56/2014 Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden in G¼lle

TEXTE

562014

Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle -Eine Literaturstudie-

TEXTE 562014

MASTERARBEIT

Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle

-Eine Literaturstudie-

von

Lisa Schwarz

Umweltbundesamtes

Impressum

Herausgeber Umweltbundesamt Woumlrlitzer Platz 1 06844 Dessau-Roszliglau Tel +49 340-2103-0 Fax +49 340-2103-2285 infoumweltbundesamtde Internet wwwumweltbundesamtde

umweltbundesamtde umweltbundesamt

Durchfuumlhrung der Studie Institut fuumlr Bodenkunde und Bodenerhaltung IFZ Universitaumlt Giessen Heinrich Buff-Ring 26-32 35392 Gieszligen

Abschlussdatum Maumlrz 2014

Publikationen als pdf httpwwwumweltbundesamtdepublikationentransformation-von-tierarzneimitteln-bioziden-in

ISSN 1862-4804

Dessau-Roszliglau Juli 2014

Die Masterarbeit wurde betreut von Rolf Duumlring und Manuel Wohde Institut fuumlr Bodenkunde und Bodenerhaltung IFZ Universitaumlt Giessen

Die in der Studie geaumluszligerten Ansichten und Meinungen muumlssen nicht mit denen des Herausgebers uumlbereinstimmen

3

Inhaltsverzeichnis

I Abbildungsverzeichnis 5 II Tabellenverzeichnis 8 III Abkuumlrzungsverzeichnis 9 1 Vorwort 12 2 Einleitung 13

3 Tierarzneimittel und Biozide in Guumllle 14

31 Tierarzneimittel 14 311 Antibiotika 16 312 Substanzgruppe Tetracycline 19 313 Substanzgruppe Sulfonamide 25 32 Biozide 27 321 Desinfektionsmittel 29 33 Eintrag von Tierarzneimitteln und Bioziden in die Umwelt 30 34 Verbleib in Guumllle und Umwelt 33 35 Transformationsprozesse von Stoffen in der Umwelt 37 4 Methode der Recherche 38 41 Erstellung einer Literaturdatenbank 38 42 Erstellung einer Datenbank der ausgewerteten Texte (Datenerhebung) 41 5 Auswertung der ausgewaumlhlten Transformationsstudien 42 51 Welche Tierarzneimittel und Biozide wurden untersucht 42 52 Methoden und Analyseverfahren 44 53 Abbau und Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden 51 531 Einflussfaktoren 51 532 Analyse ohne radioaktive Markierung 57 533 Analyse mit radioaktiver Markierung 67

4

54 Biogas 73 6 Landwirtschaftliche Rahmenbedingungen 76 7 Abschlieszligende Disskusion 84 71 Diskussion der Literaturrecherche 84 72 Diskussion der vorgestellten Studien 88 8 Zusammenfassung 92

9 Abstract 94

10 Danksagung 95

11 Literaturverzeichnis 95

5

I Abbildungsverzeichnis

Abb1 Struktureller Aufbau der Antibiotikasubstanzklassen 17

Abb2 Struktur von Tetracyclin-Wirkstoffen 20

Abb3 Epimerisierung von Chlortetracyclin in schwach saurer Loumlsung 21

Abb4 Isomerisierung von Chlortetracyclin im alkalischen Milieu 22

Abb5 Keto-Enol-Tautomerie von Chlortetracyclin 23

Abb6 Dehydratisierung von Chlortetracyclin in stark saurem Medium 24

Abb7 Gesamtuumlbersicht der Reaktionen von Chlortetracyclin 25

Abb8 Struktur von Sulfonamidwirkstoffen 26

Abb9 Ansatzpunkte des Sulfonamid-Metabolismus 27

Abb10 Sulfamethazin - N4-acetylierter Metabolit 27

Abb11 Strukturformel von Benzalkoniumchlorid 29

Abb12 Strukturformel von Didecyldimethylammoniumchlorid 30

Abb13 Chemische Struktur und physikalisch-chemische Eigenschaften von Imazalil und Cyanamid 30

Abb14 Moumlgliche Eintragspfade fuumlr Tierarzneimittel in die Umwelt 31

Abb15 Benutzeroberflaumlche des Literaturverwaltungsprogramms CITAVI 40

Abb16 Darstellung der Arbeitsschritte 41

Abb17 Batch-System 47

Abb18 Flow-Through-System 48

Abb19 Flow-Through- Versuchsaufbau 49

Abb20 Aufbau eines Triple-Quadrupol gekoppelt mit HPLC 50

6

Abb21 Konzentration von geloumlsten und extrahierbaren Ruumlckstaumlnden in Guumllle 58

Abb22 Konzentrationsverlauf von OTC EOTC α-apo-OTC und β-apo-OTC in Rinderguumllle 59

Abb23 Konzentrationen der geloumlsten und Puffer-extrahierbaren Ruumlckstaumlnde von CTC ECTC und ICTC 60

Abb24 Konzentrationsverlauf von CTC und ICTC bei 22degC 38degC und 55degC 61

Abb25 Transformation von CTC zu Iso-CTC 62

Abb26 Konzentrationen Erythomycin Salinomycin und Tiamulin in Guumllle 63

Abb27 Full scan HPLC-MS run 64

Abb28 Konzentration von Spectinomycin detektiert in der waumlssrigen und festen Phase 65

Abb29 Ruumlckgang der Tylosin A Konzentration in verschiedenen Testsystemen 66

Abb30 Verhaumlltnisse im Abbauverhalten von 14C-Flubendazol und 14C-Fenbendazol in Schweineguumllle 67

Abb31 Verhaumlltnisse von mineralisierten extrahierbaren und nicht-extrahierbaren Ruumlckstaumlnden von 14C-Sulfadiazin 69

Abb32 Prozentuale Aumlnderung der Konzentration von Sulfadiazin und dessen Metaboliten in Guumllle 70

Abb33 Konzentrationsaumlnderung von Sulfadiazin (SDZ) Acetyl-Sulfadiazin (Ac-SDZ) und 4-Hydroxy-Sulfadiazin (4-OH-SDZ) waumlhrend der Guumlllelagerung von 150 Tagen 70

Abb34 Chemische Struktur von Sulfadiazin und dessen Metaboliten Acetyl-Sulfadiazin und 4-OH-Sulfadiazin 71

Abb35 Abbauwege von Sulfadiazin Wege der Phototransformation und Biotransformation 71

Abb36 Photoabbau von Sulfadiazin und dessen Hauptmetaboliten 73

Abb37 Feedlot in den USA 80

7

Abb38 Schweinestall (Innenansicht) 81

Abb39 Schweinestaumllle mit Lagoon 81

Abb40 Darstellung eines typischen Lagoon-Systems 83

Abb41 Forschungseinrichtungen und deren Standorte (Weltkarte) 86

Abb42 Verlauf der Publikationshaumlufigkeit im Zeitraum von 2000-2012 86

Abb43 Vernetzung der ausgewerteten Publikationen 87

Abb44 Anzahl der eingesetzten Testsubstanzen 88

8

II Tabellenverzeichnis

Tab 1 Schaumltzung der Verbrauchsmengen von Antibiotika- Wirkstoffen in der Tierhaltung basierend auf Verkaufszahlen 15

Tab 2 In der Tiermedizin eingesetzte Antibiotika- Wirkstoffgruppen 18

Tab 3 Uumlbersicht uumlber die vier Hauptgruppen und 23 Produktarten laut Biozid-Richtlinie 988EG 28

Tab 4 Vorkommen von Tierarzneimitteln in Guumllle (international) 35

Tab 5 Vorkommen von Tierarzneimitteln in Guumllle (Deutschland und Schweiz) 36

Tab 6 Liste der eingesetzten Keywords 39

Tab 7 Liste der angeschriebenen Landesaumlmter und Institutionen 39

Tab 8 Testsubstanzen der ausgewerteten Transformationsstudien 43

Tab 9 Testsubstanzen unter aeroben Versuchsbedingungen 45

Tab 10 Testsubstanzen unter anaeroben Versuchsbedingungen 46

Tab 11 Liste des Abbauverhaltens und Halbwertszeiten unter verschiedenen Versuchsbedingungen 53

Tab 12 Liste der entstandenen Transformationsprodukte unter verschiedenen Versuchsbedingungen 55

Tab 13 Hemmung der Methanproduktion bei unterschiedlichen Versuchsbedingungen 74

Tab 14 Tierhaltung in der EU und in Deutschland 2008 77

Tab 15 Regulationen der Lagerkapazitaumlt von Guumllle und Ausbringungseinschraumlnkungen in verschiedenen Laumlndern 79

Tab 16 Forschungseinrichtungen und deren Standorte 85

9

III Abkuumlrzungsverzeichnis 4-OH-SDZ Hydroxy-Sulfadiazin A-SMZ Acetyl-Sulfamethoxazol Ac-SDZ Acetylsulfadiazin AMG Arzneimittelgesetz APCI Atmospheric Pressure Chemical Ionization ASBR Anaerobic Sequencing Batch Reactor BAC Benzalkoniumchlorid BAuA Bundesananstalt fuumlr Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin BBA Biologische Bundesanstalt fuumlr Land- und Forstwirtschaft BfR Bundesinstitut fuumlr Risikobewertung BfT Bundesverband fuumlr Tiergesundheit BMELV Bundesministerium fuumlr Ernaumlhrung Landwirtschaft und Verbraucherschutz BOD Biological Oxygen Demand BVL Bundesamt fuumlr Verbraucherschutz und Lebensmittelsi cherheit C Kohlenstoff CAFO Concentrated Animal Feeding Operation CAS Chemical Abstracts Service CH4 Methan ChemG Chemikaliengesetz CMR Cancerogenic Mutagenic and toxic to Reproduktion Corg Organischer Kohlenstoff CTC Chlortetracyclin Cu Kupfer CVMP Commitee for Veterinary Medicinal Products DC Doxycyclin DDMAC Didecyldimethylammoniumchlorid DEFRA Department for Environment Food and Rural Affairs United Kingdom DIMDI Deutsches Institut fuumlr Medizinische Dokomentation und Information DNA deoxyribonucleic acid DOC Dissolved organic carbon DT50 DT90 Disappearance Time 50 bzw 90 DVG Deutsche Veterinaumlrmedizinische Gesellschaft ECTC Epi-Chlortetracyclin EDTA Ethylendiamintetraacetat EMA European Medicines Agency EMEA European Agency for the Evaluation of Medicinal Products EPA Environmental Protection Agency

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ER Extrahierbare Ruumlckstaumlnde ESI Electrospray Ionization EU Europaumlische Union FAB Fast Atom Bombardment FAL Bundesforschungsanstalt fuumlr Landwirtschaft Braunschweig FEDESA European Federation of Animal Health Industry FEN Fenbendazol FKZ Foumlrderkennzeichen FLU Flubendazol GefStoffV Gefahrstoffverordnung GfK Gesellschaft fuumlr Konsumforschung ha Hektar HPLC High Performance Liquid Chromatography ICTC Iso-Chlortetracyclin IME Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry K2O Kaliumoxid KD-Wert Boden-Sorptionskonstante Koc Bodenadsorptionskoeffizient bezogen auf die organische Substanz Kow n-Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient KTBL Kuratorium fuumlr Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft LANUV Landesamt fuumlr Natur Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen LCMS FluumlssigchromatographieMassenspektrometrie-Kopplung LCMSMS FluumlssigchromatographieTandemmassenspektrometrie- Kopplung LfL Bayerische Landesanstalt fuumlr Landwirtschaft LIZ Landwirtschaftlicher Informationsdienst Zuckerruumlbe LSC Liquid Scintillation Counting LUFA Landwirtschaftliche Forschungs- und Untersuchungsanstalt LZBW Landwirtschaftliches Zentrum Baden-Wuumlrttemberg MC Minocyclin MIN Mineralisierung mio Million MRM Multiple Reaction Monitoring mRNA messenger RNA n Anzahl N Stickstoff NER Nicht-Extrahierbare Ruumlckstaumlnde NH4-N Ammonium-Stickstoff

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nm Nanometer NMR Nuclear Magnetic Resonance OECD Organization for Economic Cooperation and Development OTC Oxytetracyclin PA Produktart PB Particle Beam Ionization PBT Persistent Bioaccumulative and Toxic PEC Predicted Environmental Concentration PNEC Predicted-Non-Effect-Concentration ppm parts per million QAV Quarternaumlre Ammoniumverbindungen REACH Registration Evaluation Authorisation and Restriction of Chemicals RP Reversed-Phase RTLC Radio Thin Layer Chromatography SA Sulfonamide SchHaltHygV Schweinehaltungshygieneverordnung SDZ Sulfadiazin SM Sulfamethazin SMZ Sulfamethoxazol TC Tetrazyklin TierSG Tierschutzgesetz TLL Thuumlringer Landesantalt fuumlr Landwirtschaft TOC Total Organic Carbon Total N Total Nitrogen tRNA transfer-ribonucleic acid TS Trockensubstanz U-14C uniform-14C-ringmarkiert UBA Umweltbundesamt UHPLC Ultra High Pressure Liquid Chromatography UK United Kingdom UVP Umweltvertraumlglichkeitspruumlfung VFA Volatile Fatty Acids ViehVerkV Viehverkehrsverordnung vPvB very Persistent and very Bioaccumulative WHO World Health Organization Zn Zink microg Mikrogramm microL Mikroliter

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1 Vorwort

Die Arbeit ist Teil eines Kooperationsprojektes des Umweltbun-desamtes der ECT Oumlkotoxikologie GmbH des Fraunhofer Instituts fuumlr Molekularbiologie und Angewandte Oumlkologie sowie der Justus-Liebig-Universitaumlt Gieszligen Ziel des Vorhabens ist die Harmonisierung der Um-weltexpositionsabschaumltzung fuumlr Tierarzneimittel und Biozide im Bereich der Transformation von Stoffen in Guumllle

Es existiert zurzeit weder auf EU- noch auf OECD-Ebene eine ex-perimentelle Pruumlfrichtlinie die die Durchfuumlhrung zum Abbauverhalten von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle beschreibt Da die Ausbrin-gung mit der Guumllle fuumlr diese Stoffgruppen jedoch einen wichtigen Um-welteintragspfad darstellt sehen entsprechende Bewertungs-Leitfaumlden zum Beispiel die bdquoGuideline on determining the fate of veterinary medici-nal products in manureldquo (EMACVMPERA4303272009) geeignete Tests vor

Diese Tests bzw experimentelle Pruumlfrichtlinien muumlssen da sie die Grundlage fuumlr justiziable Bewertung darstellen harmonisiert und international akzeptiert sein und zu vergleichbaren Aussagen fuumlhren Daher besteht groszliger Bedarf fuumlr eine detaillierte Pruumlfrichtlinie

Inhalt dieser Arbeit ist die Sammlung von Forschungsergebnissen zu Vorkommen von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle und die Dar-stellung von Methoden zur Untersuchung deren Verhaltens in Guumllle

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2 Einleitung

Tierarzneimittel werden in der Rinder- und Schweinehaltung in groszligen Mengen eingesetzt meist in Form von Antibiotika Diese Arz-neimittel werden zur Therapie bzw metaphylaktisch zur Verhinderung der Ausbreitung von Infektionskrankheiten vor allem in der intensiven Tierhaltung verabreicht Diese Arzneimittel koumlnnen von den behandelten Tieren nicht vollstaumlndig abgebaut werden Deshalb verbleiben Arzneimit-telruumlckstaumlnde bzw deren Metaboliten und Transformationsprodukte in den Exkrementen Mit diesen Schadstoffen belasteter Wirtschaftsduumlnger wird zum Beispiel in Form von Guumllle auf landwirtschaftliche Flaumlchen ausgebracht und stellt dort ein Umweltrisiko dar Zwar sieht die Zulas-sung von Arzneimittelprodukten inzwischen eine Umweltrisikobewertung vor es fehlen aber immer noch viele Informationen vor allem uumlber Alt-Wirkstoffe aus laumlnger zugelassenen Praumlparaten (Weiszlig 2008)

In den letzten Jahren hat das wissenschaftliche Interesse an Tier-arzneimitteln in Wirtschaftsduumlnger Boden Grundwasser und oberirdi-schen Gewaumlssern deutlich zugenommen (Weiszlig 2008) Bislang ist relativ wenig bekannt uumlber den Verbleib von Tierarzneimitteln und noch weni-ger uumlber den Verbleib von Bioziden in Guumllle die als wesentlicher Ein-tragspfad fuumlr Tierarzneimittel- und Biozidruumlckstaumlnde in die Umwelt be-trachtet werden muss In dieser Matrix unterliegen die Wirkstoffe unter-schiedlichen Abbau- und Transformationsprozessen (Schluumlsener et al 2006 Kuumlmmerer 2008) Die Abbau- bzw Transformationsprodukte koumlnnen ebenso toxisch wirken wie die urspruumlnglich verabreichten Tier-arzneimittel bzw die in der intensiven Tierhaltung angewandten Biozide Die Ruumlckstaumlnde koumlnnen sich je nach Abbauverhalten oder Persistenz in der Umwelt anreichern (Gans 2007) Die Abbau- oder Transformations-prozesse in Guumllle koumlnnen biotisch oder abiotisch verlaufen (Schluumlsener et al 2006) und sind von unterschiedlichen Faktoren abhaumlngig den physikalisch-chemischen Stoffeigenschaften der Beschaffenheit der Guumllle sowie verschiedenen Umwelteinfluumlssen Zur Bestimmung der Stof-fe und deren Transformationsprodukten kommen verschiedene Metho-den und Analyseverfahren zur Verwendung

