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| << Zurück zur Startseite | | Nummer | 100054 | | Akronym | Stercus Terra | | Titel (deutsch) | Reduktion des Antibiotikaeintrages in landwirtschaftlich genützten Böden durch Biogasanlagen? | | Projektstart | 05.12.2006 | | AuftragnehmerIn | Umweltbundesamt | | WissenschaftlicheR ProjektleiterIn | DI Dr. Oliver Gans | | Finanzierungsstellen | Amt der Burgenländischen Landesregierung
Amt der Kärntner Landesregierung
Amt der Niederösterreichischen Landesregierung
Amt der Oberösterreichischen Landesregierung
Amt der Salzburger Landesregierung
Amt der Steiermärkischen Landesregierung
Amt der Tiroler Landesregierung
Amt der Vorarlberger Landesregierung
Amt der Wiener Landesregierung
Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft | | Zielstellung | Ziel dieses Projektes ist es, mögliche Reduktionen des Antibiotikaeintrages in landwirtschaftlich genützten Böden durch Biogasanlagen zu untersuchen. Dabei soll das Verhalten von Antibiotikawirkstoffen bei der Vergärung von Gülle untersucht werden bzw. wird überprüft, ob Antibiotika während des Vergärungsprozesses abgebaut werden, d.h. inwieweit die Biogastechnologie dazu beitragen könnte, ein Ausbringen dieser Wirk-stoffe in die Umwelt zu verhindern. Des weiteren gibt es, unserem derzeitigen Wissensstand zufolge, keine Untersuchungen darüber, inwieweit diese Wirkstoffe die Vergärungsleistung der Biogasanlagen stören können, beziehungsweise welche wirtschaftlichen Einbußen dies zur Folge hat. Optimale Lagerzeiten bei der Nachlagerung sollen durch Berechnung von Halbwertszeiten der untersuchten Wirkstoffe ermittelt werden. Die Auswirkungen auf von mit Gärrückständen gedüngten Böden werden durch den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen im Boden dargestellt. | | Wissenschaftszweig | NATURWISSENSCHAFTEN / Sonstige und interdisziplinäre Naturwissenschaften / Umweltforschung |
| Endbericht (Endfassung) (Abschlussbericht) | | Kurzfassung (deutsch) | Arzneimittelwirkstoffe, insbesondere Antibiotika, werden in der Nutztierhaltung in beachtenswerten Mengen verwendet und finden sich in Wirtschaftsdüngern (Gülle, Jauche, Festmist etc.) wieder. Werden die Wirtschaftsdünger auf den Boden auf-gebracht, können sich diese Substanzen im Boden anreichern. Wirtschaftsdünger werden auch oft in Biogasanlagen eingesetzt, um das bei der Vergärung entste-hende Methangas zur Energiegewinnung zu nutzen. In der vorliegenden Studie wurde das Verhalten von Antibiotika (Tetracycline, Sulfonamide und Fluorchinolone) in Biogasanlagen und deren Auswirkungen auf den Fermentati-onsprozess sowie auf Böden, die mit Gärrückstand gedüngt wurden, untersucht. Es wurde geprüft, ob Antibiotika während des Vergärungsprozesses abgebaut werden, d. h. inwieweit die Biogastechnologie dazu beitragen könnte, ein Ausbrin-gen dieser Wirkstoffe in die Umwelt zu verhindern.
In der vorliegenden Studie wurden sowohl Schweinegülle als Inputmaterial als auch Gärrückstände auf ihren Gehalt an ausgewählten Antibiotika bestimmt. Maxima von 770 mg kg-1 bzw. 24 mg kg-1 TS Oxytetracyclin wurden in Schweinegülle bzw. in Gärrückständen nachgewiesen. Die Konzentrationen von Enrofloxacin waren bei diesen Proben um zumindest einen 10er Faktor geringer.
Bei Laborversuchen mit den Antibiotika Chlortetracyclin und Enrofloxacin wurde gezeigt, dass bei beiden Antibiotika ab einer Konzentration von 100 mg kg-1 TS der spezifische Biogas- und Methanertrag signifikant abnimmt und zu einer 25–40%igen Reduktion des Methanertrages führt. Aufgrund der Laborergebnisse er-scheint es wahrscheinlich, dass Einbußen an Methangas vermutlich schon ab einer Konzentration von 40 mg kg-1 TS zu erwarten sind.
Bei einer untersuchten Biogasanlage (Anlage C) waren die Oxytetracyclin-Konzentrationen so hoch, dass auch hier angenommen werden kann, dass dadurch der Biogasprozess gestört war und die Methangasausbeute verringert wurde.
Die Ergebnisse in Bezug auf das Abbauverhalten von Tetracyclinen unter anaero-ben Bedingungen waren zum Teil widersprüchlich. Ein erster Laborversuch ließ vermuten, dass kein Abbau bei der Nachgärung stattfindet. Im Gegensatz dazu zeigte sich beim zweiten Laborversuch ein deutlicher Abbau von etwa 50 % inner-halb von 3 Tagen während der Fermentation, ein weiterer Abbau konnte jedoch nicht beobachtet werden. Auch bei den Feldversuchen wurde in einem Fall ein Ab-bau festgestellt, in einer anderen Anlage jedoch konnte keine Reduktion beobach-tet werden.
Enrofloxacin zeigte sich bei beiden Laborversuchen als persistent in der Fermenta-tionsphase: In beiden Versuchen wurden die eingesetzten Mengen wiedergefun-den. Hingegen konnte ein Abbau in der Nachgärung festgestellt werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde eine Halbwertszeit für Enrofloxacin im Nachklärbecken errechnet. Sie beträgt etwa 120 Tage.
