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Environmental risks from mixtures of antibiotic pharmaceuticals in soils
(2019) Thiele-Bruhn, Sören; Universität Trier. Fachbereich 6; Deutschland. Umweltbundesamt; Konradi, Sabine; Vogel, Ines
Environmental risks from mixtures of antibiotic pharmaceuticals in soils - a literature review
(2019) Thiele-Bruhn, Sören; Universität Trier. Fachbereich 6; Konradi, Sabine; Vogel, Ines
Zu der Thematik "Umweltrisiken für Böden aufgrund der Belastung mit Antibiotikagemischen" wurde eine Literaturstudie durchgeführt. Die generelle Zielsetzung war dabei Antibiotika zu identifizieren, die üblicherweise in der Veterinär- und Humanmedizin angewendet werden, Berichte über Gemische und Rückstandsgehalte von Antibiotika in Böden und organischen Abfallsubstraten, die wie z.B. Gülle als Dünger verwendet werden, auszuwerten, und Informationen zu bündeln, welche Effekte der Mischungstoxizität dies für Böden bzw. Boden(mikro)organismen bedeutet, und nicht zuletzt wesentliche Wissenslücken aufzudecken, um auf dieser Basis Schritte für weitere Forschung und Regulation vorzuschlagen. Antibiotika werden weltweit in großem Umfang und weiter zunehmend in der Human und Tiermedizin angewendet. Es ist bekannt, dass viele landwirtschaftlich genutzte Böden mit Antibiotika kontaminiert sind. Darüber hinaus muss davon ausgegangen werden, dass Böden nicht nur durch eine antibiotische Substanz, sondern durch Gemische von Antibiotikawirkstoffen kontaminiert sind. Dies ist von wesentlicher Bedeutung für die Umweltrelevanz, da die Ökotoxizität von Pharmazeutikagemischen typischerweise größer ist als von Einzelsubstanzen. Belastungen durch Stoffgemische entstehen unter anderem durch die Anwendung von Kombinationen verschiedener Antibiotika bzw. von Gemischen von Antibiotika mit anderen, synergistisch wirkenden Substanzen. Die Verwendung von Antibiotikagemischen nimmt in der Human- wie auch Veterinärmedizin stetig zu, wodurch sogar alte, früher aussortierte Wirkstoffe wieder verwendet werden. Zu den Effekten verschiedener Antibiotikagemische liegt eine breite Wissensbasis in der medizinischen und pharmazeutischen Literatur vor. Dagegen ist der Wissenstand über Antibiotika in der Umwelt deutlich geringer. Belastungen durch Antibiotikagemische in der Umwelt ergeben sich außer (i) durch die Anwendung von Kombinationspräparaten auch durch (ii) die Medikation unterschiedlicher Tierarten und Altersgruppen mit unterschiedlichen Antibiotika und anschließender Sammlung aller Exkremente in einem Gülletank sowie (iii) durch die nachfolgende, wiederholte Applikation kontaminierter Exkremente wie Gülle oder Klärschlamm auf landwirtschaftliche Flächen. So ergeben sich Belastungen von organischen Abfallsubstraten mit Gemischen von bis zu 20 oder mehr antibiotischen Einzelsubstanzen. Böden, die mit diesen Substraten gedüngt werden, weisen Gemische verschiedener, pharmazeutischer Antibiotika auf. Dies bestätigen Monitoringergebnisse mit bis zu 13 verschiedenen Antibiotika, die in Böden nachgewiesen wurden. Das vorliegende Wissen über Schadwirkungen von Antibiotika auf Bodenorganismen ist weitgehend auf Studien über Einzelsubstanzen beschränkt. Diese zeigen eindeutige, dosis-abhängige, schädliche Wirkungen von Antibiotika z.B. auf die mikrobielle Biomasse in Böden, die strukturelle Diversität mikrobieller Gemeinschaften und mikrobielle Funktionen in Böden. Zudem wurden in belasteten Böden zahlreiche Resistenzgene mit deutlich und signifikant erhöhter Abundanz nachgewiesen. Synergistische Kombinationen von Antibiotika können darüber hinaus zu einer noch verstärkten und schnelleren Resistenzbildung führen. Dies ist nicht nur für Antibiotikagemische, sondern auch für Gemische von Antibiotika mit anderen Substanzen festzustellen; im landwirtschaftlichen Kontext sind hier insbesondere Kupfer und Zink zu nennen. Die Effekte von Antibiotikagemischen können durch unterschiedliche Einflussfaktoren erheblich verändert werden. Dies sind unter anderem der untersuchte Endpunkt, die Konzentrationen der im Gemisch enthaltenen