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Darstellung unterschiedlicher Abbau- und Transformationsprozesse in Rinder- und Schweineguumllle anhand der Auswertung bisheriger Forschungsergebnisse Dazu wurde auf der Basis einer umfangreichen Literaturrecherche eine Datenbank angelegt die Arbeiten umfasst welche sich unter verschiedenen Blick-winkeln mit Umweltbelastungen durch Wirkstoffruumlckstaumlnde aus Tierhal-tung beschaumlftigen Aus dieser Datenbank wurden jene Studien ausge-wertet die sich speziell mit Transformationsprozessen in Rinder- und Schweineguumllle befassen

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3 Tierarzneimittel und Biozide in Guumllle

31 Tierarzneimittel

Tierarzneimittel sind verschreibungspflichtige Medikamente die im

Veterinaumlrbereich zur therapeutischen Behandlung oder zur Praumlvention von Erkrankungen in notwendigen Dosierungen verabreicht werden (Winckler et al 2004) Es werden Wirkstoffe gegen Parasiten wie Pro-tozoen Wuumlrmer und Insekten eingesetzt Gegen bakterielle und infekti-oumlse Erkrankungen auch groszlige Mengen an Antibiotika (Haffmans 2012)

Die Anwendung von Antibiotika in der Nutztierhaltung ist unerlaumlss-lich Durch Erkrankung und Tod der Tiere wuumlrde ein immenser wirt-schaftlicher Schaden fuumlr die Landwirte entstehen (Mohring et al 2009) Der Antibiotikaeinsatz soll zur Behandlung von Einzeltieren Gruppen oder ganzen Bestaumlnden in einem fruumlhen Erkrankungsstadium erfolgen um so eine Beeintraumlchtigung der Gesundheit der Tiere und der Qualitaumlt der Lebensmittel (Fleisch Milch oder Eier) zu vermeiden (Kuumlster et al 2013) Die Behandlung von gesamten Tierbestaumlnden - wenn ein Erreger den Bestand infiziert hat und bereits einzelne Tiere erkrankt sind - soll die Haupterkrankungswelle verhindern Dieser metaphylaktische Einsatz setzt den Nachweis vorraus dass mit hoher Wahrscheinlichkeit ein ent-sprechender Erreger auch bei noch symtomlosen Tieren zu erwarten ist (Kuumlster et al 2013 BTK 2010 Wiesner und Ribbeck2000) Fuumlr die Umwelt problematisch ist der Einsatz erheblicher Mengen an Tierarz-neimitteln vor allem in der intensiven Tierhaltung

Eine erste Schaumltzung der Verbrauchsmengen von Antibiotika in der Tierhaltung wurde 2005 vom Bundesverband fuumlr Tiergesundheit (BfT) durchgefuumlhrt Als Grundlage dienten die im Veterinaumlrpanel der Gesellschaft fuumlr Konsumforschung (GfK) erhobenen Verkaufszahlen (Kuumlster et al 2013 BfT 2006)

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gesamt (2005) 7844

Tetracycline 3500β - Lactame 1992Sulfonamide 975Makrolidantibiotika 526Aminoglycoside 526Polypeptide 218Lincosamide 121Pleuromutiline 64Phenicole 48Chinolone 37

Antibiotikaeinsatz in der Tierhaltung in

Deutschland (in Tonnen)

Fuumlr die Schweiz wurde 2004 ein Gesamtverbrauch von rund 49 Tonnen an Antibiotika im Veterinaumlrbereich ermittelt (Swissmedic 2006) Fast die Haumllfte davon gehoumlrt zu der Gruppe der Sulfonamide gefolgt von Tetracyclinen β-Laktamen und Makroliden In der Schweiz ist Sul-fadimidin der wichtigste Wirkstoff in der Schweinehaltung (Burkhardt 2007)

Das Institut fuumlr Medizinische Dokumentation und Information (DIMDI) stellte 2011 erstmals quantitative Daten zur Antibiotikaabgabe im Veterinaumlrbereich zur Verfuumlgung Demnach sind im Jahr 2011 in Deutschland 1734 Tonnen Antibiotika von Unternehmen und Groszlig-haumlndlern an Tieraumlrzte abgegeben worden Mit 576 Tonnen Tetracyclin und 505 Tonnen Aminopenicillin bilden sie die Hauptabgabemenge Des Weiteren wurden rund 8 Tonnen Fluorchinolone und rund 38 Tonnen Cephalosporine abgegeben (BVL 2012)

Die DIMDI-Arzneimittelverordnung (DIMDI-AMV) vom 24 Februar 2010 legt fest wie die Erfassung der Gesamtmenge der abgegebenen Stoffe mit mikrobieller Wirkung an Tieraumlrzte in Deutschland durch das DIMDI jaumlhrlich zu erfolgen hat (BVL 2012)

In der Veterinaumlrmedizin stellt der Einsatz von Antiparasitika und Antiinfektiva in Deutschland ca 44 des Gesamtumsatzes von Tier-arzneimitteln dar (2012 Gesamtumsatz Tierarzneimittel 739 Mio EUR davon Antiinfektiva 187 Mio EUR das sind 25 des Gesamtumsat-zes)(BfT 2013)

Neben Tierarzneimitteln werden Antibiotika auch als Futtermittel-zusatzstoffe in subtherapeutischen Dosierungen verfuumlttert Diese sollen leistungssteigernde Effekte wie zum Beispiel die Erhoumlhung der Mastleis-tung beim Schwein erzielen Eingesetzt werden hierfuumlr Avilamycin Fla-

Tab 1 Schaumltzung der Ver-brauchsmengen von Antibiotika-Wirkstoffen in der Tierhaltung basie-rend auf Verkaufs-zahlen (Kuumlster et al 2013 nach BfT 2006)

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vophospholipol Monensin-Natrium oder Salinomycin-Natrium (Winckler et al 2004)

Futterzusatzstoffe sind durch das Futtermittelrecht geregelt In den Mitgliedsstaaten der EU wurden diese Stoffe durch die EU-Kommission 2006 verboten werden aber auszligerhalb Europas noch verwendet (Fent 2007)

311 Antibiotika

Den Hauptanteil der verordneten Tierarzneimittel stellen die Anti-

biotika dar (Weiszlig 2008) Antibiotika sind Stoffe die von Pilzen oder Bakterien (biosynthetisch) produziert oder halb- und vollsynthetisch her-gestellt werden und das Wachstum von Bakterien hemmen (bakteriosta-tisch) oder diese abtoumlten (bakterizid) (Harms2006 Loumlscher et al 2002) Antibiotika inhibieren durch die Bindung des Wirkstoffes am Wir-kort die normale Funktion des jeweiligen Biomolekuumlls oder veraumlndern es derart dass es seine Aufgabe in der Zelle nicht mehr wahrnehmen kann (Vockel 2005) Die wichtigsten Angriffsorte sind die Zellwandbiosynthe-se die Cytoplasmamembran die Transkription Translation und Replika-tion sowie die Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung im At-mungsstoffwechsel (Roumlmpp 1999)

Antibiotika koumlnnen in Breitband-Antibiotika mit einem Wirkungs-spektrum gegen verschiedene Organismen und Engspektrum-Antibiotika die gegen bestimmte Organismengruppen wirken unter-schieden werden Sie koumlnnen sowohl aufgrund ihrer chemischen Struk-tur als auch aufgrund ihrer Wirkung auf Mikroorganismen (bakteriosta-tischbakterizid) klassifiziert werden (Roumlmpp 1999) Nachfolgend sind Antibiotikagruppen nach ihrer Struktur dargestellt

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In der Veterinaumlrmedizin werden vornehmlich Tetracycline Sulfo-namide Fluorchinolone β-Lactame und Macrolide eingesetzt Nachfol-gende Tabelle 2 beschreibt Antibiotika Wirkstoffgruppen mit den jeweili-gen Wirkungsweisen Die Reihenfolge zeigt gleichzeitig die Einsatzhaumlu-figkeit

Abb 1 Struktureller Aufbau der Antibiotika-substanzklassen (Vo-ckel 2005 nach Frey und Loumlscher 2002 Farnleitner und Mach2002 Forth et al 1988 Auterhoff et al1994)

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Antibiotika werden in der Humanmedizin wie auch in der Tiermedi-

zin eingesetzt Die aus der Antibiotikaanwendung moumlglichen resultie-renden Resistenzen koumlnnen uumlber beide Bereiche verbreitet werden Fuumlr die Humanmedizin ist es von groszliger Bedeutung bestimmte Wirkstoffe als bdquoReserveantibiotikaldquo zuruumlckzubehalten da unter Umstaumlnden zum Beispiel Tetracyclin oder Aminopenecillin wegen einer Resistenzbildung nicht mehr eingesetzt werden koumlnnen (Kuumlster et al 2013) Allerdings sind auch Reserveantibiotika in der Veterinaumlrmedizin im Einsatz Dazu zaumlhlen Wirkstoffe der Gruppe der Fluorchinolone und der Cephalospori-ne Daher wird der Einsatz dieser Wirkstoffe in der Veterinaumlrmedizin als sehr kritisch eingestuft (BVL 2012)

Seit wenigen Jahren werden fuumlr die Tiermedizin spezielle Wirkstof-fe entwickelt wie zB die Makrolide Tulathromycin und Tildipirosin (Kuumls-ter et al 2013)

Die oft in der Tiermedizin eingesetzten Antibiotikagruppen Tetra-cycline und Sulfonamide sollen im Folgenden genauer beschrieben

Tab 2 In der Tier-medizin eingesetzte Antibiotika-Wirkstoffgruppen geordnet nach Ein-satzhaumlufigkeit (Kuumls-ter et al 2013 nach BfT 2006 BTK 2010 Frey und Louml-scher 2002)

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werden Diese beiden Substanzgruppen sind auch in den ausgewerte-ten Transformationsstudien am haumlufigsten untersucht worden

312 Substanzgruppe der Tetracycline

Tetracycline sind Breitbandantibiotika und wirken bakteriostatisch

gegen grampositive und gramnegative Bakterien sowie Rickettsien My-coplasten Leptospiren Spirochaumlten und einige Viren (Roumlmpp 1999)

Sie hemmen die Proteinsynthese Der Angriffspunkt der Tetracyc-line ist die 30S-Untereinheit des 70S Ribosomens die Tetracyclin-Molekuumlle binden hierbei fest an der Interphase Dabei wird die Bindung von Aminoacyl-tRNA an die A-site gehemmt (Stahlmann und Lode 2001) Zusaumltzlich bewirken Tetracycline eine Hemmung der Zellwand-biosynthese (Roumlmpp 1999) Die Bildung von Tetracyclin-Metall-Chelat-Komplexen tragen zum inhibitorischen Effekt bei (Stahlmann und Lode 2001)

Tetracycline sind geruchslose gelbe lichtempfindliche Verbindun-gen die im kristallinen Zustand stabil sind (Stahlmann und Lode 2001) Eine Reihe von antibiotisch wirksamenen Substanzen lassen sich vom Grundgeruumlst des Tetracyclins dem 4-Dimethylamino-144a55a61112a-okta-hydro-36101212a-pentahydroxy-6-methyl-111-dioxo-naphthacen-2-carboxamid ableiten (Roumlmpp 1999)

Tetracyclin besteht aus vier linear anellierten sechsgliedrigen Rin-gen Es werden die chromophoren Bereiche A und BCD aufgrund der charakteristischen Anordnung der Doppelbindungen durch das sp3-Kohlenstoffatom 12a getrennt (siehe Abb 3) (Vockel 2005 Duumlrckhei-mer 1975) Diese besitzen charakteristische UV-Spektren welche pH-Wert abhaumlngig sind Der A-Chromophor absorbiert bei 260 nm und der BCD-Chromophor besitzt Absorptionsmaxima bei 225285320 und 360 nm (Duumlrckheimer 1975)

Unterschiedliche Substituenten (siehe R1ndashR4 in Abb3) an den Positionen 56 und 7 unterscheiden jeweils die heute handelsuumlblichen Wirkstoffe (Roumlmpp 1999)

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Die Stabilitaumlt der Tetracycline in waumlssriger Loumlsung ist gering fuumlr die einzelnen Derivate unterschiedlich und wird durch Faktoren wie den pH-Wert oder die Temperatur beeinflusst (Stahlmann und Lode 2001) Tetracyclin und Oxytetracyclin sind im sauren bis neutralen pH-Bereich deutlich stabiler als Chlortetracyclin Im alkalischen Medium zeigt Oxy-tetracyclin die houmlchste Stabilitaumlt waumlhrend Chlortetracyclin besonders empfindlich auf alkalische Bedingungen reagiert und zum iso-Chlortetracyclin isomerisiert (Stevens 2009 Vockel 2005 Liang et al 1998 Naggar et al 1974 Strittmatter und Siewert 1981)

Tetracycline besitzen einen amphoteren Charakter durch ihre sau-ren Gruppen und dem basischen Dimethylamino-Rest (Duumlrckheimer 1975)

Tetracycline neigen zur reversiblen Bildung antibiotisch inaktiver Komplexe mit Kationen und Anionen und nieder-hochmolekularen Stof-fen zum Beispiel Cu2+ Ca2+ oder Mg2+ Phosphat Harnstoff oder Thio-harnstoff sowie Lipoproteine oder RNA Aus der Komplexbildung mit Harnstoff resultieren nur schwache Komplexe die die Loumlslichkeit von Tetracyclinen erhoumlhen koumlnnen (Vockel 2005 Duumlrckheimer 1975) Ab-

Abb 2 Struktur von Tetracyclin-Wirk-stoffen (Stevens 2009 nach Vockel 2005 Auterhoff et al 1994 Forth et al 1988)

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haumlngig von ihren hydrophilen und hydrophoben Resten komplexieren die einzelnen Derivate stark oder weniger stark (Vockel 2005 Ku-schinsky und Luumlllmann 1989)

Doxycyclinlt Oxytetracyclinle Tetracyclinlt Chlortetracyclin

Abhaumlngig von der Ladung des Kations und dem pH-Wert der Um-gebung koumlnnen Komplexe gebildet werden (Duumlrckheimer 1975) Unter-halb von pH 3 komplexieren Tetracycline nicht Oxytetracyclin bildet oberhalb von pH 7 aufgrund seines zusaumltzlichen Liganden mit Metallka-tionen zwischen der 5- und 12a-Hydroxygruppe ein Chelat Durch die Komplexbildung mit Kationen zeigen Tetracycline eine verstaumlrkte Fluo-reszenz die zur qualitativen und quantitativen Bestimmung dieser Stoffe genutzt werden kann (Duumlrckheimer 1975)

Umwandlungsreaktionen wie Isomerisierung Epimerisierung oder die Keto-Enol-Tautomerie sollen beispielhaft fuumlr Chlortetracyclin kurz dargestellt werden Ebenfalls die Dehydratisierung eine Reaktion wel-che aufgrund einer Veraumlnderung der Summenformel als eine Abbau-reaktion verstanden werden kann (Stevens 2009)

Epimerisierung

Bei pH-Werten zwischen 2 und 6 in schwach saurer Loumlsung un-

terliegen Tetracycline einer Isomerisierung am asymmetrischen C-4-Atom (McCormick et al 1957)

Die Epimerisierung ist eine reversible Reaktion 1 Ordung und wird

durch mehrwertige Kationen Harnstoff Citrat oder Phosphat beeinflusst (Duumlrckheimer 1975) Das Gleichgewicht dieser Reaktion sowie die

Abb 3 Epimerisie-rung von Chlortetra-cyclin in schwach saurer Loumlsung (Ste-vens2009 nach Vockel 2005 Bryan et al 1992)

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Reaktionsgeschwindigkeit ist stark vom pH-Wert abhaumlngig Mit steigen-dem pH-Wert nimmt die Epimerisierungsgeschwindigkeit zu Unterhalb eines pH-Werts von 15 findet keine Epimerisierung mehr statt Der Epimerisierungsgrad stellt sich je nach gewaumlhlten Bedingungen bei 40-68 ein (Stevens 2009 Hussar et al 1968 Remmers et al 1963 Martinez und Shimoda 1989)

