotika stellten die nicht-extrahierbaren Rückstände den Hauptpfad im Boden dar. Weder für SDZ noch für DIF konnten Unterschiede in der Extrahierbarkeit der Verbindungen aus wurzelfreiem und wurzelnahem Boden festgestellt werden. Gleiches galt für den Einfluss von Gülle, der zusätzlich für DIF untersucht wurde. Als Metaboliten konnte von SDZ nur 4-OH-SDZ identifiziert werden, welches demnach im Boden gebildet wurde und dessen Anteile im Verlauf der Versuche. In den Studien mit DIF konnten keine Abbauprodukte identifiziert werden. Hier lag nur die unveränderte Ausgangssubstanz in den Extrakten vor. Um die nicht-extrahierbaren Rückstände genauer zu untersuchen wurde eine Huminstofffraktionierung durchgeführt. Zusätzlich wurden die durch ASE extrahierten Böden der Studien mit DIF und Gülle einer Partikelfraktionierung unterzogen, wodurch die Verteilung der NER auf die Sand-, Ton- und Schlufffraktionen untersucht werden sollte. Aufgrund der relativ großen Wiederfindung von 14C innerhalb der Fulvinsäuren (FA) wurden diese nach Aufreinigung mittels Größenausschlusschromatographie näher untersucht. Die hierbei erhaltenen Chromatogramme zeigten das gleiche Muster von einer größeren, früher und breiter eluierenden Fraktion und einer kleineren und später eluierenden Fraktion, die ein deutlich schärferes Signal lieferte. Aufgrund der Form der Signale und Untersuchungen mit unbehandelten FAs und den Antibiotika wurde die Vermutung aufgestellt, dass es sich bei der Fraktion mit geringerem Molekulargewicht um teilweise freies Antibiotikum bzw. dessen Metaboliten handelte. Aufgrund der geringen Aktivität innerhalb der Fraktionen der aus DIF behandelten Böden gewonnenen FAs, war es nicht möglich diese über eine Größenausschlusschromatographie hinaus zu untersuchen. Anders war dies für die Proben der Studie mit SDZ. Die beiden Größenfraktionen wurden getrennt gesammelt und nach Aufarbeitung durch LC-MS/MS untersucht. Hierdurch konnte die zuvor aufgestellte Vermutung bestätigt werden. An den ersten Inkubationstagen lag fast ausschließlich freies SDZ und 4-OH-SDZ in der kleineren Fraktion vor. Mit der Zeit nahmen diese Anteile ab, was darauf deutet, dass es zu einer festeren Bindung bzw. einem Einschluss in die Fulvinsäuren kommt.

The aim of this study was the investigation of the fate of two veterinary pharmaceuticals in soil using environmental chemical and analytical methods (Radio-TLC, Radio-HPLC, GC-MS & -FID, LC-MS/MS). Partial focus was laid on the influence of corn plants and a potential effect of the rhizosphere. The chemicals used in these studies were sulfadiazine (SDZ) and difloxacin (DIF) representing two groups of antibiotics, sulfonamides and fluoroqinolones. They are used widely in animal husbandry and are excreted by animals mostly unaltered. Via manure used as fertilizer in agricultural practice on farmland those pharmaceutical residues reach the environment. This may lead to a development and/or spread of bacterial resistances or transport to surface or ground water. Another critical aspect is the take up by plants serving humans and animals as food sources. The soil used in this study was a silt loam. After 56 days of incubation less than 1% (8.99 µg) of the applied radioactivity was present in the plants in the studies with SDZ and less than 0.5% (0.17 µg) in the studies with DIF. Therefore, the availability of DIF and SDZ for corn plants from the soil used is regarded as low. With 10 mg kg-1 SDZ reduced the microbial activity by approximately 10% during the period of incubation. Difloxacin applied at concentrations of 0.1 and 0.9 mg kg-1 had no measurable effect on the microbial activity excepting the first day after application. Accordingly, both substances exhibited only a minor effect on soil microbial activity, if any. Given that both pharmaceuticals are antimicrobial active compounds, these results point to a low bioavailability for soil bacteria. Total degradation to CO2 was low for both antibiotics. Mineralized amounts of SDZ rose to 4.92% after 56 days. Less than 0.10% of the applied radioactivity of DIF was degraded to 14CO2 after 56 days in both studies with and without amendment of manure. Reasons for a low mineralization in soil can be a low degradability of the compounds in general or a poor accessibility for the microorganisms capable for their degradation. Non-extractable residues (NER) represented the main path of both antibiotics in soil. No differences in the extractability of SDZ and DIF from both soil fractions (soil free of roots or close to roots) and amendment of manure in the study with DIF could be observed. Thus, it is assumed that the roots had no measurable effects on the extractability of SDZ and DIF. Metabolites could only be found in the extracts from soil incubated with SDZ. In these extracts 4-OH-SDZ was identified with increasing amounts in the course of the experiments and amounted to 20% after 56 days. In the extracts of the studies with DIF, only DIF itself could be identified. Therefore DIF seems to be hardly metabolized in soil. For further investigations of the NER a humic fractionation was performed with the extracted soils. Using this method, the distribution of 14C derived from 14C-SDZ and 14C-DIF among the soluble fractions of fulvic acids (FA) and humic acids (HA) and insoluble fraction of humin and minerals could be studied. Additionally to the humic fractionation a particle size fractionation was performed with soils incubated with DIF and manure after ASE. Hereby, the distribution of non-extractable 14C residues among sand, silt and clay fractions was investigated. After 56 days of incubation around 37% and 17% were associated with the clay and silt fraction, respectively. No radioactivity was associated with the sand fraction at any time of the experiments. Due to a relative high recovery of 14C within the FA this fraction was subject to size exclusion chromatography (SEC-HPLC). All chromatograms obtained by SEC-HPLC exhibited the same pattern: one broad peak with lower retention time, representing molecules with a higher mass, and one narrow peak with a later retention time, representing molecules of lower masses. According to its shape and additional experiments with untreated FA spiked with SDZ and DIF, it was assumed that the smaller fraction consisted of free antibiotics or metabolites. Unfortunately, it was not possible to investigate the FA derived from soil treated with DIF. Whereas the two fractions of SEC from soils treated with SDZ could be isolated, processed and subjected to LC-MS/MS analysis. These analyses confirmed the hypothesis of free antibiotic present inside the fulvic acid fraction. After the first days of incubation almost total 14C associated with the small FA fraction was identified as SDZ and 4-OH-SDZ. In the course of the experiments these portions decreased, indicating a stronger sorption, binding or entrapment to or into the fulvic acids.

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