Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Antibiotika werden in betr\u00e4chtlicher Menge in der Veterin\u00e4rmedizin eingesetzt (733 t im Jahr 2017). Ein Gro\u00dfteil der Verbindungen wird vom Tier \u00fcber G\u00fclle und Faeces wieder ausgeschieden. Durch die Verwendung von G\u00fclle als Wirtschaftsd\u00fcnger gelangen diese Substanzen im Tonnenma\u00dfstab in die Umwelt. M\u00f6gliche Folgen, wie die Ausbildung von Resistenzen oder die Auswaschung der Substanzen ins Grundwasser, sind bislang nicht vollst\u00e4ndig erforscht. G\u00fclle wird auch als Substrat in Biogasanlagen eingesetzt. \u00dcber das Verhalten von Antibiotika im anaeroben Fermentationsprozess liegen bisher nur vereinzelte Informationen vor. Im Rahmen des Projektes sollte das Eliminierungsverhalten von Antibiotika im Prozess der Biogasanlage untersucht werden. Ziel war eine Prozessoptimierung hinsichtlich einer hohen Antibiotikaeliminierung ohne Beeintr\u00e4chtigung der Biogasausbeute.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAnhand von semi-kontinuierlichen Fermenterstudien wurde im Laborma\u00dfstab eine Biogasanlage simuliert (Studien durchgef\u00fchrt am LHL-Standort in Bad Hersfeld). Durch den Zusatz von mit Antibiotika dotierter G\u00fclle wurde untersucht, in welchem Umfang der anaerobe Prozess eine Antibiotikaeliminierung bewirken kann. Dar\u00fcber hinaus wurden Parameter des Fermentationsprozesses variiert (vorgeschaltete saure Hydrolyse, Zusatz von Enzymen, Temperatur). Bislang wurden derartige Prozessvariationen nur im Hinblick auf die Biogasausbeute vorgenommen. Hier sollte als weiterer Aspekt die Antibiotika-eliminierung mit eingebunden werden. Anhand von in vitro Experimenten wurden die f\u00fcr die Eliminierung entscheidenden Faktoren (pH-Wert, Temperatur, Sorption u.a.) ermittelt. In dem Zusammenhang wurden f\u00fcr die Tetracycline Eliminierungsprodukte identifiziert und hinsichtlich ihrer antibiotischen Aktivit\u00e4t untersucht. F\u00fcr die Sulfonamide wurden durch den Einsatz von Standardsubstanzen die relevanten Strukturelemente f\u00fcr die Eliminierung erforscht und ein m\u00f6glicher Mechanismus abgeleitet. Mittels Sorptionsstudien wurde die Reversibilit\u00e4t dieser Eliminierung untersucht.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
In den semi-kontinuierlichen Fermenterstudien wurden verschiedene Prozessparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Biogasproduktion und die Antibiotikaeliminierung untersucht. Ein positiver Einfluss auf die Methanausbeute wurde nur unter thermophilen Bedingungen in Kombination mit einer vorgeschalteten sauren Hydrolyse ermittelt. Die anderen getesteten Varianten unterschieden sich nicht voneinander. Bei den Versuchen mit Enzymzusatz wurde eine verringerte Viskosit\u00e4t des Fermenter-inhalts festgestellt. Dies k\u00f6nnte zu einer Einsparung von Energiekosten f\u00fcr den Anlagenbetreiber f\u00fchren. Hinsichtlich der Antibiotikaeliminierung zeigten sich einige Unterschiede zu den in vitro Studien in Reinstwasser. Sulfonamide erreichten Eliminierungsraten zwischen 26 und 63%. Aufgrund der festgestellten chemischen Stabilit\u00e4t wurde hier eine Eliminierung durch Sorptionsprozesse vermutet. Daf\u00fcr sprach auch der Einfluss der zugesetzten Menge und der Beschaffenheit der Maissilage. Der Zusatz von Hydrolysat f\u00fchrte unter mesophilen Bedingungen zu niedrigeren Eliminierungsraten. Die Tetracycline zeigten in der Fermentermatrix eine gr\u00f6\u00dfere Stabilit\u00e4t als in den feststofffreien w\u00e4ssrigen L\u00f6sungen. Der Einfluss der Temperatur fiel weniger deutlich aus als in den in vitro Studien. Auch hier konnte ein Einfluss der Beschaffenheit der Maissilage festgestellt werden mit niedrigeren Eliminierungsraten bei Hydrolysatzusatz. Dies weist ebenfalls auf die Bedeutung von Sorptionsprozessen f\u00fcr die Eliminierung von Tetracyclinen im Rahmen der anaeroben Fermentation hin. Keine der untersuchten Fermentationsbedingungen f\u00fchrte zu einer vollst\u00e4ndigen Eliminierung der Antibiotika.