Eine solche Konfigurationsaumlnderung kann sich auf die antibioti-sche Aktivitaumlt auswirken Die antibiotische Wirksamkeit von zB 4-epi-Tetracyclin kann um 90-100 vermindert sein Dabei ist allerdings un-klar ob die Restwirkung aufgrund von Ruumlckepimerisierung zustande kommt da die Reaktion reversibel ist und die Epimere selbst keine anti-biotische Wirkung mehr besitzen (Stevens 2009 Vockel 2005 Hussar et al 1968)

Isomerisierung

Bei pH-Werten uumlber 7 im alkalischen Bereich unterliegen die Tet-racycline mit einer Hydroxygruppe an Position C-6 (im Fall von Chlortet-racyclin) einem Aufbruch des Ringes zu den iso-Tetracyclin Formen (Vockel 2005 Brunner et al 1962 Duumlrckheimer 1975 Strittmatter und Siewert 1981)

Chlortetracyclin isomerisiert bereits bei pH-Wert 7 zu iso-Chlortetracyclin Tetracyclin und Oxytetracyclin isomerisieren hingegen erst oberhalb von pH-Werten von 9-10 Die Isomerisierung ist im Ge-gensatz zu der Epimerisierung eine irreversible Reaktion Fuumlr die iso-Formen der Tetracycline gilt ebenfalls eine verminderte antibiotische Aktivitaumlt (Stevens 2009 Vockel 2005 Kennedy et al 1998)

Die natuumlrliche Fluoreszenz der Tetracycline wird durch die Isome-risierung verstaumlrkt deswegen kann diese Eigenschaft zur analytischen

Abb 4 Isomerisie-rung von Chlortetra-cyclin im alkalischen Milieu (Stevens 2009 nach Vockel 2005 Bryan et al 1992)

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Bestimmung der Tetracycline genutzt werden (Stevens 2009 Bryan et al 1992 Blanchflower et al 1989)

Keto-Enol-Tautomerie

In Abhaumlnigkeit von Polaritaumlt und pH-Wert des Loumlsungsmittels koumln-nen Tetracycline unterschiedliche tautomere Formen annehmen (Duarte et al 1999) Die tatsaumlchliche Struktur des Tetracyclins laumlsst sich also als ein Gleichgewicht aus allen moumlglichen Keto-Enol-Tautomeren auf-fassen

In Abhaumlngigkeit vom Dissoziationsgrad sind unter Zugrundelegung

von vier pKa-Werten bestimmte Protonierungen bzw Deprotonierungen moumlglich die insgesamt 64 tautomere Formen ermoumlglichen (Vockel 2005) Es koumlnnen an verschiedenen Stellen tautomere Umlagerungen stattfinden Zum einen am C1-C2 und C3-Atom des A Ringes zum an-deren am C10-C10a- und C11-Atom der CD Ringe (Vockel 2005) so-wie am C11-C11a- und C12-Atom der BC Ringe (Naidong et al 1990 Naidong et al 1993)

Dehydratisierung

Fuumlr Tetracycline ist die Dehydratisierung bei stark sauren pH-Werten unter 15 als eine Abbaureaktion von Bedeutung Von Tetracyc-linen mit einer Hydroxygruppe spaltet sich unter diesen Bedingungen leicht Wasser ab zum Beispiel bei Chlortetracyclin (siehe Abb 7) Unter Aromatisierung des C Ringes entsteht Anhydrotetracyclin (Duumlrckheimer 1975)

Abb 5 Keto-Enol-Tautomerie von Chlortetracyclin (Stevens 2009 nach Vockel 2005 Bryan et al 1992)

24

Die Dehydratisierung ist eine irreversible Reaktion 2 Ordnung Die Eliminierung von Wasser wird durch die trans-Stellung der tertiaumlren Hyd-roxylgruppe an Position C6 zum H-Atom an der Position C5a ermoumlglicht (Vockel 2005 Duumlrckheimer 1975 Bryan et al 1992 Strittmatter und Siewert 1981)

Die antibiotische Aktivitaumlt der Anhydrotetracycline ist um 70 re-duziert gegenuumlber der Ausgangssubstanz Tetracyclin Zusaumltzlich besitzt Anhydrotetracyclin toxische Eigenschaften Diese wirken auf alle Zell-membranen (auch eukaryontische Zellen) hervorgerufen durch die Po-sition der Dimethylamino-Gruppe (Stevens 2009 Weidenberg 2002 Wessels et al 1998 Pena et al 1998) Deshalb findet Anhydrotetra-cyclin keine Anwendung in der Medizin

Abbildung 8 zeigt eine Gesamtuumlbersicht der Umwandlungs- und Abbaureaktionen von Chlortetracyclin

Abb 6 Dehydrati-sierung von Chlortet-racyclin in stark saurem Medium (Stevens 2009 nach Vockel 2005 Bryan et al 1992)

25

313 Substanzgruppe der Sulfonamide

Sulfonamide wirken bakteriostatisch Diese bakteriostatische Wir-

kung geht von der 4-Aminobenzolsulfonamido-Gruppe aus Als Antime-tabolit zu der aumlhnlich aufgebauten 4-Aminobenzoesaumlure entsteht eine kompetitive Hemmung der Folsaumluresynthese 4-Aminobenzoesaumlure spielt eine wichtige Rolle bei der Biosynthese von Folsaumlure sowie fuumlr den Nucleinsaumlure-Aufbau im Zellstoffwechsel diese sind fuumlr die Ver-mehrung der Bakterien notwendig Zusaumltzlich wird in Bakterien die Me-thioninsynthese gehemmt da 4-Aminobenzoesaumlure als Coenzym benouml-tigt wird (Roumlmpp 1999)

Sulfonamide sind wirksam gegenuumlber grampositiven und vielen gramnegativen Bakterienarten und einigen Protozoen Viele Staumlmme im Wirkungsspektrum sind jedoch bereits resistent gegenuumlber Sulfonami-den Sie besitzen eine plasmidvermittelte Resistenz die eine uumlbermaumlszligi-ge Synthese von p-Aminobenzoesaumlure ermoumlglicht und somit die kompe-titive Hemmung des 4-Aminobenzolsulfonamid reduziert (Stahlmann und Lode 2001) Daher wird haumlufig durch einen Dihydrofolat-Reduktasehemmer wie Trimethoprim die Sulfonamid-Aktivitaumlt additiv oder synersistisch ergaumlnzt (Stahlmann und Lode 2001)

Unter der Gruppe der Sulfonamide werden einige strukturell aumlhnli-che Verbindungen zusammengefasst Auf der Grundlage von Sulfanila-mid (para-Aminobenzol-sulfonamid) koumlnnen durch Variation der Substi-tuenten (R) an den Stickstoff der Sulfonamid-Gruppe eine Vielzahl von Derivaten entstehen die sich in ihren pharmakokinetischen und toxiko-logischen Eigenschaften unterscheiden (Stahlmann und Lode 2001)

Abb7 Gesamtuumlbersicht der Reaktionen von Chlortetracyclin (Grote et al 2004)

26

Abb 8 Struktur von Sulfonamid-Wirkstoffen (Ste-vens 2009 nach Hartig 2000)

27

Der Antibakterielle Effekt beruht auf der freien Aminogruppe in pa-ra-Stellung (H2N

4-) (Stahlmann und Lode 2001)

Sulfonamide koumlnnen im Intermediaumlrstoffwechsel metabolisiert werden Durch Acetylierung undoder Glucuronidierung an der N4 Posi-tion Neben der N4-Acytylierung (Hauptabbauweg) erfolgen an der N1 Position eine N1-Glucuronidierung sowie Hydroxylierung (Stahlmann und Lode 2001)

Sulfamethazin wird vom Schwein zu 245 unmetabolisiert wie-der ausgeschieden 521 in metabolisierter Form davon 50 acety-liert N4-Acetyl-Sulfamethazin ist somit der Hauptmetabolit Die Acetylie-rung macht die Verbindung mikrobiell unwirksam kann allerdings bei Lagerung in Guumllle durch bakterielle Aktivitaumlt wieder aufgespalten wer-den Der Wirkstoff waumlre somit reaktiviert (Harms 2006 Langhammer 1989 Berger et al 1986)

32 Biozide

Laut dem Chemikalien-Gesetz (ChemG) ist die Definition fuumlr einen Biozid-Wirkstoff und ein Biozid-Produkt wie folgt beschrieben (Kahle und Noumlh 2009)

Biozid-Wirkstoffe sind Stoffe mit allgemeiner oder spezifischer Wirkung auf oder gegen Schadorganismen die zur Verwendung als Wirkstoff in Biozid-Produkten bestimmt sind Als derartige Stoffe gelten auch Mikroorganismen einschlieszliglich Viren oder Pilze mit entsprechen-der Wirkung und Zweckbestimmung

Abb 9 Ansatzpunk-te des Sulfonamid-Metabolismus (Hauptstoffwechsel-wege sind unterstri-chen) (Harms 2006 nach Stahlmann und Lode 2001)

Abb10 Sulfametha-zin-N4-acetylierter Metabolit [(N4-Acetyl-N1-(46-dimethyl-2-pyrimidinyl) sufanila-mid] (Harms 2006)

28

Biozid-Produkte sind Wirkstoffe und Zubereitungen die einen oder mehrere Wirkstoffe enthalten in der Form in welcher sie zum Ver-wender gelangen und die dazu bestimmt sind auf chemischem oder biologischem Wege Schadorganismen (zB Bakterien Pilze Insekten Nagetiere) zu zerstoumlren abzuschrecken unschaumldlich zu machen Schauml-digungen durch diese zu verhindern (zB an diversen Guumltern wie Le-bensmittel Gebrauchsgegenstaumlnden Holz oder Mauerwerk) oder diese in anderer Weise zu bekaumlmpfen

In der Biozid-Richtlinie 988EG werden in Anhang V die Biozid-Produkte in vier Hauptgruppen (HG) unterteilt Desinfektionsmittel und allgemeine Biozid-Produkte Schutzmittel Schaumldlingsbekaumlmpfungsmit-tel und sonstige Biozid-Produkte Diese werden in 23 Biozid-Produktarten (PA) unterteilt

Nr Beschreibung Nr Beschreibung

HG 1 Desinfektionsmittel HG 3 Schaumldlingsbekaumlmpfungsmittel

PA 1Biozid-Produkte fuumlr die menschliche

HygienePA 14 Rodentizide

PA 2

Desinfektionsmittel fuumlr den

Privatbereich und den Bereich des

oumlffentlichen Gesundheitswesens sowie

anderer Biozidprodukte

PA 15 Avizide

PA 3Biozidprodukte fuumlr Hygiene im

VeterinaumlrbereichPA 16 Molluskzide

PA 4Desinfektionsmittel fuumlr den Lebens-

und Futtermittelbereich

PA 5 Trinkwasserdesinfektionsmittel PA 17 Fischbekaumlmpfungsmittel

PA 18Insektizide Akarizide und Produkte

gegen andere Arthropoden

PA 19 Repellentien und Lockmittel

HG 2 Schutzmittel HG 4 Sonstige Biozid-Produkte

PA 6 Topf-Konservierungsmittel PA 20Schutzmittel fuumlr Lebens- und

Futtermittel

PA 7 Beschichtungsmittel PA 21 Antifouling-Produkte

PA 8 Holzschutzmittel PA 22Fluumlssigkeiten fuumlr Einbalsamierung und

Taxidermie

PA 9Schutzmittel fuumlr Fasern Leder Gummi

und polymerisierte MaterialienPA 23 Produkte gegen sonstige Wirbeltiere

PA 10 Schutzmittel fuumlr Mauerwerk

PA 11Schutzmittel fuumlr Fluumlssigkeiten in Kuumlhl-

und Verfahrenssystemen

PA 12 Schleimbekaumlmpfungsmittel

PA 13Schutzmittel fuumlr

Metallbearbeitungsfluumlssigkeiten

Im Veterinaumlrbereich werden Biozide hauptsaumlchlich als Desinfekti-onsmittel eingesetzt diese gehoumlren der Produktart 3 an Dies betrifft tieraumlrztliche Einrichtungen landwirtschaftliche Nutztierhaltung weitere Bereiche in denen Tiere untergebracht sind oder transportiert werden (Zoohandlung)(Biozid-Info 2013)

Tab 3 Uumlbersicht uumlber die vier Haupt-gruppen und 23 Produktarten laut Biozid-Richtlinie 988EG Die Haupt-produktarten der in der Tierhaltung ein-gesetzten Biozide sind rot markiert

29

Schaumldlingsbekaumlmpfungsmittel die in Tierstaumlllen verwendet werden gehoumlren der Produktart 18 an In diesem Sektor ist der Anwendungsbe-reich fuumlr die Stalldesinfektion Brutstaumlttendesinfektion Desinfektion von Schuhwerk und Klauen Desinfektion von Melkanlagen und Tiertrans-portmitteln beinhaltet Darunter fallen auch direkt auf Tiere aufgebrachte Desinfektionsmittel zB zur Zitzendesinfektion oder Mittel fuumlr Aquakultu-ren gegen externe Parasiten (Biozid-Info 2013)

Aktuell sind laut der 13 Desinfektionsmittelliste der DVG fuumlr die Tierhaltung 116 Handelspraumlparate auf dem Markt Die Hauptwirkstoffe sind sauerstoff- und chlorfreisetzende Verbindingen (Peroxidverbindun-gen organische Saumluren oberflaumlchenaktive Substanzen) quaternaumlre Ammoniumverbindungen Aldehyde und Alkohole Kresole und Chlor-amin T (Biozid-Info 2013)

In Staumlllen werden in Deutschland vornehmlich Aldehyde und qua-ternaumlre Ammoniumverbindungen verwendet Im Seuchenfall (zB Schweinepest) wird Guumllle mit Formaldehyd Calciumcyanamid behandelt (Biozid-Info 2013 Kaiser et al1998)

Es bestehen einige rechtliche Regelungen im Bereich der Nutz-tierhaltung die eine Durchfuumlhrung von Desinfektionsmaszlignahmen und damit den Einsatz von Bioziden erforderlich machen Zum Beispiel das Tierseuchengesetz (TierSG) die Viehverkehrsordung (ViehVerkV) und vor allem die Schweinehaltungshygieneverordnung (SchHaltHygV) (Bio-zid-Info 2013)

321 Desinfektionsmittel

Als Melkreiniger und Stalldesinfektionsmittel werden unter ande-rem quarternaumlre Ammoniumverbindungen (QAV) verwendet Jaumlhrlich kommen etwa 80 Tonnen an kurzkettigen bioziden quarternaumlren Ammo-niumverbindungen wie Benzalkoniumchlorid (BAC) und Didecyldimethy-lammoniumchlorid (DDMAC) zum Einsatz (Suumltterlin 2007)

Abb 11 Struktur-formel von Benzal-koniumchlorid C12

(Suumltterlin 2007)

30

BAC und DDMAC gehoumlren zu den kationischen Bioziden und zaumlh-len aufgrund ihrer hydrophilen und hydrophoben Struktur zu den Tensi-den (Suumltterlin 2007)

Imazalil wir als Stalldesinfektionsmittel in der Tierhaltung einge-setzt Cyanamid wir ebenfalls in der Stallhygiene als Insektenbekaumlmp-fungsmittel angewendet (Kreuzig et al 2010)

33 Eintrag von Tierarzneimitteln und Bioziden in die Umwelt

Nach Applikation von Tierarzneimitteln werden oft groszlige Anteile der Wirkstoffe wieder ausgeschieden ebenso entstandene Metaboliten die in einigen Faumlllen ebenfalls aktiv sein koumlnnen (Hamscher und Houmlper 2007) Die Ausscheidungen der Tiere gelangen als Wirtschaftsduumlnger Abwaumlsser oder sonstige Hofabfluumlsse ungehindert in die Umwelt Anders als die in der Humanmedizin verwendeten Antibiotika unterliegen die

Abb 13 Chemische Struktur und physi-kalisch-chemische Eigenschaften von Imazalil und Cyana-mid (Kreuzig et al 2010)

Abb 12 Struktur-formel von Didecyl-dimethylammo-niumchlorid (Suumltterlin 2007)

31

Arzneimittelruumlckstaumlnde aus der Tierhaltung in der Regel keiner Behand-lung durch Klaumlranlagen (Hamscher und Houmlper 2007)

In der Schweinemast wird haumlufig Chlortetracyclin eingesetzt zur Behandlung bakterieller Respirations- und Verdauungstrakt-Krankheiten sowie zur Prophylaxe in Stresssituationen (Umstallung) Chlortetracyclin kann zum Teil im Magen-Darmtrakt zum inaktiven Iso-Chlortetracyclinen umgewandelt werden der groumlszligte Teil wird aber renal uumlber Faumlzes in akti-ver Form ausgeschieden (Weiszlig 2008)

Sulfonamide werden in der Schweine- und Kaumllbermast eingesetzt und auch hier zum Groszligteil in aktiver Form sowie als Acetylmetaboliten ausgeschieden (Weiszlig 2008)