Es zeigte sich auch, dass Enrofloxacin persistent sein muss, da auch geringe Konzentrationen im Gärrückstand zu geringen, aber nachweisbaren Konzentrationen im Boden geführt haben. Bei hohen Belastungen an Enrofloxacin in Biogasanlagen ist somit eine möglichst lange Nachgärphase von über 100 Tagen zu empfehlen.
In weiterer Folge konnte gezeigt werden, dass bei Verwendung des Gärrückstandes als Dünger und bei entsprechender Kontamination die Böden mit den Wirkstoffen belastet waren. Oxytetracyclin konnte in Konzentrationen bis 0,12 mg kg-1 TS, Enrofloxacin bis 0,0057 mg kg-1 TS in Böden bestimmt werden.
Die mikrobiellen Untersuchungen zeigten im Wesentlichen keine Veränderungen innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft. Lediglich bei sehr hohen Konzentrationen (> 8.000 mg kg-1 TS) konnte eine leicht veränderte Biodiversität festgestellt werden.
Aus den Ergebnissen können daher folgende Schlussfolgerungen gezogen wer-den:
• Der Einsatz von Verterinärsantibiotika sollte z.B. durch Verbesserung der Haltungsbedingungen soweit wie möglich minimiert werden.
• Im Falle eines erheblichen Antibiotikaeinsatzes im Tierbestand, z.B. bei Bestandsbehandlungen im Tierbestand, sollte der Wirtschaftsdünger (Gül-le, Jauche, Festmist) zur Vermeidung von Einbußen im Gasertrag nicht zur Vergärung in die Biogasanlage gelangen.
• Bei Verwendung von Wirtschaftsdünger als Inputmaterial sollten auch an-dere Inputmaterialien eingesetzt werden, um die Konzentrationen an Antibiotikawirkstoffen zu verdünnen.
• Der Gärrückstand sollte für längere Zeit (idealerweise > 100 Tage) gelagert werden, um den Eintrag von Arzneimittelstoffen in Böden zu minimieren.
| | Kurzfassung (englisch) | By the end of the 1990s growing concern emerged about the occurrence and fate of pharmaceuticals in environmental compartments, a concern which has been growing steadily since then. Pharmaceuticals, especially antibiotics, are used in high quantities in veterinary medicine. After their application pharmaceuticals may be adsorbed and partially metabolised before they are excreted by urine or faeces, either unaltered or as metabolites. Residues of antibiotics used in animal husbandry enter the environment either directly through the spreading of manure or after collection and storage in the form of sludge. Applied to farmlands, the active ingredients reach the upper soil layer, where they either accumulate or are rinsed off into surface waters, or they may leach to groundwater where they can impact both human and environmental health.
Biogas typically refers to a (bio fuel) gas produced by the anaerobic digestion or fermentation of organic matter including manure, separate organic residues, biode-gradable waste or any other biodegradable feedstock, under anaerobic conditions. Besides methane, liquid digestate is produced as a by-product that is rich in nutri-ents and can be an excellent fertiliser, depending on the quality of the material be-ing digested. If the digested materials contain levels of toxic pollutants, these might be present in the fertiliser.
In the present study the behaviour of antibiotics in biogas plants has been investi-gated, as well as their effects on the fermentation process. It was examined whether antibiotics were degraded during the fermentation process, i.e. to which extent biogas technology helped to prevent the spreading of these substances into the environment. Moreover, it was studied whether there were any effects when contaminated digestate was used as fertiliser.
The concentration levels of selected antibiotics were determined in swine manure as input material, as well as liquid digestates. Maximum levels of 770 mg kg-1 and 24 mg kg-1 d.w. oxytetracycline were detected in pig manure and in digestate, re-spectively. Enrofloxcacine was found in amounts which were smaller by at least a factor of 10.
Chlortetracycline and enrofloxacine are relevant veterinary antibiotics and were se-lected for laboratory experiments because of their proven persistence in the envi-ronment. It was shown that both antibiotics had significant effects on the fermentation process at a concentration of 100 mg kg-1 d.w., namely that specific biogas and methane production decreased, leading to a 25 to 40% reduction. Even at the lowest tested concentration of 40 mg kg-1 reductions of methane production can be expected. However, the standard deviation was still too high for a statistically significant difference.
In one of the biogas plants investigated high concentration levels of oxytetracycline were determined in the input materials (swine manure), which exceeded the above mentioned levels. One can thus assume that the biogas process was affected and methane gas production decreased.
It was shown that soils fertilised with digestate were contaminated with the selected compounds. Especially oxytetracycline could be detected at concentrations up to 0.12 mg kg-1 d.w. Enrofloxacine was also measured in the soils, although with lower concentrations ranging from 0.0033 to 0.0057 mg kg-1 d.w.
The degradation behaviour of the selected antibiotics, especially tetracyclines and enrofloxacin, was investigated under anaerobic conditions. The results for tetracy-cline were, however, to some extent contradictory. It could not be established to what extent degradation of tetracyclines occurred during the fermentation process and later storage in tanks.
Enrofloxacine was found to be persistent by anaerobic digestion. The calculated half live of enrofloxacine was beyond 100 days. Hence, enrofloxacine could also be detected in the investigated soils. For high loads of enrofloxacine in biogas digestates, a storage time of the digestate of more than 100 days is recommended.
| | Berichtsdokumente/Anlagen | | BerichtsautorInnen: Oliver Gans, Erwin Pfundtner, Christoph Winckler, Alexander Bauer |  Antibiotika in Biogasanlagen (1269,26 kB) |
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