\nAufgrund der Eliminierung der Tetracycline in w\u00e4ssriger L\u00f6sung wurde die Bildung von Transformationsprodukten untersucht. F\u00fcr Tetracyclin konnte ein Transformationsprodukt (seco-Cyclin A) identifiziert werden. Die Bildung der Verbindung wurde durch Phosphat gef\u00f6rdert und durch die Anwesenheit zweiwertiger Kationen gehemmt. Das Produkt konnte ebenfalls in Fermenterproben nachgewiesen werden, die Transformation findet somit auch in komplexen Matrices statt. Allerdings lagen die detektierten Gehalte im einstelligen \u03bcg kg-1 Bereich (<1% des Tetracyclin-Gehaltes). Stabilit\u00e4tsuntersuchungen in G\u00fcllematrix konnten zeigen, dass das Transformationsprodukt selbst einer Eliminierung unterliegt. Der genaue Beitrag dieser Verbindung zur Eliminierung von Tetracyclin kann deswegen nicht abgesch\u00e4tzt werden. F\u00fcr Chlortetracyclin konnten zwei dem seco-Cyclin A \u00e4hnliche Verbindungen neu identifiziert werden. Aufgrund der strukturellen Ver\u00e4nderungen im Molek\u00fcl kam es zu einer deutlichen Abnahme der antibiotischen Aktivit\u00e4t der Transformationsprodukte. F\u00fcr Konzentrationen bis 500 mg L-1 konnte keine Hemmung des Testkeims festgestellt werden.\nSowohl Sulfonamide als auch Tetracycline zeigten in Pufferl\u00f6sung bei Zusatz von Maissilage im Laufe der Inkubation eine Eliminierung, die bei den Sulfonamiden st\u00e4rker ausgepr\u00e4gt war als bei den Tetracyclinen. Da in w\u00e4ssriger, feststofffreier L\u00f6sung keine Eliminierung der Sulfonamide festgestellt worden war, wurden Sorptionsprozesse als Ursache angesehen. Anhand von Sorptionsstudien in Fermentermatrix wurde ein Zusammenhang zwischen der Eliminierungsrate und der zugesetzten Menge der Maissilage festgestellt. Eine vorherige Behandlung der Maissilage durch S\u00e4ure f\u00fchrte zu einer Abnahme der Eliminierungsrate. Dies entspricht den Beobachtungen in den semi-kontinuierlichen Fermenterstudien. Durch die Inkubation mit verschiedenen Standardsubstanzen in Reinstwasser konnten Lignin und Humins\u00e4uren als relevante Verbindungen f\u00fcr die Eliminierung identifiziert werden. Studien mit der Modellverbindung 2,6-Dimethoxyphenol in Gegenwart von Kieselgel als Tr\u00e4germatrix wiesen auf die Ausbildung einer kovalenten Bindung zwischen Sulfonamiden und dem Phenol hin. Dies spricht f\u00fcr eine Eliminierung der Verbindungen durch eine Chemisorption. Die Eliminierung von Tetracyclinen erfolgte unabh\u00e4ngig von der Modellverbindung, so dass f\u00fcr diese Substanzen andere\nEliminierungsprozesse relevant sein m\u00fcssen. In der Literatur werden hierzu Prozesse wie zum Beispiel die Ausbildung von Wasserstoffbr\u00fcckenbindungen genannt.\nSorptionsprozesse k\u00f6nnen prinzipiell reversibel sein. Um zu \u00fcberpr\u00fcfen, inwiefern die Sorptionsprozesse in der G\u00fcllematrix umkehrbar sind, wurde mit Antibiotika dotierte G\u00fclle mit Maissilage inkubiert. In regelm\u00e4\u00dfigen Abst\u00e4nden wurde die Fl\u00fcssigphase mit antibiotikafreier G\u00fclle ausgetauscht. Vor allem bei den Tetracyclinen konnte ein \u00dcbergang der Verbindungen aus der Festphase in die Fl\u00fcssigphase beobachtet werden. F\u00fcr Sulfonamide deuten die Ergebnisse auf einen \u00e4hnlichen Zusammenhang hin. Die in den Fermenterstudien beobachtete Eliminierung der Verbindungen durch Sorption muss vor diesem Hintergrund kritisch betrachtet werden, da die Substanzen potentiell wieder freigesetzt werden k\u00f6nnen.