Hauptvertreter der Chinolone die in der Tiermedizin eingesetzt werden ist das Enrofloxacin Es ist hoch bakterizid wirksam Die verab-reichte Menge an Enrofloxacin wird bis zu 75 vor allem uumlber den Harn ausgeschieden Bei Schweinen wird dabei ein 50iger Anteil als Meta-bolit Ciprofloxacin ausgeschieden das ebenfalls aktiv und pharmakolo-gisch wirksam ist (Weiszlig 2008)

Makrolide werden vor allem in der Prophylaxe und zur Behandlung von respiratorischen Erkrankungen bei Schweinen und Rindern einge-setzt Der wichtigste Vertreter ist das Tylosin Es findet ausschlieszliglich in der Tiermedizin Verwendung Tylosin setzt sich aus vier Verbindungen zusammen dem Tylosin A B C und D Tylosin A bildet zu 80 die Hauptkomponente Dieser Wirkstoff wird hauptsaumlchlich uumlber Faumlzes aus-geschieden (Weiszlig 2008)

Abb 14 Moumlgliche Eintragspfade fuumlr Tierarzneimittel in die Umwelt (Hamscher und Houmlper 2007 nach Jacobsen und Berg-lind 1988)

32

Neben den Antibiotika spielen auch die Antiparasitika mengenmauml-szligig eine wichtige Rolle Es werden Ektoparasitika wie makrozyclische Lactone (zB Ivermectin) und Endoparasitika wie Benzimidazole einge-setzt Zu den Benzimidazolen zaumlhlt das Flubendazol das in der Ent-wurmung von Schweinen eingesetzt wird 50 der verabreichten Dosis wird unveraumlndert wieder ausgeschieden Die beiden wichtigsten entste-henden Metaboliten Amino- und Hydroxy-Flubendazol sind ebenfalls aktiv und weisen eine toxische Wirkung auf (Weiszlig 2008 EMEA 1997)

Als wichtigster Eintragspfad wird derzeit der Eintrag uumlber Wirt-schaftsduumlnger angesehen (Haffmans 2012) Wirtschaftsduumlnger koumlnnen in verschiedene Formen vorliegen (Gans 2007)

Guumllle Gemisch aus tierischen Ausscheidungen Einstreu

Futtermittelresten und Wasser aus der Stallsaumluberung Jauche Fluumlssigfraktion der Guumllle mit uumlberwiegendem Anteil an

tierischem Harn Festmist Ausscheidungen und Einstreu (feste Bestandteile)

Guumllle ist einer der bedeutendsten Wirtschaftsduumlnger in Deutsch-land jaumlhrlich fallen zum Beispiel in Bayern 424 Mio Tonnen Guumllle an davon sind 78 Mio Tonnen aus der Schweinehaltung (Weiszlig 2008 Bauer 2006)

Nach Ausbringung erreichen die Wirkstoffe als erstes die Boden-oberflaumlche bzw die oberen Bodenschichten Hier koumlnnen sie sich je nach spezifischem Abbauverhalten und Persistenz des jeweiligen Wirk-stoffes angereichert oder in tiefere Bodenschichten verlagert werden (Gans 2007)

Fuumlr Biozid-Produkte im Veterinaumlrbereich gilt belastete Guumllle als Haupteintragspfad Wird die Guumllle mit der Verunreinigung auf landwirt-schaftliche Flaumlchen ausgebracht koumlnnen diese in das Bodenkomparti-ment uumlbergehen von dort uumlber run-off in Oberflaumlchengewaumlsser oder durch Auswaschungsprozesse in das Grundwasser gelangen (Kahle und Noumlh 2009) Ebenso koumlnnen durch direkten Abfluss (Punktquelle) am landwirtschaftlichen Betrieb Belastungen entstehen Neben diesen Eintraumlgen kann es auch durch atmosphaumlrische Exposition von leicht und mittel fluumlchtigen Bioziden zur Belastung des Bodens und von Gewaumls-sern kommen Nach durchgefuumlhrten Expositionsabschaumltzungen kann dies fuumlr Cyfluthrin (Insektizid PA 18) und Cyanamid (Desinfektionsmit-tel PA 3) der Fall sein (Kahle und Noumlh 2009) Auch fuumlr Tierarzneimittel ist der Eintrag in Stallstaumlube in mgkg-Bereichen detektiert worden (Hamscher und Houmlper 2007)

33

34 Verbleib in Guumllle und Umwelt

Antibiotika aller Wirkstoffgruppen werden seit mehreren Jahren in Exrementen von behandelten Tieren sowie verschiedenen Umweltkom-partimenten wie Boden Oberflaumlchen- und Grundwasser nachgewiesen (Gans et al 2005 Weiszlig 2008) Kurze Uumlbersicht dazu in Kuumlster et al (2013) Erste Funde gab es auch im landwirtschaftlichen Anbau von Porree und Weiszligkohl (Grote et al 2009)

Der Abbau von Tierarzneimitteln und Bioziden erfolgt meist uumlber Transformationsprodukte die ebenfalls persistent und oumlkotoxikologisch relevant sein koumlnnen Durch Bioakkumulation kann es zu Effektverstaumlr-kungen kommen und zur Anreicherung in der Nahrungskette (secondary poisoning) besonders zu beachten sind potentiell endokrin wirkende Biozide (Kahle und Noumlh 2009) Wenn sich Stoffe persistent zeigen be-steht bei wiederholter Guumllleausbringung ein Anreicherungsproblem (Hamscher und Houmlper 2007)

Die Verbreitung und Konzentration von Tierarzneimitteln und Bio-ziden in der Umwelt steht im Zusammenhang mit verschiedenen Eigen-schaften der Substanz selbst und der Beschaffenheit der Umweltkom-partimente wie zum Beispiel (Fent 2007)

1 Eintragsquellen Eintragsmenge und Charakteristik 2 Physikalisch-chemische Stoffeigenschaften (molekulare Struk-

tur Wasser- und Fettloumlslichkeit Verteilungskoeffizienten (Kp oder Kow) Adsorptionsfaumlhigkeit und Abbaubarkeit)

3 Physikalisch-chemische und biologische Eigenschaften des Oumlkosystems sowie Temperatur pH-Wert aerobe oder anaerobe Bedingungen

4 Transformationsprozesse (abiotische und biologische Transfor-mationsprozesse)

Abhaumlngig von der Praxis der Guumllle Ausbringung und Behandlung koumlnnen Tierarzneimittel unter verschiedenen Expositionsszenarios in verschiedenen Konzentrationen in die Umwelt gelangen (Fent 2007)

Die Struktur die physikalischen und chemischen Eigenschaften wie zum Beispiel Adsorptionsfaumlhigkeit an Feststoffe (Kow oder Koc) oder die Anfaumllligkeit gegenuumlber Wasser Sonnenlicht extremen pH-Werten und gegenuumlber Bakterien und Pilzen in der Umwelt bestimmen den Verbleib oder den Abbau der Tierarzneimittel Biozide und deren Meta-boliten sowie Transformationsprodukten und somit die Expositionskon-zentration fuumlr die Umwelt

34

Tetracycline weisen eine starke Sorptionsneigung im Boden auf Sie koumlnnen im Oberboden persistieren wobei die Bioverfuumlgbarkeit ge-ring ist (Weiszlig 2008) In einem Oberboden der regelmaumlszligig mit Schwei-neguumllle geduumlngt wurde ist Tetracyclin in Konzentrationen von bis zu 150 microgkg Boden nachgewiesen worden (Hamscher et al 2005) Eine Verlagerung dieser Verbindungen in das Grundwasser wurde trotz der sehr starken Sorption im Oberboden in einzelnen Faumlllen auf sandigen Boumlden beobachtet (005-013 microgL) (Pawelzick 2005)

Eine Monitoring-Studie mit spezifischen Daten aus Oumlsterreich uumlber den Verbleib von Ruumlckstaumlnden von Tierarzneimitteln in Guumllle und land-wirtschaftlich genutzten Boumlden zeigt in Schweineguumllle relativ hohe Werte fuumlr Chlortetracyclin sowie Sulfadimidin In 22 von 30 Schweineguumlllepro-ben wurde Oxytetracyclin nachgewiesen Im Boden wurden Werte von uumlber 01 mg CTCkg gefunden Gans (2007) schlieszligt daraus dass ein Verdacht der Persistenz von Chlortetracyclin in der Matrix Boden be-steht (Gans 2007)

Sulfamethazin wird vorwiegend in der Schweinehaltung einge-setzt In Schweineguumllle wurde Sulfamethazin in Konzentartionen bis zu 04 mgkg TS gefunden (Harms et al 2005) Sulfadiazin wurde in Guumllle von Schweinen und Rindern von bis zu 065 mgkg TS und in Gaumlrresten bis zu 625 mgkg TS gefunden (Ratsak et al 2013)

Fluorchinolone werden im Boden stark gebunden und sind nahezu immobil Die Wirkstoffe werden im Boden festgelegt und somit weniger bioverfuumlgbar Die Gefahr einer Versickerung oder Abschwemmung wird somit als sehr gering eingeschaumltzt (Wetzstein 2001) Enrofloxacin wurde in Schweineguumllle in Konzentrationen bis zu 40 microgL nachgewiesen und im Boden bis zu 02 mgkg TM Ebenso wur-de dessen Metabolit Ciprofloxacin in Mengen uumlber dem in der EMEA-Leitlinie vorgegebenen Wert von 01 mgkg im Boden entdeckt (Gans et al 2005)

Nachfolgende Tabellen zeigen die Ergebnisse verschiedener Mo-nitoring-Studien zum Verbleib von Tierarzneimitteln in Guumllle Tabelle 4 stellt nach Substanzklassen geordnet internationale Monitoring-Studien vor die auf Basis der erarbeiteten Literaturdatenbank zusammengestellt wurden Tabelle 5 bezieht sich auf Monitoring-Studien aus Deutschland und der Schweiz Datenbasis bildet hier das Gutachten des Rheinisch-Westfaumllischen Instituts fuumlr Wasser aus dem Jahr 2010 Die Daten wur-den auch hier nach Substanzklassen geordnet

35

Wirkstoff Konzentration Matrix Herkunft Referenz

Tetracycline

Tetracyclin N=181 43 positiv max 66 mgkg NordrheinWestfalen Grafe 2000

Tetracyclin N=344 50 positiv max 46 mgkg Schweineguumllle Weser-Ems-Gebiet Engels 2004

Tetracyclin N= 380 111 29 positiv Schweineguumllle Bayern Harms und Meyer 2006

Tetracyclin max 23 mgkg Schweineguumllle Oumlsterreich Martigravenez-Carballo et al 2007

TetracyclinN=5 Schweineguumllle 3 positiv max 15 microgkg

N= 8 Rinderguumlllen 2 positiv max 12 microgkg

Schweineguumllle Rinderguumllle

nach der Fermentation Japan Motoyama et al 2011

TetracyclinN=34 Guumllle 12 positiv max 245 mgkg TS

N=35 Gaumlrreste 9 positiv max 1703 mgkg TS

Guumllle und Gaumlrreste von

Schwein und RindNordrhein-Westfalen Ratsak et al 2013

Chlortetracyclin max 112 mgkg Schweineguumllle Groszligbritanien Blackwell et al 2005

Chlortetracyclin N=380 44 positiv max 330 mgkg Schweineguumllle Weser-Ems-Gebiet Engels 2004

Chlortetracyclin N= 380 140 positiv max gt01 mgkg Schweineguumllle Bayern Harms und Meyer 2006

Chlortetracyclin max 46 mgkg Schweineguumllle Oumlsterreich Martigravenez-Carballo et al 2007

ChlortetracyclinN=5 Schweineguumllle 2 positiv max 280 microgkg




Chlortetracyclin N=34 Guumllle 7 positiv max 360 mgkg TS Guumllle von Schwein und Rind Nordrhein-Westfalen Ratsak et al 2013

Chlortetracyclin max 588 mgkg Schweineguumllle Tschechien Tylovaacute et al 2010

Oxytetracyclin N= 380 16 positiv (4) max 09 mgkg Schweineguumllle Bayern Harms und Meyer 2006

Oxytetracyclin max 29 mgkg Schweineguumllle Oumlsterreich Martigravenez-Carballo et al 2007

OxytetracyclinN=5 Schweineguumllle 1 positiv max 13 microgkg




Oxytetracyclin N=34 Guumllle 5 positiv max 149 mgkg TS Guumllle von Schwein und Rind Nordrhein-Westfalen Ratsak et al 2013

Doxycyclin N= 380 5 positiv max 07 mgkg Schweineguumllle Bayern Harms und Meyer 2006

Doxycyclin max 099 mgkg Schweineguumllle Tschechien Tylovaacute et al 2010

Sulfonamide

Sulfamethazin 87 mgkg Rinder und Schweineguumllle Schweiz Haller et al 2002

Sulfamethazin N=380 181 positiv (48) max 4 mgkg Schweineguumllle Bayern Harms und Meyer 2006

Sulfamethazin N=4 2 positiv max 006 mgkg Pfeifer et al 2002

Sulfamethazin N=5 1 positiv 9990 microgkg TS Rinderdung Kanada Aust et al 2008

N-4-Sulfamethazin 26 mgkg Rinder und Schweineguumllle Schweiz Haller et al 2002

N-4-Sulfamethazin N=380 117 positiv (31) max gt 005 mgkg Schweineguumllle Bayern Harms und Meyer 2006

Sulfadiazin N=380 19 positiv Schweineguumllle Bayern Harms und Meyer 2006

SulfadiazinN=34 Guumllle 5 positiv max065 mgkg TS




4-Hydroxy-SulfadiazinN=34 Guumllle 8 positiv max 905 mgkg TS




N-Acetyl-SulfadiazinN=34 Guumllle 6 positiv max 015 mgkg TS




SulfadimidinN=34 Guumllle 6 positiv max 704 mgkg TS




Sulfadimidin max gt 20 mgkg Schweineguumllle Oumlsterreich Martigravenez-Carballo et al 2007

Sulfathiazol 124 mgkg Rinder und Scheineguumllle Schweiz Haller et al 2002

SulfamonomethoxinN=5 Schweineguumllle 1 positiv max210 microgkg




SulfamethoxazoleN=5 Schweineguumllle 4 positiv max 35 microgkg

N= 8 Rinderguumlllen 1 positiv max10 microgkg



SulfamethoxypyridazinN=34 Guumllle 4 positiv max 002 mgkg TS




Sulfaquinoxalin N=34 Guumllle 3 positiv max 067 mgkg TS Guumllle von Schwein und Rind Nordrhein-Westfalen Ratsak et al 2013

Makrolide

Tylosin 116 mgkg Rinderguumllle De Liguoro et al 2003

Fluorchinolone

Enrofloxacin max 075 mgkg Schweineguumllle Oumlsterreich Martigravenez-Carballo et al 2007

EnrofloxacinN=34 Guumllle 5 positiv max 055 mgkg TS




LevofloxacinN=5 Schweineguumllle 1 positiv max 27 microgkg




CiprofloxacinN=5 Schweineguumllle 1 positiv max 64 microgkg




CiprofloxacineN=34 Guumllle 3 positiv max 007 mgkg TS




Marbofloxacin N=34 Guumllle 3 positiv max 005 mgkg TS Guumllle von Schwein und Rind Nordrhein-Westfalen Ratsak et al 2013

Andere

Tiamulin 004 mgkg Schweineguumllle Deutschland Schluumlsener et al 2003

Tiamulin N=380 1 positiv max 05 mgkg Schweineguumllle Bayern Harms und Meyer 2006

Salinomycin 001 mgkg Schweineguumllle Deutschland Schluumlsener et al 2003

Tab 4 Vorkommen von Tierarzneimitteln in Guumllle (internatio-nal) Datenquelle ausge-wertete Untersu-chungen aus der Literaturdatenbank

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Wirkstoff Matrix Herkunft Statistik Proben Wert Einheit Referenz

Tetracycline

Tetracyclin Deutschland median - 11400 microgkg Kues et al (2004)

Tetracyclin Schweineguumllle Deutschland Min - 360 microgkg Sattelberger et al (2005)

Tetracyclin Schweine-Kaumllberguumllle Niedersachsen Min 7 100 microgkg Houmlper et al (2002)

Tetracyclin Schweineguumllle Deutschland Max - 23000 microgkg Sattelberger et al (2005)

Tetracyclin Deutschland Max - 349 microgkg Houmlper et al (2002)

Tetracyclin Schweineguumllle Deutschland Max - 41000 microgkg Kues et al (2004)

Tetracyclin Schweineguumllle Deutschland Min - 900 microgkg Winckler et al (2004)

Tetracyclin Deutschland Min - 1500 microgkg Winckler et al (2004)

Tetracyclin Schweineguumllle Deutschland Min - 14000 microgkg Kues et al (2004)

Tetracyclin Deutschland Max - 28900 microgkg Winckler et al (2004)

Tetracyclin Schweineguumllle Deutschland Max - 43100 microgkg Winckler et al (2004)

Tetracyclin Schweine-Kaumllberguumllle Max 181 66000 microgkg Winckler und Grafe (2001)

