Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Verbringung menschlicher und tierischer F\u00e4kalien auf landwirtschaftlich genutzte B\u00f6den f\u00fchrt zu einer Akkumulation von Schadstoffen und pathogenen Mikroorganismen. Zu den Bodenschadstoffen mit \u00d6kotoxizit\u00e4t geh\u00f6ren auch Antiinfektiva und Schwermetalle. Insbesondere biogene Abf\u00e4lle aus dem Bereich veterin\u00e4rmedizinischer Kliniken enthalten pathogene Mikroorganismen, Antiinfektiva und verrottungsresistentes Einstreumaterial (Holzsp\u00e4ne). Im Rahmen der ersten Phase des Projektes sollten diese Abf\u00e4lle mittels der Terra Preta (TP)-Technologie dekontaminiert bzw. abgebaut werden, um daraus fruchtbare anthropogene Schwarzerden zu erzeugen. Durch Bepflanzen von TP-haltigen Pflanzparzellen mit Mais wird gepr\u00fcft, ob die Bodenfruchtbarkeit durch TP verbessert wird.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenLaborversuche:
\n1.1. Untersuchungen zur Dynamik der F\u00e4kalkeime und zum Fermentationsergebnis (Kurzkettige Fetts\u00e4uren, Milchs\u00e4ure, pH-Wert) in Beziehung zur Zusammensetzung der Fermentationsmatrix (mit Holzkohle, ohne Holzkohle, mit\/ohne Laktobazillenzusatz) bei 37 \u00b0C. Folgende mikrobiologische Parameter wurden kulturell untersucht: aerobe Gesamtkeimzahl, anaerobe Gesamtkeimzahl, Enterobakterienzahl, Laktobazillen, Clostridium perfringens, Clostridiengesamtzahl, Staphylokokken, Enterokokken, Hefen, Schw\u00e4r-zepilze (Aspergillus niger), Salmonellen, Listeria monocytogenes. Die Keimzahlen wurden parallel mittels Fluoreszenz-In situ-Hybridisierung ermittelt. Die Spezifizierung der kultivierten Bakterien erfolgte mittels MALDI-TOF. Das Fermentationsergebnis wurde durch Bestimmung des pH-Wertes mittels pH-Meter sowie durch Analyse der G\u00e4rs\u00e4uren mittels HPLC (BioCheck Leipzig) verifiziert 1.2. Untersuchungen zur Degradierung von pathogenen Bakterien, Viren, Parasitendauerstadien: In die unter 1.1. beschriebenen Matrices wurden Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, E. coli O157, Salmonella Anatum und Salmonella Senftenberg in einer Endkonzentration von ca. 106 KbE\/ml inokuliert und die Ans\u00e4tze nach 3, 7, 14 und 21 Tagen Fermentation auf lebende Erreger untersucht. Die Untersuchungen wurden quantitativ mittels kultureller Methoden durchgef\u00fchrt. ECBO-Viren wurden auf Keimtr\u00e4ger aufgetragen und in die Fermentationsmatrices verbracht. Die Untersuchungen der Keimtr\u00e4ger auf lebende Viren erfolgten im Institut f\u00fcr Virologie der Vet. med. Fakult\u00e4t auf Zellkulturen nach 3, 7, 14 und 21 Tagen Fermentation. Spulwurmeier wurden in einer Endkonzentration von rund 7800 Eier\/Gramm in die Matrices verbracht und nach 1, 2, 3 und 8 Wochen hinsichtlich ihrer F\u00e4higkeit zur Embryonierung untersucht. Die Untersuchungen wurden im Institut f\u00fcr Parasitologie der Vet. med Fakult\u00e4t durchgef\u00fchrt. 1.3. Untersuchungen zum Abbau von Antiinfektiva: Am Beispiel von Sulfadiazin wurde untersucht, ob TP zum Abbau in der Lage ist. Dazu wurden 10mg\/Kg Matrix eingewogen und mittels HPLC nach 7, 14, und 21 Tagen untersucht, ob ein Abbau oder Adsorption stattgefunden haben. Die Untersuchungen wurden am Institut f\u00fcr Toxikologie der TiHo Hannover durchgef\u00fchrt.