\n\n\n\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation\n\nDie Ergebnisse dieses Projekts wurden wie folgt pr\u00e4sentiert\n\uf0b7 Poster auf dem Deutschen Lebensmittelchemiker Tag, September 2015 (Karlsruhe, D)\n\uf0b7 Vortrag auf der EuroResidue Conference, Mai 2016 (Egmond aan Zee, NL)\n\uf0b7 Poster auf dem Deutschen Lebensmittelchemiker Tag, September 2016 (Freising, D)\n\uf0b7 Vortrag beim Infotag \u201eTierarzneimittelr\u00fcckst\u00e4nde in Lebensmitteln\u201c, Oktober 2017 (Gie\u00dfen, D)\n\uf0b7 Poster auf der Green Pharmacy Conference 2017 (Utrecht, NL)\nEine Publikation, die sich mit dem Vorkommen und dem Verbleib von Antibiotika in G\u00fclle besch\u00e4ftigt, ist im Journal Sustainable Chemistry and Pharmacy erschienen (\u201eOccurrence and fate of antibiotics in manure during manure treatments: A short review\u201c https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.scp.2018.06.004).\nWeitere Publikationen sind f\u00fcr die Ergebnisse der Fermenterstudien, der Strukturaufkl\u00e4rung der Transformationsprodukte sowie der Sorptions-\/Desorptionsversuche vorgesehen.\n\n\n\nFazit\n\nAnhand verschiedener Studien konnte Sorption als zentraler Eliminierungsweg f\u00fcr Sulfonamide und Tetracycline in G\u00fclle- und Fermentermatrix identifiziert werden. Im Vergleich zu rein w\u00e4ssrigen L\u00f6sungen, \u00fcben Bestandteile der G\u00fcllematrix einen stabilisierenden Effekt auf die Substanzen aus. Dadurch war es in den entsprechenden Versuchen nicht m\u00f6glich durch den Zusatz eines Sorptionsmaterials die Antibiotika aus der G\u00fclle vollst\u00e4ndig zu entfernen. Dar\u00fcber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Sorptionsprozesse (teilweise) reversibel sind. Aus diesem Grund ist langfristig mit einer erneuten Freisetzung der Verbindungen aus der Matrix zu rechnen, was Untersuchungen von Grundwasserproben unter landwirtschaftlichen Nutzfl\u00e4chen bereits heute zeigen. Konkrete Handlungsempfehlungen zur Verminderung der Antibiotikabelastung von Wirtschaftsd\u00fcngern k\u00f6nnen nicht gegeben werden. Das Ziel muss es deswegen sein, die Anwesenheit von Antibiotika in der G\u00fclle durch einen reduzierten Einsatz in der Veterin\u00e4rmedizin zu minimieren.\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Antibiotika werden in betr\u00e4chtlicher Menge in der Veterin\u00e4rmedizin eingesetzt (733 t im Jahr 2017). Ein Gro\u00dfteil der Verbindungen wird vom Tier \u00fcber G\u00fclle und Faeces wieder ausgeschieden. Durch die Verwendung von G\u00fclle als Wirtschaftsd\u00fcnger gelangen diese Substanzen im Tonnenma\u00dfstab in die Umwelt. M\u00f6gliche Folgen, wie die Ausbildung von Resistenzen oder […]<\/p>\n","protected":false},"author":0,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[62,47,2422,52,53],"class_list":["post-26403","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-hessen","tag-klimaschutz","tag-landnutzung","tag-umweltforschung","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"31812\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"","dbu_projektdatenbank_bsumme":"343.795,00","dbu_projektdatenbank_firma":"Justus-Liebig-Universit\u00e4t Gie\u00dfen (JLU)\nFachbereich Biologie und Chemie\nInstitut f\u00fcr Lebensmittelchemie und\nLebensmittelbiotechnologie","dbu_projektdatenbank_strasse":"Heinrich-Buff-Ring 17","dbu_projektdatenbank_plz_str":"35392","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Gie\u00dfen","dbu_projektdatenbank_p_von":"2015-04-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2018-09-30 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"3 Jahre und 6 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"+49 6 41 9 93 49 53","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Hessen","dbu_projektdatenbank_foerderber":"121","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"DBU-Abschlussbericht-AZ-31812-01.pdf","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/26403","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/26403\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":43283,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/26403\/revisions\/43283"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=26403"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=26403"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=26403"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}