Tetracyclin Deutschland Max - 66000 microgkg Kues et al (2004)


Chlortetracyclin Schweine-Kaumllberguumllle Niedersachsen Max 7 2700 microgkg Houmlper et al (2002)

Chlortetracyclin Deutschland Max - 203300 microgkg Winckler et al (2004)

Chlortetracyclin Schweine-Kaumllberguumllle Niedersachsen Min 7 100 microgkg Houmlper et al (2002)

Chlortetracyclin Deutschland Max - 1435 microgkg Houmlper et al (2002)

Chlortetracyclin Schweineguumllle Deutschland Min - 100 microgkg Sattelberger et al (2005)

Chlortetracyclin Schweineguumllle Deutschland Max - 2700 microgkg Kues et al (2004)

Chlortetracyclin Deutschland Min - 21500 microgkg Winckler et al (2004)

Chlortetracyclin Schweineguumllle Deutschland Max - 46000 microgkg Sattelberger et al (2005)


Oxytetracyclin Schweine-Kaumllberguumllle Max 1 19 microgkg De Liguoro et al (2003)

Oxytetracyclin Schweineguumllle Deutschland Max - 29000 microgkg Sattelberger et al (2005)

Oxytetracyclin Schweineguumllle Deutschland Min - 210 microgkg Sattelberger et al (2005)

Oxytetracyclin Deutschland Max - 19000 microgkg Hamscher et al (2004)

Sulfonamide

Sulfamethazin Schweine-Kaumllberguumllle Max - 40 microgkg Langhammer et al (1988)

N4-Acetyl-Sulfamethazin Schweine-Kaumllberguumllle Max 6 26 microgkg Haller et al (2002)

Sulfadimidin Schweineguumllle Deutschland Max - 7000 microgkg Kues et al (2004)

Sulfadimidin Schweineguumllle Deutschland Max - 20000 microgkg Sattelberger et al (2005)

Sulfadimidin Schweineguumllle Bayern Max - 1700 microgL Weiss et al (2007)

Sulfadimidin Schweineguumllle Deutschland Min - 700 microgkg Winckler et al (2004)

Sulfadimidin Schweineguumllle Deutschland lt - 500 microgkg Kues et al (2004)

Sulfadimidin Schweineguumllle Bayern Min - 140 microgL Weiss et al (2007)

Sulfadimidin Schweineguumllle Schweiz Einzelwert 1 144 microgL Burkhardt (2007)


Sulfadimidin Schweine-Kaumllberguumllle Deutschland Max - 40000 microgkg Hamscher et al (2004)

Sulfadimidin Schweine-Kaumllberguumllle Niedersachsen Max 7 2900 microgkg Houmlper et al (2002)

Sulfadimidin Schweineguumllle Deutschland Max - 167000 microgkg Winckler et al (2004)

Sulfadimidin Deutschland Max - 1100 microgkg Alexy und Kuumlmmerer (2005a)

Acetyl-Sulfadimidin Schweineguumllle Bayern Min - 120 ugl Weiss (2008)

Acetyl-Sulfadimidin Schweineguumllle Bayern Max - 1000 ugl Weiss (2008)

Sulfadiazin Schweineguumllle Deutschland Max - 35200 microgkg Winckler et al (2004)

Sulfadiazin Schweineguumllle Deutschland Min - 4900 microgkg Winckler et al (2004)

Sulfadiazin Schweine-Kaumllberguumllle Max 7 1100 microgkg Houmlper et al (2002)

Sulfadiazin Schweineguumllle Deutschland Max - 1100 microgkg Kues et al (2004)

Sulfadiazin Schweine-Kaumllberguumllle Niedersachsen Min 7 300 microgkg Houmlper et al (2002)

Sulfadiazin Schweine-Kaumllberguumllle Niedersachsen Max 7 1100 microgkg Houmlper et al (2002)

Sulfadimethoxin Schweine-Kaumllberguumllle lt 7 20 microgkg Houmlper et al (2002)

Sulfadimethoxin Deutschland lt - 20 microgkg Kues et al (2004)

Sulfamerazin Deutschland lt - 20 microgkg Kues et al (2004)

Sulfamerazin Schweine-Kaumllberguumllle lt 7 20 microgkg Houmlper et al (2002)

Sulfamethoxazol Schweine-Kaumllberguumllle lt 7 20 microgkg Houmlper et al (2002)

Sulfamethoxypyridazin Schweine-Kaumllberguumllle lt 7 20 microgkg Houmlper et al (2002)

Sulfathiazol Deutschland Max - 12400 microgkg Kues et al (2004)

Sulfathiazol Schweine-Kaumllberguumllle Max 6 12400 microgkg Houmlper et al (2002)

Trimethoprim Schweine-Kaumllberguumllle lt 6 01 microgkg Haller et al (2002)

Trimethoprim Deutschland lt - 100 microgkg Hamscher et al (2004)

Tab 5 Vorkommen von Tierarzneimitteln in Guumllle (Deutschland und Schweiz) Daten extrahiert aus IWW2010 Fortsetzung naumlchste Seite

37


Makrolide

Tylosin Schweine-Kaumllberguumllle lt 7 20 microgkg Houmlper et al (2002)

Tylosin Schweineguumllle Bayern Min - 10 microgL Weiss et al (2007)

Tylosin Schweineguumllle Bayern Max - 320 microgL Weiss et al (2007)

Fluorchinolone

Enrofloxacin Schweineguumllle Bayern Min - 50 ugl Weiss et al (2007)

Enrofloxacin Schweineguumllle Bayern Max - 40 microgkg Weiss et al (2007)

Enrofloxacin Schweineguumllle Deutschland Min - 130 microgkg Sattelberger et al (2005)

Enrofloxacin Schweineguumllle Bayern Max - 116 microgL Weiss et al (2007)

Enrofloxacin Schweineguumllle Deutschland Max - 750 microgkg Sattelberger et al (2005)

Ciprofloxacin Schweineguumllle Bayern Max - 28 ugl Weiss et al (2007)

Ciprofloxacin Schweineguumllle Bayern Min - 5 ugl Weiss et al (2007)

Andere

Salinomycin Schweine-Kaumllberguumllle Max 2 10 microgkg Schluumlsener et al (2003)

Tiamulin Schweine-Kaumllberguumllle Max 2 40 microgkg Schluumlsener et al (2003)

Abamectin Rinderguumllle Deutschland Max - 9000 microgkg Kaiser et al (1998)

Amino-Flubendazol Schweineguumllle Bayern Max - 110 ugl Weiss et al (2007)

Amino-Flubendazol Schweineguumllle Bayern Min - 32 ugl Weiss et al (2007)

Flubendazol Schweineguumllle Bayern Min - 20 microgL Weiss et al (2007)

Flubendazol Schweineguumllle Bayern Max - 56 microgL Weiss et al (2007)

Hydroxy-Flubendazol Schweineguumllle Bayern Min - 19 microgL Weiss et al (2007)

Hydroxy-Flubendazol Schweineguumllle Bayern Max - 38 microgL Weiss et al (2007)

Die Behandlung groszliger Tierbestaumlnde uumlber laumlngere Zeitraumlume mit Antibiotika ist in manchen Faumlllen in der Intensiventierhaltung unvermeid-bar Diese Behandlung birgt jedoch das Risiko von Resistenzbildungen gegen die eingesetzten Antibiotika Resistente Staumlmme wurden bereits bei Darmbakterien von Masttieren gefunden Uumlber die Verarbeitung der Tiere gelangen diese bereits auch in rohes Fleisch Rohwurstwaren Kuhmilch und Rohmilchkaumlse Diese Antibiotika-Resistenz-Gene koumlnnen auf die Bakterien im Darm des Menschen uumlbertragen werden (Fent 2007)

35 Transformationsprozesse von Stoffen in der Umwelt

Biozid- und Tierarzneimittelruumlckstaumlnde die zum Beispiel durch die

Ausbringung von Guumllle auf landwirtschaftliche Flaumlchen gelangen koumln-nen strukturellen Veraumlnderungen unterliegen Das ist fuumlr die Oumlkotoxiko-logie von Bedeutung da ein Stoff in der Umwelt nicht stabil ist sondern durch abiotische und biotische Prozesse umgewandelt wird Durch diese Umwandlungs- oder Transformationsprozesse kann sich die Toxizitaumlt veraumlndern Es koumlnnen weniger toxische Transformationsprodukte ent-stehen was eine Deaktivierung des Stoffes zur Folge haben kann (Fent 2007) Ebenso koumlnnen toxische Transformationsprodukte entstehen wie zum Beispiel bei Enrofloxacin zu beobachten Hier wurde das ebenfalls aktive Transformationsprodukt Ciprofloxacin nachgewiesen (Gans et al 2005)

Fortsetzung Tab 5 Vorkommen von Tierarzneimitteln in Guumllle (Deutschland und Schweiz) Daten extrahiert aus IWW 2010

38

Abiotische Transformationsprozesse wie Photolyse Hydrolyse Oxidation und Reduktion sind moumlglich Biotische Transformationen wer-den durch enzymatische Reaktionen bedingt zB Alkylierung von Metal-len Dechlorierung oder Mineralisierung (Fent 2007)

Reduktive Prozesse laufen meist im anaeroben Milieu ab Eisen-Redoxsysteme oder an Proteine gebundene Porphyrine die durch den Zerfall biologischen Materials frei werden uumlbertragen Elektronen vom reduzierten organischen Substrat auf den Wirkstoff (Fent 2007)

Bei der Hydrolyse koumlnnen Reaktionen mit Hydroxyl-Ionen dazu fuumlhren dass CCl- oder CC- Einfachbindungen zu C-OH-Bindungen reagieren oder die Spaltung von CO-Doppelbildung erfolgt Folge sind meist weniger toxische Verbindungen Die Hydrolyse ist Temperatur- und pH-abhaumlngig (Fent 2007)

Biotische Transformationen sind mikrobielle Umwandlungsprozes-se in verschiedensten Umweltkomponenten wie zB der Guumllle Sie er-folgen mit Hilfe von Enzymen Dabei werden meist weniger toxische Metaboliten gebildet bis hin zur vollstaumlndigen Mineralisierung zu Koh-lendioxid und Wasser Diese Transformationen koumlnnen unter aeroben oder anaeroben Bedingungen unter Einsatz verschiedener Mikroorga-nismen erfolgen (Fent 2007)

Wenn Wirkstoffe durch biotische Prozesse nur wenig oder gar nicht abgebaut werden sind sie in der Regel persistent da die bioti-schen Prozesse fuumlr den Abbau von Stoffen meist eine deutlich groumlszligere Rolle spielen als die abiotischen Prozesse (Fent 2007)

4 Methode der Recherche

41 Erstellung einer Literaturdatenbank

Zur Literaturrecherche wurden die Literatursuchmaschinen bdquoISI

Web of Knowledgeldquo und bdquoGoogle Scholarldquo verwendet Dem ging die Ers-tellung einer umfangreichen Liste mit Suchbegriffen (keywords) zur sys-tematischen Suche voraus Durch Kombination der Kategorien 1 und 2 mit den Folgekategorien konnten die Suchergebnisse auf relevante Lite-ratur eingeschraumlnkt werden

39

1 2 3 4 5 6manure transformation veterinary medicine biocide florfenicolslurry metabolism drug pesticide tetracyclinefeces catabolism pharmaceutical disinfectant sulfonamidefaeces anabolism antibioticlagoon degradation antiparasitic

decompositiondissipationfatereactionconversionmanagement

Es wurden Forschungsberichte in deutscher und englischer Spra-

che beruumlcksichtigt Der auszuwertende Publikationszeitraum umfasst die Jahre von 1990 bis heute Bei der Sammlung von Publikationen wurde auch den relevanten Querverweisen in der Literatur nachgegangen

Zusaumltzlich wurden verschiedene Landesumweltaumlmter und auch Verbaumlnde angeschrieben um graue Literatur wie Reporte uumlber das be-treffende Thema zu erhalten

Ministerium fuumlr Energieende Umwelt Landwirtschaft und laumlndliche Raumlume des Landes

Schleswig-Holstein

Landesamt fuumlr Natur Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV) Recklinghausen

Bayrisches Staatsministerium fuumlr Ernaumlhrung Landwirtschaft und Forsten

Bayerische Landesanstalt fuumlr Landwirtschaft (LfL)

Bayerisches Staatsministerium fuumlr Umwelt und Gesundheit Muumlnchen

Institut fuumlr Agraroumlkologie Oumlkologischen Landbau und Bodenschutz (IAB)Freising

Thuumlringer Ministerium fuumlr Landwirtschaft Forsten Umwelt und Naturschutz Abteilung

LandwirtschaftMarkt Ernaumlhrung

Thuumlringer Landesanstalt fuumlr Landwirtschaft (TLL) Jena Abteilung Tierproduktion

Landwirtschaftliches Zentrum fuumlr Rinderhaltung Gruumlnlandwirtschaft Milchwirtschaft

Wild und Fischerei Baden-Wuumlrttemberg (LAZBW) Aulendorf

Saumlchsische Landesanstalt fuumlr Landwirtschaft

Landesamt fuumlr Landwirtschaft Lebensmittelsicherheit und Fischerei Mecklenburg-

Vorpommern

Hessisches Landesamt fuumlr Umwelt und Geologie

Biogas eV

Biogas Union

Ebenso erfolgte eine Kontaktaufnahme mit Ansprechpartnern in

Kanada und Suumldkorea Durch diese Kontakte fand eine Einarbeitung in die jeweilige Situation vor Ort statt Dr Edward Topp Agriculture and Agri-Food Canada 1391 Sandford Street London ON N5V 4T3 Canada

Tab 6 Liste der ein-gesetzten Keywords

Tab 7 Liste der angeschriebenen Landesaumlmter und Institutionen

40

Dr Jin-Wook Kwon Ministry for Food Agriculture Forestry and Fisheries 620-2 Amnam-dong Seo-gu Busan

Rep of Korea

Die Literaturstellen wurden gesammelt und in das Literaturverwal-tungsprogramm Citavi eingepflegt Citavi ist ein Literaturverwaltungs-programm fuumlr Microsoft Windows Es wurde von der Firma Swiss Aca-demic Software entwickelt

Die Citavi-Literaturdatenbank umfasst Quellen die sich unter ver-schiedenen Blickwinkeln im weitesten Sinn mit Umweltbelastungen durch Wirkstoffruumlckstaumlnde aus Tierhaltung beschaumlftigen Diese in der Datenbank aufgefuumlhrte Literatur wurde nach Themenschwerpunkten unter verschiedenen Kategorien geordnet

- Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle - Transformation im Boden oder im BodenGuumllle-Gemisch - Sorption - Stoffverhalten in aquatischen Systemen - Stable Manure Composting - Treatment - Antibiotikaresistenzgene - Monitoring - Biogas Methangas (Antibiotika) - Kupfer - Metabolismus im Tier - Pflanzen VMP-Aufnahme - Rechtliche Aspekte - Internationale Situation unter agrarwissenschaftlichen Aspekten - Sonstige

Abb 15 Benutzeroberflaumlche des Literaturverwal-tungsprogramms CITAVI

41

42 Erstellung einer Datenbank der ausgewerteten Texte (Datener-

hebung)

Die in die Citavi-Liste eingetragene Literatur umfasst auch Publika-

tionen die fuumlr die vorliegende Arbeit nur mittelbar interessant sind Des-halb wurde fuumlr die dieser Arbeit zugrunde liegenden Datenbank aus den 584 Citavi-Eintraumlgen 51 Publikationen ausgewaumlhlt die sich gezielt mit Abbauprodukten oder Transformationsprozessen von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle von Rindern und Schweinen befassen

Diese Literatur wurde systematisch in eine Excel-Datenbank uumlber-fuumlhrt um spezielle Parameter der Veroumlffentlichungen zu erfassen und diese untereinander vergleichen zu koumlnnen

Beruumlcksichtigt wurden dabei Parameter wie zum Beispiel unter-suchte Stoffe und Stoffmengen Matrixcharakterisierung aerobe

anaerobe Bedingungen Transformationsprodukte Methoden und Analytik der Studien

Um eine Visualisierung der unterschiedlichen Themenbereiche und deren Autorenschaft zu ermoumlglichen wurde mit dem Open Source Programm wwwmapequationorg eine Citationmap angelegt (siehe Abb 45) Diese ist ebenfalls Teil der Auswertung wie die geografische Dar-stellung der Institutionen die sich mit diesem Thema beschaumlftigen Ver-wendet wurde hierfuumlr das Open Source Programm Google-Fusion-Tables (siehe Abb 43)

Literaturdatenbank (Citavi)

Auswertungsdatenbank (Excel)

Auswahl

Bearbeitung Spezifische Auswertung

(Tabellen)