\nFelduntersuchungen:
\n2.1. Untersuchungen zur Dynamik der F\u00e4kalkeime, zum Fermentationsergebnis sowie zum Reifegrad der TP: Es wurden im ersten Ansatz 4 TP-Varianten mit 4 Wiederholungen in 60 l Maischf\u00e4ssern mit einem F\u00e4kalgehalt von 40% gemischt. Davon enthielt eine Variante keine Holzkohle und keine zus\u00e4tzlichen Laktobazillen. In einem zweiten Ansatz wurden 3 Varianten in 3 Wiederholungen mit 80% F\u00e4kalanteil hergestellt, von denen eine Variante keine zus\u00e4tzlichen Laktobazillen enthielt. Die Ans\u00e4tze wurden vier Wochen bei 27 \u00b0C fermentiert. Nach vier Wochen wurden die fermentierten Matrices in 1 m2 gro\u00dfe Parzellen ausgesch\u00fcttet. Vom Ansatz 1 wurden jeweils zwei gleiche Fassinhalte auf eine Parzelle verbracht, vom Ansatz 2 wurden 3 gleiche Fassinhalte auf eine Parzelle verbracht. Nach Neutralisierung des leicht sauren Materials mit CaOH-haltigem Gesteinsmehl wurden rund eine Woche nach der Ausbringung des Materials pro Parzelle 1.000 Kompostw\u00fcrmer eingesetzt. Vier Kontrollparzellen wurden mit und ohne Kompostw\u00fcrmer in die Untersuchungen einbezogen. Bakteriologische Untersuchungen, pH-Wertbestimmung und G\u00e4rs\u00e4urebestimmungen wurden vier Wochen Fermentationsbeginn wie unter 1.1. durchgef\u00fchrt. Der Reifegrad der TP wurde nach 10 Wochen Vererdung mittels elektronischer Nase und pH-Wertbestimmung ermittelt. 10 Wochen nach der Vererdung wurden in T\u00f6pfen vorgezogene Maispflanzen in die TP-Areale verpflanzt. Die Maispflanzen wurden in rund vier-Wochen-Abst\u00e4nden vermessen und nach 14 Wochen geerntet.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Laboruntersuchungen:
\nUnter Laborbedingungen konnten f\u00e4kale Klinikabf\u00e4lle erfolgreich von pathogenen Mikroorganismen dekontaminiert werden. Das galt auch nach sechs Wochen f\u00fcr Spulwurmeier. Von diesen Modelluntersuchungen konnten R\u00fcckschl\u00fcsse auf den Feldversuch und die praktische Anwendung gezogen werden. Anhand dieser Untersuchungsergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass mit der TP- Methode eine sichere, dezentrale Low-Tech-Hygienisierung stattfinden kann.
\n1.1. Durch die Fermentation sanken die aeroben Gesamtkeimzahlen, die Enterobakterien-, Staphylokokken- und Enterokokkenzahlen in den Fermentationsmatrices um rund drei Zehnerpotenzen. Die Clostridienkeimzahlen wurden aber nicht reduziert, blieben auf \u00e4hnlich niedrigem Niveau wie zum Zeitpunkt 0. Hefen und Schimmelpilze sanken um 1-2 Zehnerstufen. Auf Keimtr\u00e4gernin die fermentationsans\u00e4tze zugesetzte Viren (ECBO) wurden innerhalb von 14 Tagen und Gram-positive sowie Gram-negative pathogene Bakterien (L. monocytogenes, S. aureus sowie E. coli O:157, Salmonella Anatum, Salmonella. Senftenberg) innerhalb von 3 Tagen bis unter die Nachweisgrenze der Nachweismethode degradiert. Diese Degradierungen sind Folge der pH-Wert-Absenkungen durch Produktion von kurzkettiger Fetts\u00e4uren und Milchs\u00e4ure.