Substanzen, die Zeitabhängigkeit der antibiotischen Wirkung, wie auch Nährstoffe und Nährsubstrate im Boden. Außerdem be-stehen Wechselwirkungen zu allen anderen äußeren Randbedingungen, die die Fitness der Mikroorganismen beeinflussen, wie z.B. Hitze oder Frost. Auch der Verbleib und das chemische Verhalten von Antibiotika werden in Böden in Gegenwart von Schadstoffgemischen verändert. Hier ist insbesondere die Sorptionskonkurrenz zwischen unterschiedlichen Antibiotika zu nennen. Die dargelegten Erkenntnisse sollten nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Wissensstand über die verschiedenen Teilaspekte der Thematik meist noch sehr unvollständig ist. Daher ist zielgerichtete, systematische Forschung notwendig, um weitere Informationen zu erhalten. Dazu werden drei aufeinander aufbauende Forschungsprojekte vorgeschlagen, die darauf zielen, das Systemverständnis über Schadstoffgemische in Böden zu verbessern. Diese Projekte werden idealerweise mit wissenschaftlichen Workshops kombiniert. Nicht zuletzt sollten diese Forschungsaktivitäten dazu führen bzw. dadurch begleitet werden, dass regulatorische Maßnahmen getroffen werden, die darauf abzielen, den Einsatz und die planvolle Handhabung von Antibiotika zu verbessern. Quelle: Forschungsbericht
Screening-Methoden zum kostengünstigen Nachweis einer Versorgung mit organischer Substanz auf Ackerböden und Grünland
(Umweltbundesamt, 2020) Ortner, Malte; Thiele-Bruhn, Sören; Seidel, Michael; Universität Trier. Abt.Bodenkunde; Universität Leipzig. Institut für Geographie; Deutschland. Umweltbundesamt; Marx, Marc
Die organische Bodensubstanz (OBS) steuert maßgeblich die Ökosystemleistungen von Böden. Die Untersuchung der Gehalte, Vorräte und Qualität von organischem Kohlenstoff (Corg) in Böden und von Bodenparametern, die zur OBS-Stabilisierung beitragen, ist daher fundamental und Aufgabe z.B. der Bodendauerbeobachtung. Spektroskopische Methoden, v.a. Verfahren im Bereich der sichtbaren Wellenlängen (Vis), des Nahen Infrarot (NIR) und des Mittleren Infrarot (MIR), bieten sich als Alternative zu chemischen Verfahren der Bodenanalyse an. Vorteile der Bodenspektroskopie sind die schnelle Durchführbarkeit und Reproduzierbarkeit von Messungen, ein geringer Aufwand in der Probenaufbereitung und die Abschätzung mehrerer Zielgrößen in einer Messung. So resultieren v.a. bei großen Probenzahlen Kostenvorteile, nicht zuletzt durch die Möglichkeit digitale Archive anzulegen. Ziel dieser Studie war es, die Eignung spektroskopischer Verfahren im Vergleich zu labor-analytischen Methoden zu testen. Parallel zu einer ausführlichen Literaturstudie wurden in einer Gelände- und Laborstudie Oberböden unterschiedlichen Stoffbestands (150 Acker- und 50 Grünlandstandorte) in vier Teilgebieten unterschiedlicher geologischer Ausgangssubstrate der Bodenbildung untersucht. Corg-Gehalte und OBS-Fraktionen unterschiedlicher Stabilität wurden mittels Spektroskopie sehr gut erfasst; z.B. lag die Detektionsschwelle auf der Feldskala mit kombinierten VisNIR-MIR- Geländemessungen bei 0,15 - 0,29% Corg. Insbesondere mit MIR-Daten oder auch kombinierten VisNIR-MIR-Daten wurden insgesamt - auch im Gelände auf der Regionalskala - die besten Ergebnisse erzielt. Die Bestimmung langfristiger Trends der Entwicklung des Corg-Gehaltes erscheint somit möglich. Die direkte Schätzung der Corg-Vorräte fiel deutlich ungenauer aus. Heterogene Stoffverteilungen wurden auf der Feldskala gut erfasst. Die dafür entwickelten Schätzmodelle konnten auch auf Basis externer Spektralbibliotheken erfolgreich kalibriert werden. Der Einsatz der Bodenspektroskopie synergistisch zu den 'klassischen' laboranalytischen Methoden kann empfohlen werden, insbesondere die Anwendung der MIR-Spektroskopie und die Auswertung der spektroskopischen Daten setzen jedoch Expertenwissen voraus. Es werden Handlungsempfehlungen für die Nutzung spektroskopischer Methoden zum zeitlich und räumlich hochaufgelösten, langfristigen Monitoring (bzw. zur Dauerbeobachtung) relevanter Bodenkenngrößen gegeben. Quelle: Forschungsbericht