Abb 16 Darstellung der Arbeitsschritte

42

5 Auswertung der ausgewaumlhlten Transformationsstudien

51 Welche Tierarzneimittel und Biozide wurden untersucht

In den Guumlllen von Schweinen und Rindern wurden bislang haupt-saumlchlich Antibiotika der Substanzgruppen Tetracycline und Sulfonamide untersucht Diese gehoumlren auch zu den am haumlufigsten eingesetzten Mit-tel in der intensiven Tierhaltung (siehe Tab 1) Auffallend ist dass die Untersuchung von Biozid-Transformationen in Guumllle bis heute in der Forschung relativ wenig Beachtung gefunden hat In der nachfolgenden Tabelle sind den einzelnen Wirkstoffen entsprechende Publikationen zugeordnet Unter der Rubrik bdquoOtherldquo sind neben Antibiotika auch Anti-parasitika und Hormone aufgefuumlhrt

43

Tab 8 Testsubstan-zen der ausgewerte-ten Transformations-studien geordnet nach Substanzklas-sen

44

52 Methoden und Analyseverfahren

Um die Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle zu untersuchen wurden verschiedene Versuchsaufbauten und Metho-den angewandt Ziel ist es die Bedingungen der verschiedenen Lage-rungen von Guumllle und Dung im Labor nachzustellen

Hierzu werden anaerobe Bedingungen gewaumlhlt um die Lagerung in Guumllletanks oder in dem in Nordamerika weit verbreiteten System der Lagoons zu simulieren

Im Falle eines aeroben Versuchsaufbaus werden im Labor die Be-dingungen von Kompostierung nachgestellt Da die Lagerung auf Kom-postierungshaufen meist mit festen Bestandteilen durchgefuumlhrt wird werden im Labor meist Dungproben verwendet die einen groszligen Tro-ckensubstanzanteil aufweisen oder es kommen Gemische aus Guumllle und Biomasse (Einstreu etc) zur Anwendung

Im Vergleich dazu wurden auch einige wenige Feldversuche durchgefuumlhrt (Szatmari et al 2011)

Grundsaumltzlich kommen zwei unterschiedliche Methoden zur An-wendung Entweder wird Guumllle von mit Antibiotika behandelten Tieren untersucht oder die Guumllle unbehandelter Tiere wird im Labor gespiket Im Gegensatz zu gespikter Guumllle enthaumllt die hier als medicated bezeich-net Guumllle (von behandelten Tieren) bereits Metaboliten die im Stoff-wechsel des Tieres entstanden sind (Arikan et al 2006)

Die nachfolgenden zwei Tabellen zeigen die untersuchten Stoffe gegliedert in spiked und medicated unter aeroben und anaeroben Ver-suchsbedingungen

45

Tab 9 Testsubstan-zen unter aeroben Versuchsbedingun-gen geordnet nach Art der Guumllle (medi-cated spiked)

46

Tab 10 Testsubs-tanzen unter anae-roben Versuchsbe-dingungen geordnet nach Art der Guumllle (medicated spiked) (semi)anaerobic da Redoxpotentiale uumlber -100mV

47

Um den Verbleib der Wirkstoffe in der Guumllle darzustellen koumlnnen verschiedenen Methoden zur Anwendung kommen

Zwei OECD-Richtlinien beschreiben verschiedene Testsysteme die prinzipiell fuumlr die Transformationsuntersuchung von Guumllle verwendet werden koumlnnen Die OECD-Richtlinie 304 A (OECD 2002) beschreibt ein Batch-System die OECD-Richtlinie 307 ein zusaumltzlich sich daran anschlieszligendes Flow-Through-System (OECD 2002)

Prinzipiell gibt es die Moumlglichkeit mit Hilfe eines radioaktiv mar-kierten Stoffes dessen Verbleib und somit das Verhalten der applizierten Testsubstanz in komplexen Umweltmatrices darzustellen Es ist so moumlg-lich zwischen mineralisierten extrahierbaren und nicht extrahierbaren Ruumlckstaumlnden (NER) zu differenzieren (Kreuzig et al 2005a Kreuzig et al 2010)

Folgendes Beispiel zeigt den Versuchsaufbau eines Batch-Systems

Das System ist ausgestattet mit einem Einlass- und Auslassventil welche einen diskontinuierlichen Gasaustausch ermoumlglichen Es sind anaerobe sowie aerobe Versuchsaufbauten moumlglich

Im Innern der Flasche befindet sich eine 14C-CO2 Falle die mit Ka-liumhydroxid gefuumlllt ist um 14C-CO2 zu absorbieren Das 14C-CO2 ent-steht bei der Mineralisation der markierten Substanzen

Fuumlr den Test der Bioverfuumlgbarkeit von Chemikalien im Boden un-ter aeroben oder anaeroben Bedingungen wird von der OECD 2002 die Richtlinie 307 ein Durchflusssystem vorgeschlagen Dieses wird fuumlr die Untersuchung von Tierarzneimitteln in Guumllle ebenfalls verwendet Es soll fluumlchtige Abbauprodukte der Testsubstanz die in die Gasphase uumlberge-gangen sind erfassen Dabei wird angefeuchtete Luft oder Stickstoff zur

Abb 17 Batch-System 1 Einlassventil 2 Auslassventil mit Aktivkohlefilter 3 14C-Kohlendioxid-Absorbtionsfalle mit Kaliumhydroxid-Loumlsung (8 mL 01 M) 4 Guumllle (Kreuzig et al 2005a Kreuzig et al 2010)

48

Einhaltung von aeroben bzw anaeroben Bedingungen kontinuierlich durch das Probengefaumlszlig geleitet Dieser Gasfluss wird anschlieszligend durch Waschflaschen geleitet die als Fallen fuumlr fluumlchtige Stoffe fungie-ren

Fallen mit Ethylenglykol dienen zur Absorption von fluumlchtigen or-ganischen14C-haltigen Substanzen Schwefelsaumlure zur Absorption von 14C-haltigen anorganischen Substanzen und Fallen mit Kaliumhydroxid zur 14C-CO2 Absorption (Heise 2007)

14C-Methan wird bei einem mikrobiologischen Abbau markierter Substanzen freigesetzt Die 14C-Methan-Bestimmung muss indirekt er-folgen Dafuumlr muss die 14C-CO2 freie Gasphase in eine Verbrennungs-apparatur geleitet werden in der das Methan zu 14C-CO2 oxidiert wird Dieses wird anschlieszligend wieder in einer Szintillations-Mischung absor-biert (Kreuzig et al 2005a Kreuzig et al 2010)

Einen aumlhnlichen Versuchsaufbau waumlhlte Teeter und Meyerhoff zur Untersuchung von Tylosin in Schweine- und Rinderguumllle Hier wird die Flasche mit den Exkrementen die 14C-Tylosin enthalten unter aeroben Bedingungen fuumlr 30 Tage inkubiert Die Flasche ist angeschlossen an ein Fallensystem und steht unter Vaccumfluss der Umgebungsluft von 20degC Wie oben beschrieben sind Fallen fuumlr fluumlchtige organische Subs-tanzen und fuumlr 14C-CO2 angeschlossen (Teeter und Meyerhoff 2003)

Abb 18 Flow-Through-System 1 Durchflussmesser 2 Gasbefeuchtung 3 Guumllle 4 Ethylenglykol 5 Schwefelsaumlure 67 Kaliumhydroxid-Loumlsung 8 Blasenzaumlhler (Heise2007)

49

Die entnommenen Proben werden zunaumlchst homogenisiert und einer Extraktion unterzogen wobei als waumlssriges Loumlsungsmittel meist ein EDTA-McIlvain-Puffer verwendet wird Ein McIlvain-Puffer enthaumllt als Chelatierungsreagentien Citronensaumlure und EDTA Damit soll die Komp-lexierung der Substanz mit Kationen aus der Matrix verhindert werden (Roumlmpp 1999 Vockel 2005)

Bei der Extraktion mit EDTA-McIlvain-Puffer der meist auf pH 4 eingestellt ist kann vor allem bei dem pH-instabilen Chlortetracyclin das Problem einer Epimerisierung auftreten Ebenfalls koumlnnen in Abhaumlngig-keit von dem pH-Wert auch Isomere Keto-Enol-Tautomere sowie An-hydroverbindungen entstehen (Vockel 2005)

Fuumlr die anschlieszligende Aufreinigung biologischer Proben wurden in den ausgewerteten Studien verschiedene Methoden angewendet wie zum Beispiel Fluumlssig-Fluumlssig-Extraktion (LLE) meistens Festphasenex-traktion (SPE) (Schluumlsener et al 2006 Jacobsen und Halling-Soslashrensen 2006) oder Festphasenmikroextraktion (SPME)(Dreher et al 2012)

Zur Analyse der Probe kommt haumlufig die Hochdruckfluumlssigkeits-chromatographie (HPLC) zum Einsatz (Wang und Yates 2008 Thiele-Bruhn und Peters 2007 Teeter und Meyerhoff 2003)

Zur chromatographischen Trennung wurden verschiedene Saumlu-lenmaterialien und Laufmittelgemische beschrieben Als Laufmittel wur-den uumlberwiegend Gemische aus Wasser (gepuffert) und polaren Louml-sungsmitteln wie Methanol oder Acetonitril (Wang und Yates 2008) verwendet Als Saumlulenmaterialien wurden ua Silicagel-Phasen wie C18- (Thiele-Bruhn und Peters 2007 Hu et al 2008) und C8- einge-setzt (Martiacutenez-Carballo et al 2007) Zur Detektion wurde vor allem die UV-Detektion mit einem Dioden-Array-Detektor (DAD) oder die Mas-

Abb 19 Flow-Through Ver-suchsaufbau (Teeter und Meyer-hoff 2003)

50

senspektrometrie (MS) verwendet Letztere zeichnet sich durch sehr hohe Selektivitaumlt und hohe Empfindlichkeit aus (Vockel 2005)

Die Tandemmassenspektrometrie (LC-MSMS) ist das am haumlu-figsten angewendete quantitative Analyseverfahren zum Nachweis von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle oft im MRM-Mode (Multiple Reaction Monitoring) Der Nachweis der Muttersubstanz selbst sowie Metaboliten oder Transformationsprodukte ist hier moumlglich Hierzu wer-den entweder Triple-Quadrupol Massenspektrometer oder Ion-Trap Massenspektrometer eingesetzt Diese sind in der Regel an ein Trenn-system LC oder HPLC gekoppelt In der folgenden Abbildung ist der Aufbau eines Triple-Quadrupol gekoppelt mit einer HPLC dargestellt

Als erstes erfolgt die chromatographische Trennung daran an-schlieszligend die Ionisierung der Substanzen die mit verschiedenen Techniken moumlglich ist APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionizati-on) PB (Particle Beam Ionization FAB (Fast Atom Bombardment) und ESI (Electrospray Ionization) Die Electrospray Ionisation ist die am haumlu-figsten eingesetzte Technik Sie kann im negativ- wie auch im positiv-Modus betrieben werden abhaumlngig von der Testsubstanz (Vockel 2005)

Fuumlr die Bestimmung 14C-markierten Substanzen kommt die Fluumls-sigszintillationsmessung (LSC) zur Anwendung Dabei uumlbertragen die radioaktiv makierten Stoffe der Proben in einem Szintillations-Cocktail kinetische Energie auf Szintillationsmolekuumlle welche Photonen emittie-ren die uumlber Photo-Multiplier-Systeme detektiert werden koumlnnen (Heise 2007)

Abb 20 Aufbau eines Triple-Quadrupol gekoppelt mit einer HPLC (Schmidt 2006)

51

Mit Hilfe dieser 14C-Makierung kann zwischen extrahierbaren und nicht-extrahierbaren Ruumlckstaumlnden sowie der Mineralisierung der Test-substanzen unterschieden werden Die extrahierten Uumlberstaumlnde von Guumllleproben koumlnnen mit einer Szintillationsmischung versetzt werden und mittels LSC bestimmt werden (Heise 2007) Die Mineralisierung der Testsubstanz kann mittels der freigesetzten Menge von 14C-CO2 das durch mikrobiellen Abbau entsteht bestimmt werden (Heise 2007)

Die Bestimmung der nicht-extrahierbaren Ruumlckstaumlnde in Guumllle kann zusaumltzlich durch deren vollstaumlndige Verbrennung erfolgen Ein Verbrennungsautomat dient in Verbindung mit der Fluumlssigszintillations-messung zur Detektion von radioaktiven Substanzen in festen Proben Durch die Verbrennung werden die radioaktiven Verbindungen zu 14C-CO2 oxidiert anschlieszligend in einem Szintillations-Cocktail absorbiert und mittels LSC gemessen (Heise 2007)

53 Abbau und Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden

Im Folgenden sollen exemplarisch Untersuchungsergebnisse aus

den ausgewerteten Transformationsstudien vorgestellt werden Da in diesen Studien die unterschiedlichen Stoffe unter unterschiedlichen Be-dingungen mit unterschiedlichen Methoden und Analyseverfahren unter-sucht wurden werden nachfolgend einzelne Ergebnisse unter spezifi-schen Clustern zusammengefasst Da das Abbauverhalten bzw die Transformationsprozesse neben den inhaumlrenten Stoffeigenschaften auch von verschiedenen aumluszligerlichen Faktoren beeinflusst werden sol-len diese zunaumlchst kurz beschrieben werden Die beiden folgenden Ta-bellen auf Seite 53 bis 56 zeigen einen Gesamtuumlberblick der Versuchs-ergebnisse geordnet einmal hinsichtlich des Abbauverhaltens und der Halbwertszeiten einmal hinsichtlich der entstandenen Metaboliten und Transformationsprodukte

531 Einflussfaktoren

Einfluss der Matrix

Zunaumlchst ist eine genaue Charakterisierung der Matrix von Bedeu-tung Soweit in den ausgewerteten Publikationen angegeben sind Da-ten zur Matrixcharakterisierung in einer Auswertungstabelle erfast wor-den Diese beziehen sich auf den pH-Wert Trockenmassegehalt Anga-ben zu Stickstoff und organischem Kohlenstoff Nicht bei allen ausge-werteten Untersuchungen konnten diese Daten erhoben werden

52

Zum Beispiel zeigten Loftin et al (2005) die Abhaumlngigkeit des Ab-baus von Chlortetracyclin von dem pH-Wert der Loumlsung Es ergaben sich Halbwertszeiten von 16 Stunden bei einem pH-Wert von 7 und eine Halbwertszeit von 293 Stunden bei pH 5 bei konstanter Temperatur von 22degC

Einfluss der Trockensubstanz

Der Anteil der Trockensubstanz bestimmt die Houmlhe der Adsorption der Stoffe an die feste Phase Durch einen houmlheren Trockensubstanz-gehalt der Guumllle erhoumlht sich die Moumlglichkeit fuumlr die Substanzen an die feste Phase zu sorbieren aufgrund der Faumlhigkeit Komplexe mit zwei-wertigen Kationen oder organischem Material zu bilden Die Adsorption an die feste Phase scheint allerdings auf die freien Adsorptionsplaumltze an der Oberflaumlche der Guumlllepartikel limitiert zu sein (Aacutelvarez et al 2010)

Zum Beispiel zeigte eine Erhoumlhung der Anfangskonzentrationen von Oxytetracyclin und Chlortetracyclin auch eine erhoumlhte Konzentration in der wasserloumlslichen Phase waumlhrend die Konzentration der an die Festphase adsorbierten Substanz sowohl bei niedriger als auch hoher Konzentrationsstufe (50 und 100 mgL) des Versuchs konstant blieb (Aacutelvarez et al 2010)

Einfluss aerober oder anaerober Bedingungen

Die Laborversuche unter aeroben oder anaeroben Bedingungen die jeweils Kompostierungs- oder geschlossene Gaumlrprozesse simulie-ren stellen einen entscheidenden Einflussfaktor zur Untersuchung der Abbau- und Transformationsvorgaumlnge dar

In den ausgewerteten Studien wird generell zwischen aeroben und anaeroben Versuchsbedingungen unterschieden (siehe Tab 9 und 10)

Aerobe Bedingungen zeigen verbesserten Abbau von Arzneimit-teln in Guumllle (Kuumlhne et al 2000 Wang et al 2006) Auch Thiele-Bruhn (2003) gibt an dass Xenobiotika - zu denen Tierarzneimittel gehoumlren - schneller und vollstaumlndiger unter aeroben Bedingungen abgebaut wer-den als unter anaeroben (Varel et al 2012)

In Simulationstests in Wasser-Sedimentsystemen wird unterhalb eines Redoxpotentials von -100 mV von anaeroben Versuchsbedingun-gen ausgegangen In Guumllletanks liegen jedoch typischerweise noch we-sentlich niedrigere Redoxpotentiale vor (Weinfurtner 2011) Allerdings wird in nur wenigen Publikationen das Redox-Potential angegeben

Tab 11 Liste des Abbauverhaltens und der Halbwertszeiten unter verschiedenen

Versuchsbedingungen Datenquelle Auswertungsdatenbank

Compound Matrix Matrix‐Specifics Dry Matter Content pH‐Value AerobicAnaerobic Study Duration Study Temperature Initial Concentration Degradation () DT50 ReferencesTetracyclines