\n1.2. Zur TP-Matrix zugesetztes Sulfadiazin wird unmittelbar nach Zugabe in die Matrix bis auf 16 – 24 % der zugegebenen Menge absorbiert. Nach drei Wochen Fermentation liegt die nachweisbare Sulfadiazin-Menge bei 3,2 – 5 %. Vermutlich adsorbiert ein erheblicher Anteil unmittelbar an die Matrix.
\n1.3. Spulwurmeier waren nach 8 Wochen Fermentation nicht mehr zur Embryonierung f\u00e4hig. Damit steht eine Methode zur Verf\u00fcgung, die \u00e4u\u00dferst resistenten Spulwurmeier zu inaktivieren.
\n1.1.\t Die Kontrolle der Reifequalit\u00e4t der Terra Preta kann nach bisherigem Stand der Forschung nicht mit Hilfe der elektronischen Nase ermittelt werden. Viel besser eignet sich die menschliche Nase f\u00fcr die Beurteilung des Reifegrades. Es bieten sich hierf\u00fcr auch die pH-Messung sowie die bakteriologische Untersuchung einzelner Parameter an.
\nFelduntersuchungen:
\nDie f\u00e4kalen Abf\u00e4lle des Lehr- und Versuchsgut Oberholz konnten in \u00e4hnlicher Weise dekontaminiert werden wie in den Laboruntersuchungen. Die ermittelten bakteriologischen Parameter waren in beiden Untersuchungen sehr \u00e4hnlich. Kurzkettigen Fetts\u00e4ure- und Milchs\u00e4urekonzentrationen, die bei der Fermentation entstehen, ergaben Unterschiede in Zusammensetzung und Konzentration zum Laboransatz. Auch die pH-Wert-Absenkungen fielen nicht so stark aus. Die Ursache sehen wir in dem zu geringen Anteil fermentierenden Materials. Es wurden 12% Grassilage, 3,1% Quetschgerste und 1,1% S\u00e4gesp\u00e4ne als fermentierbares Substrat eingemischt. Dadurch war der Anteil an G\u00e4rs\u00e4uren gegen\u00fcber dem Laboransatz mit 23% leicht verdaulichen Kohlenhydraten wesentlich verringert, was sich auch an den h\u00f6heren pH-Werten (ca. 5, 4) zeigte. Trotzdem waren die Enterobacteriaceae bis unter die Nachweisgrenze degradiert. In den Fermentationsans\u00e4tzen war keine Reduktion von sporenbildenden Clostridien festzustellen. Eine Vermehrung konnte aber auch nicht festgestellt werden. W\u00e4hrend der Fermentation entstanden in F\u00e4ssern brennbare Gase, die mit Sicherheit auf Methan zur\u00fcckgingen. Interessant war hier, dass besonders in den F\u00e4ssern ohne zus\u00e4tzliche Laktobazillensubstitution die Gasbildung am st\u00e4rksten war. Unter praktischen Bedingungen k\u00f6nnte dieses gas als Energietr\u00e4ger genutzt werden. Unter Umst\u00e4nden k\u00f6nnte diese Energiequelle f\u00fcr die Erw\u00e4rmung von TP-Fl\u00e4chen in den Wintermonaten genutzt werden. Das vererdete TP-Material sorgte auf den Versuchsfeldern f\u00fcr eine st\u00e4rkere Diversit\u00e4t von Bo-denorganismen, eine erheblich bessere Wasseraufnahme und tendenziell f\u00fcr einen besseren Pflanzenwuchs. Weiter Untersuchung zur Bodenverbesserung sowie zu den Details der Hygienisierung sind sehr zu empfehlen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse unserer Arbeit wurden anl\u00e4sslich einer BDZ-Veranstaltung in Magdeburg (Juli 2010) vorgestellt.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Mit der hier genutzten milchsauren Fermentation ist es m\u00f6glich f\u00e4kale Abf\u00e4lle zu hygienisieren. Die dabei verwendete Methode ist mit einfachen Mitteln umsetzbar. Die entstehenden Matrices haben positive Effekte auf die Versuchsfelder.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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