8degC 20 microgmL 538 55 days8degC 100 microgmL 504 57 daysoutdoor 20 microgmL 704 105 days

76 ‐ 87 (semi) anaerobic 20 mgL 43 9 days62 ‐ 64 aerobic 20 mgL 70 45 days

Tetracycline manure swine 43 85 aerobic 52 days

The central temperature in the pile soon went up to about 55degC within 5 days and nearly maintained above 55degC for the whole period except for some occasional down

04 mgkg DW 70 2236 (1002 adjusted) days Wu et al 2011

buffer‐extractable 59 mgL 75 removal of buffer extractable 18 days for buffer‐extractablewater‐soluble 032 plusmn 003 mgL 84 reduction of water‐soluble 12 days for water soluble

22 degC 65 mgL 738 degC 83 mgL 8055 degC 59 mgL 98

Chlortetracycline lagoon slurry swine ‐ 794 anaerobic 216 days10degC (0‐30 days) 12degC ( 30‐46 days) 15degC (46‐56 days) and 20degC (56‐216 days) 28 mgL 57 ‐ Stone et al 2009

Chlortetracycline manure swine 50 65 aerobic 42 days heating phase thermophilic phase cooling stage 8796 mgkg 30 866 days Bao et al 2009

Chlortetracycline manure swine 43 85 aerobic 52 days heating phase thermophilic phase 55degC cooling stage 29 mgkg DW 74 1695 (825 adjusted) days Wu et al 2011

Chlortetracycline manure cattle 70‐80 69 ‐ 81 aerobic126 days (2005) 105 days (2006) composting time scale 173 microgkg iso‐CTC iso‐CTC 99 135 ‐ 265 days iso‐CTC

55 ‐ 98 days enolketo‐CTC Cessna et al 2011

62‐73 22degC gt 21 days61‐63 38degC lt 5 days62‐66 55degC lt 5 days

Chlortetracycline liquid manure swine 4 48 aerobic 28 days 25 degC 500 microgg after 1 h 46 after 28 d irradiated samples 97 non‐irradiated samples 50 ‐ Thiele‐Bruhn und Peters 2007

Chlortetracycline manure‐ sawdust‐ mixture cattle 31 84 plusmn02 aerobic 30 days

55degC withinn 2‐3 days two weeks constant then declined to 40‐45degC until the third week and decreased to 20‐25degC by day 30

113plusmn2 (CTCECTC) microgg DW 18plusmn1 (ICTC) microgg DW

75‐79 within 7 days for CM and srerilized CM 98‐99 by the end of 30 days gt 99 for ICTC ‐ Arikan et al 2009

first batch active 875 mgkg non‐active 271 mgkg

50 after 2 month 64 until the end of 8 months storage period of the first batch

second batch active 691 mgkg non‐active 334 mgkg

second batch no decline during the first 4 months and 42 until the end of 7 months

Oxytetracycline liquid manure cattle 5 72 plusmn 01 anaerobic 64 days 35degC 98 mgL 30 after 11 days 59 after 64 days 56 days Arikan et al 2006Oxytetracycline liquid manure swine 2 ‐ anaerobic 40 days 20 plusmn 2degC 19 mgkg 30 79 days Blackwell et al 2005

40 93 days20 81 days0 78 days

998 for composting 32 days12 for room temperature incubation ‐

Oxytetracycline manure swine 43 85 aerobic 52 days heating phase thermophilic phase 55degC cooling stage

16 mgkg DW 92 within one week 266 (114 adjusted) days Wu et al 2011

Doxycycline liquid manure swine ‐ ‐ anaerobic 112 days 20 plusmn 35 degC 6157 plusmn 1426 mgkg manure 46 after 4 weeks 58 after 8 weeks 70 after 16 weeks 525 days Szatmaacuteri et al 2011

SulfonamidesFermentor A 2 mgkg manureFermentor B 10 mgkg manure

126 days (2005) 150 microgkg 93 268 days105 days (2006 299 microgkg 60 237 days

Sulfadimidine liquid manure swine 4 48 aerobic 28 days 25 degC 250 microgg after 1 h 18 after 28 d irradiated samples 80 non‐irradiated samples 52 ‐ Thiele‐Bruhn und Peters 2007

Fermentor A 2 mgkg manureFermentor B 10 mgkg manure

Sulfadiazine liquid manure swine 4 48 aerobic 28 days 25 degC 500 microgg after 1 h 27 after 28 d irradiated samples 91 non‐irradiated samples 50 ‐ Thiele‐Bruhn und Peters 2007

634 mgL SDZ 382 for SDZ259 mgL acetyl‐SDZ 351 for acetyl‐SDZ313 mgL 4‐OH‐SDZ 311 for 4‐OH‐SDZ

Sulfadiazine liquid manure cattle 13 65‐8 (semi) anaerobic 102 days 20 degC 500 microgkg 95 17 days Kreuzig and Houmlltge 2005Fermentor A 2 mgkg manureFermentor B 10 mgkg manure

Sulfadimethoxine liquid manure swine 4 48 aerobic 28 days 25 degC 500 microggafter 1 h 25 after 28 d irradiated samples 95 non‐irradiated samples 51

‐ Thiele‐Bruhn und Peters 2007

18 micromolkg DW 136 days36 micromolkg DW 153 days91 micromolkg DW 234 days180 micromolkg DW 248 days270 micromolkg DW 256 daysFermentor A 2 mgkg manureFermentor B 10 mgkg manure

Sulfamethoxazole liquid manure cattle 10 81 (semi) anaerobic 177 days 20degC 50 microL50 g manure extractable 96 to 3 non‐extractable 12 to 9 Kreuzig 2010Fermentor A 2 mgkg manureFermentor B 10 mgkg manureFermentor A 2 mgkg manureFermentor B 10 mgkg manure

Sulfanilamide liquid manure swine 4 48 aerobic 28 days 25 degC 500 microgg after 1 h 21 after 28 d irradiated samples 92 non‐irradiated samples 57 ‐ Thiele‐Bruhn und Peters 2007

Sulfapyridine liquid manure swine 4 48 aerobic 28 days 25 degC 250 microgg after 1 h 18 after 28 d irradiated samples 85 non‐irradiated samples 31 ‐ Thiele‐Bruhn und Peters 2007

Sulfachloropyridazine liquid manure swine 2 ‐ 40 days 20 plusmn 2degC 26 mgkg 15 127 days Blackwell et al 2005Fermentor A 2 mgkg manureFermentor B 10 mgkg manure ‐ Mohring et al 2009Sulfamethoxypyridazine manure swine 152 organic matter

diluted with water (11) 777‐ 793 anaerobic 34 days 37degC 72

‐ Mohring et al 2009

Sulfathiazole manure swine 152 organic matter diluted with water (11) 777‐ 793 anaerobic 34 days 37degC 0 ‐ Mohring et al 2009

Sulfamethoxazole manure swine 152 organic matter diluted with water (11) 777‐ 793 anaerobic 34 days 37degC 999

Tetracycline liquid manure swine ‐ 8 days

Tetracycline liquid manure aerobic

ambient temperature

28 days Varel et al 2012

Winckler and Grafe 2001 ‐swine 48 days ‐

Kuumlhne et al 2000

Arikan 2008Chlortetracycline liquid manure cattle 5 76 plusmn 01 anaerobic 33 days 35degC

Shelver and Varel 2012

Chlortetracycline liquid manure swine 4

‐Chlortetracycline manure swine ‐ aerobic 28 days ‐

‐6‐7 anaerobic

Arikan et al 2007115plusmn 8 microgg DW

Grote et al 2004

Oxytetracycline manure cattle 837 aerobic 60 days 25 micromolkg DW ‐25 degC

Chlortetracycline liquid manure swine ‐ ‐ aerobic 8 month outdoor conditions ‐

Wang and Yates 2008

152 organic matter diluted with water (11) 777‐ 793 anaerobic 34 days 37degC 0

Oxytetracycline manure‐bedding mixture cattle 27 ‐ aerobic 35 days composting (heating phase thermophilic

phase 55degC cooling stage)

anaerobic 34 days 37degC


Sulfadiazine manure swine 152 organic matter diluted with water (11) 777‐ 793 Mohring et al 2009999 ‐

Sulfamethazine manure cattle 70‐80 69 ‐ 81 aerobic composting time scale Cessna et al 2011

Sulfamethazine manure swine

Wang et al 2006

37degC 996 ‐

Sulfadiazine manure swine ‐ ‐ aerobic in 100 h irradation ‐ 158 h Sukul et al 2008

Sulfadimethoxine manure swine 152 organic matter diluted with water (11) 777‐ 793 anaerobic 34 days Mohring et al 2009

Sulfadimethoxine manure

34 days 37degC 100 ‐ Mohring et al 2009Sulfamerazine manure swine 152 organic matter diluted with water (11) 777‐ 793 anaerobic

cattle 17 837 aerobic 30 days 25 degC ‐

Fortsetzung Tab 11 Liste des Abbau-

verhaltens und der Halbwertszeiten unter

verschiedenen Versuchsbedingungen

Datenquelle Auswertungsdatenbank

Compound Matrix Matrix‐Specifics Dry Matter Content pH‐Value AerobicAnaerobic Study Duration Study Temperature Initial Concentration Degradation () DT50 ReferencesMacrolides

85‐91 (open anaer lag) 195 mgL 195 mgL + sodium azid 90 Disappearance time 30 h +azide 50 h87‐90 (covered anaer lag) 20 mgL 20 mgL+ sodium azide 90 Disappearance time 310 h +azide 500 h

Tylosin manure swine ‐ ‐ anaerobic 374 days (ASBR) 25degC 16 mgL 249 h Angenent et al 2008

Tylosin lagoon slurry swine ‐ 796 anaerobic 216 days 10degC (0‐30 days) 12degC ( 30‐46 days) 15degC (46‐56 days) and 20degC (56‐216 days) 11 mgL 100 ‐ Stone et al 2009

85‐91 (open anaerlag) 20 mgL 20 mgL+sodium azide 90 Disappearance time 12 h +azide 12 h87‐90 (covered anaer lag) 20 mgL 20 mgL+sodium azide 90 Disappearance time 26 h +azide 32 h

126 days (2005) 409 microgkg105 days (2006) 157 microgkg

Tylosin manure swine

64 manure (3 and 01 for determine the influence of filtered and non‐filtered manure)

‐aerobic and metanogenic conditions

7 days 20degC 5 mgL ‐ lt 2 days in aqueous phase Loke et al 2000

Tylosin manure swine ‐ ‐ aerobic 30 days 20degC 6282plusmn211 microgg DW gt 935 76 days Teeter and Meyerhoff 2003Tylosin manure cattle ‐ ‐ aerobic 30 days 20degC 11952 plusmn 439 microgg DW gt 935 62 days Teeter and Meyerhoff 2003Erythromycin liquid manure swine ‐ ‐ anaerobic 180 days 20degC 2000 microgg ‐ 41 days Schluumlsener et al 2006Roxithromycin liquid manure swine ‐ ‐ anaerobic 180 days 20degC 2000 microgkg ‐ 130 days Schluumlsener et al 2006FluoroquinolonesDifloxacin liquid manure swine 33‐35 81‐82 anaerobic 150 days 20degC 176 plusmn07 mgL 7 Difloxacin 90 Sarafloxacin ‐ Lamshoumlft et al 2010IonophoresSalinomycin liquid manure swine ‐ ‐ anaerobic 180 days 20degC 2000 microgkg ‐ 6 days Schluumlsener et al 2006


OtherFenbendazole liquid manure swine 3‐13 65‐80 (semi) anaerobic 102 days 20degC 200 microgkg 20 ‐ Kreuzig et al 2007Flubendazole liquid manure swine 3‐13 65‐80 (semi) anaerobic 102 days 20degC 2500 microgkg 28 ‐ Kreuzig et al 2007

Lincomycin liquid manure swine ‐ ‐ anaerobic 160 days 20degC 387 microgL 17 during the first weekfollowed by a very slow dissipation over the next 5 month ‐ Kuchta and Cessna 2008

Spectinomycin liquid manure swine ‐ ‐ anaerobic 160 days 20degC 387 microgL 79 during the first week followed by a very slow dissipation over the next 5 month ‐ Kuchta and Cessna 2008

Tiamulin liquid manure swine anaerobic 180 days 20degC 2000 microgkg 0 no degradation Schluumlsener et al 2006Fermentor A 28 mgkg manureFermentor B 14 mg kg manure

Estrone lagoon water cattle ‐ ‐ anaerobic 52 days 35degC 5 mgL 77 ‐ Zheng et al 201217‐α‐estradiol lagoon water cattle ‐ ‐ anaerobic 52 days 35degC 5 mgL 85 ‐ Zheng et al 201217‐β‐estradiol lagoon water cattle ‐ ‐ anaerobic 52 days 35degC 5 mgL 78 ‐ Zheng et al 2012BiozidesImazalil liquid manure cattle ‐ ‐ (semi) anaerobic 50 microL gt 177 days Kreuzig et al 2010

Tylosin manure

Tylosin liquid ‐lagoon manure swine ‐ aerobic 72 hours 22degC aerated ‐

Tylosin liquid ‐lagoon manure swine ‐ anaerobic 72 hours 22degC


Monensin liquid manure cattle 6‐65 6‐7 anaerobic 28 days ‐

Trimethoprim manure swine152 organic matter diluted with water (11) 777‐ 793 anaerobic 34 days 37degC 100

cattle 70‐80 69 ‐ 81 aerobic composting time scale 93 203 ‐ 435 days

60‐85 within the initial hours

Varel et al 2012

Cessna et al 2011

Kolz et al 2005

Kolz et al 2005

Tab 12 Liste der entstandenen

Transformationsprodukte unter ver-

schiedenen Versuchsbedingungen


Compound Matrix Aerobic Anaerobic Study Duration Study Temperature MedicatedSpiked Method Analytical Method Analytical Specifics Transformation Product ReferencesTetracyclines

Tetracycline manure swine aerobic 52 days


medicatedThe pilot scale composting operated in an open windrow system was mixed and turned manually every week

The pile was about 5 m3 at the lengh of 5 m and the hight of 1mUPLC‐MS kalt

The tandem mass spectrometry (MS) was performed using a Waters Micromass Quattro Premier XE triple quadrupole mass spectrometer equipped with an electrospray ionization source that operated in the positive ionization mode

epi‐Tetracycline anhydro‐Tetracycline Wu et al 2011

Chlortetracycline liquid manure swine anaerobic 21 days 35degC spiked Batch assay 500‐ml glass flasks with coiled butyl rubber stopper LC‐MSMS kaltbenchtop triple quadrupole mass spectrometer operated in electrospray ionisation mode(model API4000 from Applied Biosystems)Detector photomultiplier set at 1900 V

4‐epi‐Chlortetracycline TransformationproductEpimer of CTC Aacutelvarez et al 2010

Chlortetracycline liquid manure cattle anaerobic 33 days 35degC medicated Batch‐wise in laboratory digesters (Bellco Biotechnology NJ US) Volume of 1 L LC‐MSMS kalt

benchtop triple quadrupol mass spectrometer operated in electrospay ionization mode(Quattro LC from Micromass Ltd Manchester UK)Detector photomultiplier set at 650 V

4‐epi‐Chlortetracycline( CAS101342‐45‐4) iso‐chlortetracycline Arikan 2008

Chlortetracycline manure swine aerobic 52 days





4‐epi‐Chlortetracycline Demeclocycline Wu et al 2011

22degC38degC55degC

Chlortetracycline manure cattle aerobic 126 days (2005) 105 days (2006) composting time scale medicated

construct two windrows on an outdoor compacted earthen pad Each windrow was approximately 12 m long 25 m wide and 15 m high with an average mass (wet) of 242 Mg in 2005 and 121 Mg in 2006 Windrows were turned nine times over 126 days in 2005 and sven times in 105 days period 2006 Samples were freeze‐dried

LC‐MSMS kalt -iso‐Chlortetracycline enolketo‐Chlortetracycline Cessna et al 2011

Chlortetracycline manure‐ sawdust‐ mixture cattle aerobic 30 days


medicated

Composting study in four self‐heating laboratory composters Each composter is comprised of a covereddouble walled insulated tank 84 L capacity A portion of the pooled manure‐bedding‐mixture with straw and hardwood woodchips in a ratio of 311

LC‐MSMS kalt

LC instrument was a Waters 2690 XE Atmospheric pressure ionization‐tandem mass spectrometry was performed on a bench‐top triple quadrupole mass spectrometer (Quattro LC Micromass Ltd)operated in electrospray ionisazion mode MRM in electrospray negativ

iso‐chlortetracycline 4‐epi‐Chlortetracycline (CAS 101342‐45‐4) Arikan et al 2009

Chlortetracycline liquid manure swine aerobic 8 month outdoor conditions medicated

Slurry was stored in open plastic barrels and sampled monthly The slurry was stored for 8 months (first medication period) 7 months (second medication period) During the long‐term storage the influence of different weather conditions on slurry compost

LC‐MSMS kalt

Slurry was analysed at the University of Paderborn using the ESI‐ion trap system LCQ Advantage ( Thermo Finnigan Egelsbach) and simultaneous UV‐detection (Spectra SYSTEM P4000UV6000LP) Identificationquantification was archieved with the ion trap system

active metabolites 4‐epi‐Chlortetracycline (decrease 57 and 23) anhydro‐Chlortetracycline non‐active metabolites iso‐Chlortetracycline epi‐iso‐Chlortetracycline (increase during storage)

Grote et al 2004

Oxytetracycline liquid manure swine anaerobic 21 days 35degC spiked Batch assay 500‐ml glass flasks with coiled butyl rubber stopper LC‐MSMS kaltbenchtop triple quadrupole mass spectrometer operated in electrospray ionisation mode(model API4000 from Applied Biosystems)Detector photomultiplier set at 1900 V

4‐epi‐Oxytetracycline Transformationproduct Aacutelvarez et al 2010

Oxytetracycline manure swine anaerobic 6 month 21degC spiked1 L serum bottles where nitrogen was bubbled before closure of the bottles 680 mL total liquid volume (50 mL manure+ 525 mL mineral medium + spiked with 100 mL OTC‐HCL stock solution)+ autoclaved ones+ control bottles

HPLC‐MS‐MS kaltFinnigan San Jose CA USA equipped with an electrospray source (Thermo Finnigan San joseCA USA) The instrument was operated in the positive ion mode and coupled to the outlet of the HPLC columm via PEEK tubing

4‐epi‐Oxytetracycline α‐apo‐Oxytetracycline β‐apo‐Oxytetracycline Loke et al 2003

Oxytetracycline liquid manure cattle anaerobic 64 days 35degC medicated batch‐wise in six laboratory digesters 1225 mL anaerobic digesters Biogas production was monitored LC‐MSMS kalt

benchtop triple quadrupole mass spectrometer operated in electrospray ionization mode (Quattro LC from Micromass Ltd Manchester UK) Detector photomultiplier set at 650 V

4‐epi‐Oxytetracyclin 055 mgL to 084 mgL on day 64 α‐apo‐Oxytetracyclin 030 to 014 mgL β‐apo‐Oxytetracyclin 3 apo‐Oxytetracycline relative to Oxytetracycline

Arikan et al 2006

Oxytetracycline manure swine aerobic 52 days


medicatedThe pilot scale composting operated in an open windrow system was

mixed and turned manually every week The pile was about 5 m3 at the lengh of 5 m and the hight of 1 m

UPLC‐MS kalt


4‐epi‐Oxytetracycline Wu et al 2011

Sulfonamides

Sulfadiazine manure swine anaerobic 34 days 37degC spikedtwo 5 L‐fermentors main substrate manure+ fermentation product (042 kg) was added as inoculum to start fermention process tree 500mL flasks antibiotic were added in amounts equivalent to the main experiment

LC‐MS‐MS kalt Mass spectrometry was carried out using an LCQ ion trap with an electrospray ionization source (Thermo Finnigan San Jose CA) 4‐hydroxy‐Sulfadiazine Mohring et al 2009

Sulfadiazine liquid manure swine anaerobic 150 days 20degC medicated300 mL Erlenmeyer flasks fitted with trap attachments The trap

attachments were filled with soda‐lime to absorb released 14CO2HPLC‐MSMS 14C

analyzed for radioactivity content by liquide scintillation counting(Beckmann LS6500 Fullerton CA USA) using Quicksafe A (Zinsser Frankfurt Germany) N‐acetylsulfadiazine 4‐hydroxy‐Sulfadiazine 09 NER Lamshoumlft et al 2010

Sulfadiazine manure swine aerobic 100 h irradation ‐ medicated Manure was irradiated under simulated sunlight LC‐MSMS 14C

Quantitative HPLC analysis of SDZ was carried out with a Thermo Fisher Surveyor HPLC‐system Simultaneous radioactive and MS detections were performed by splitting solvent flow and detecting by using Ramona 2000 radioisotope detector APCIpositive mode

SO2‐extruded‐Sulfadiazine ( photoproduct A) and Aminopyrimidine (photoproduct B) 5‐hydroxy‐Sulfadiazine were generated in manure from 5 h onward by photodegradation of Sulfadiazine 47 +‐ 09 of total radioactivity

Sukul et al 2008

Sulfadiazine + Trimethoprim liquid manure swine aerobic 8 month outdoor conditions medicated Slurry was stored in open plastic barrels and sampled monthly LC‐MSMS kalt


N4‐acetyl‐Sulfadiazine Grote et al 2004

Sulfamethoxazole liquid manure cattle (semi) anaerobic 177 days 20degC spiked

300 mL incubation flasks the reference manure samples were fortified with 14C labeled test substance The laboratory batch systems were fitted with glass stoppers equipped with inlet and outlet valves to allow for a discontinuos gas exchange

LSC 14C

14C labeled radiotracers phenylring‐U‐14C‐labelling potassium hydroxide

solution to absorb 14C‐carbon dioxide released by mineralization Analyzed by liquid scintillation counting Selectet extracts were screened by means of radio thin layer C (TLC)

NER increase from 12 to 95 mineralization lt01 stored manure shows related values ( extractable 88 to 4 NER 10 to 88)

Kreuzig 2010

Shelver and Varel 2012Chlortetracycline manure swine aerobic 28 days medicated iso‐ChlortetracyclineSets of digesters were adapted to 2238 or 55degC in incubators with three digester flasks (2L ) per temperature Each digester was charged with approximately 6 of manure solids

‐ ‐UHPLC‐MSMS

Kuumlhne et al 20004‐epi‐Tetracycline(9 to 21 at day 8 11 to 265 at day 8)‐HPLC‐ UVswineliquid manureTetracycline Lab vessels( vacuum desiccatos) continuously stirred

for aerobic the vessels are ventilatedspiked ambient temperature8 days(semi) anaerobic aerobic

Fortsetzung Tab 12 Liste der

entstandenen Transformationsprodukte

unter verschiedenen Versuchsbedingungen


Compound Matrix Aerobic Anaerobic Study Duration Study Temperature MedicatedSpiked Method Analytical Method Analytical Specifics Transformation Product ReferencesMacrolides

Tylosin liquid ‐lagoon manure swine anaerobic 72 houres 22degC spiked

20 mL of either CL or OL slurries were conducted to amber glass vials with Teflon‐lined caps (antibiotic antibiotic + azide) vial headspaces were immediately evacuated and filled with helium

LC‐MSMS kalt

liquid chromatography with tandem mass spectrometry Tylosin was analyzed using an Agilent 1100 Series high‐pressure liquid chromatograph (HPLC) (Agilent TechnologiesPalo Alto California)coupled to a 1100 mass selective detector (MSD)

Dihydrodesmycosin and an unknown degradate with molecular mass of mz 9345 were detected Kolz et al 2005

Tylosin lagoon slurry swine anaerobic 216 days 10degC (0‐30 days) 12degC ( 30‐46 days) 15degC (46‐56 days) and 20degC (56‐216 days) medicated 120 mL batch reactors LC‐MS kalt Waters (Milford MA) 2695 LC with a Micromass ZQ MS MS analysis was

conducted using electrospray ionization at positive ion mode Tylosin B not detected Stone et al 2009

Tylosin manure swine anaerobic 374 days 25degC spiked for batch‐experiment ASBR+Half‐life‐experiment in anaerobic digestion batches HPLC‐MS

Thermo Finnigan P4000AS3000 Waltham MA electrospray ionization mass spectrometry (Thermo Finnigan LC‐Duo LC‐MS) determined in the positiv ion mode

The decrease in tylosin concentration during the 48 h incubation was accompanied by an increase in a putative Tylosin breakdown productdehydroxi‐Tylonolide was found in 3 of 7 samples

Angenent et al 2008

Tylosin liquid ‐lagoon manure swine aerobic 72 houres 22degC spiked

20 mL of of either CL or OL slurries were conducted to amber glass vials with Teflon‐lined caps (antibiotic antibiotic + azide) after spiking the vials were capped and a 16‐gauge Teflon tube inserted and compressed air bubbled

HPLC‐MSMS kalt



Tylosin manure swineaerobic and metanogenic conditions

7 days 20degC spiked

The raw manure used had been filtered through a 1 mm sieve into 1L serum bottles for storing (1) containing 64 activated manure incubated with tylosin (2) controle (3) containing 64 inactivated manure with tylosin (4) control inactivated

HPLC‐UV ‐

The major degradation product of Tylosin A in methanogenic as well as aerobic incubation was Tylosin B ( 70 of the loss of Tylosin A) Tylosin D ( 5 other degradation products corresponding to Tylosin A)

Loke et al 2000

Tylosin manure swine aerobic 30 days 20degC spiked

The vessels were conected to a volatile compound trapping system and a vacuum system Ambient air was drawn through the vessels to provide oxygen and sweep volatile compounds evolved into the trapping system Covered with foil to exclude light

HPLC LSC 14CGas washing bottles were used to trap volatile 14C products from the cattle and swine excreta counted by liquid scintillation counting (Beckman‐Coulter Fullerton CA USA)

14C‐volatile compounds lt08 no Transformationproduct

Teeter and Meyerhoff 2003

Tylosin manure cattle aerobic 30 days 20degC spiked





Erythromycin liquid manure swine anaerobic 180 days 20degC spiked Erlenmeyer flasks (Memmert Modell 800 Schabach Germany) closed with a fermenting tube to maintain anaerobic conditions

HPLC‐MS + (HR‐MS) for metabolite kalt

Triple‐quadrupole mass spectrometer (TSQ 7000 Finnigan‐MAT Bremen Germany) with an atmospheric pressure chemical ionization (APCI 2) The same HPLC experiment with a high‐resolution mass spectrometer with ESI ( Bio TOF III Bruker Bremen Germany)

anhydro‐Erythromycin peak at 148 min Schluumlsener et al 2006

Erythromycin liquid manure swine (semi) anaerobic 30 days short‐term‐test5 10 20 degC spiked

300 mL incubation flasks the reference manure samples were fortified with 14‐C labeled test substance The laboratory batch systems were fitted with glass stoppers equipped with inlet and outlet valves to allow for a discontinuos gas exchange

LSC 14C



mineralization lt01 extractable decreased continuously while non‐extractable residues increase (enon‐e)5349 at 5degC 2465 at 10degC 3270 at 20degC after 30 days

Kreuzig 2010

Flouroquinolones

Difloxacin liquid manure swine anaerobic 150 days 20degC medicated300 mL Erlenmeyer flasks fitted with trap attachments The trap attachments

were filled with soda‐lime to absorb released 14CO2HPLC‐MSMS 14C

analyzed for radioactivity content by liquide scintillation counting(Beckmann LS6500 Fullerton CA USA) using Quicksafe A (Zinsser Frankfurt Germany) for NER with Oxysolve C‐400

Sarafloxacin 42 NER Lamshoumlft et al 2010

Ionophores

Salinomycin liquid manure swine anaerobic 180 days 20degC spiked Erlenmeyer flasks (Memmert Modell 800 Schabach Germany) closed with a fermenting tube to maintain anaerobic conditions

HPLC‐MS + (HR‐MS)for metabolite kalt

Triple‐quadrupole mass spectrometer (TSQ 7000 Finnigan‐MAT Bremen Germany) with an atmospheric pressure chemical ionization (APCI 2) The same HPLC experiment with a high‐resolution mass spectrometer with ESI ( Bio TOF III Bruker BremenGermany)

two isomers of O29H48O7 Peak at 197 and 201 min The

peak at 207 could be identified by HR‐MS as C29H46O7

Schluumlsener et al 2006

Others

Fenbendazole liquid manure swine (semi) anaerobic 102 days 20degC spiked300 mL Erlenmeyer flasks Batch system equivalent to flow‐through system of OECD 307 Methyl‐5‐(phenylthio)‐1H‐benzimidazole‐2‐14C‐yl]‐carbamate

LSC 14C

(Tricarb 2500 TR Packard MeridenCT USA) (Tracemaster 20 Automatic TLC‐linear Analyzer B284 BertholdMunichGermany) ( Oxysolve‐C400 (ZinsserFrankfurtGermany) radio TLC screening for identify transformation products

Fenbendazole‐sulfoxide 4 contained after analyse fenbendazole‐sulfone Transformationproduct 13 NER Kreuzig et al 2007

Flubendazole liquid manure swine (semi) anaerobic 102 days 20degC spiked300 mL Erlenmeyer flasks Batch system equivalent to flow‐through system of OECD 307 Methyl‐[5‐(4‐fluorobenzoyl)‐1H‐benzimidazole‐

2‐14C‐yl]‐carbamateLSC 14C

(Tricarb 2500 TR Packard MeridenCT USA) (Tracemaster 20 Automatic TLC‐linear Analyzer B284 BertholdMunichGermany) ( Oxysolve‐C400 (ZinsserFrankfurtGermany)The evaporated extractable fractions were scintillation counted and screened for parent

compounds or corresponding metabolites by radio TLC 14C‐Carbon dioxide released was trapped and scintillation counted to determine non‐extractable

24 NER Kreuzig et al 2007

Estrone Dairy lagoon water cattle anaerobic 52 days 35degC spikedconducted in amber glass bottles with teflon‐lined screw caps under anaerobic conditions mixing the lagoon water with deionized water in a glovebag spiked with stock hormones solution shaken and incubated in the dark

HPLCDADMS kalt

Agilent 1100 series high performance liquid chromatography (HPLC) with a diode array detector Analyzed using Agilent 1100 series HPLCDAD in tandem with a mass spectrometer equipped with an electrospray ionization (ESI) source

reversible transformation among the three estrogenic hormones Zheng et al 2012

17‐α‐estradiol Dairy lagoon water cattle anaerobic 52 days 35degC spikedconducted in amber glass bottles with teflon‐lined screw caps under anaerobic conditions mixing the lagoon water with deionized water in a glovebag spiked with stock hormones solution shaken and incubated in the dark

HPLCDADMS kalt


degradation product over the first 2 days was estrone after 2 days the degradation product 17‐β‐estradiol was detected reversible transformation among the three estrogenic hormones

Zheng et al 2012

17‐β‐estradiol Dairy lagoon water cattle anaerobic 52 days 35degC spikedconducted in amber glass bottles with teflon‐lined screw caps under anaerobic conditions mixing the lagoon water with deionized water in a glovebag spiked with stock hormones solution shaken and incubated in the dark

HPLCDADMS kalt


the primary transformation product was estrone then decreased with a concurrent formation of 17‐α‐estradiol reversible transformation among the three estrogenic hormones

Zheng et al 2012

Biocides

Cyanamide liquid manure swine (semi) anaerobic 100 days 20 degC spiked


LSC 14C



at 25 dry weigth 28 mineralization 33 non‐extractable residues and 40 extractable (in 100 days) Kreuzig 2010

Imazalil liquid manure swine (semi) anaerobic 177 days 20 degC spiked

300 mL incubation flasks the reference manure samples were fortified with 14C labeled test substance The laboratory batch systems were fitted with glass stoppers equipped with inlet and outlet valves to allow for a discontinuos gas exchange equivalent flow‐through system OECD 307

LSC 14C



14C‐imazalil was not substantially transformed Kreuzig et al 2010

57

532 Analyse ohne radioaktive Markierung

In den ausgewerteten Studien wurden die meisten Stoffe ohne ra-

dioaktive Markierung untersucht Das betrifft besonders die Gruppe der Tetracycline Exemplarisch werden im Folgenden einige Abbau- und Transformationsprozesse anhand einzelner Studien dargestellt

Tetracykline

Tetracycline sind anfaumlllig fuumlr verschiedene Transformationen wie Isomerisierung Dehydratation Substitution oder Oxygenierung (Chen et al 2011) Fuumlr Chlortetracyclin und Oxytetracyclin konnte eine Epimeri-sierung in Schweineguumllleproben die gespiket wurden gezeigt werden (Aacutelvarez et al 2010) Tetracycline und deren Epimere adsorbieren stark an Guumllle da sie mit Metallionen Huminsaumluren Proteinen Partikeln und organischem Material Komplexe bilden koumlnnen (Loke et al 2002 Loke et al 2003)

Oxytetracyclin epimerisiert in den ersten sieben Tagen nach Spi-ken zu 5-10 (Aacutelvarez et al 2010) Nach der ersten Transformationspe-riode folgt eine Phase mit einem sehr langsamen Ruumlckgang der Kon-zentration Oxytetracyclin ist nach 60-70 Tagen nicht mehr nachzuwei-sen (Aacutelvarez et al 2010)

Houmlhere Anfangskonzentrationen von Oxytetracyclin und Chlortet-racyclin zeigen lediglich houmlhere Konzentrationen in der wasserloumlslichen Phase Die Konzentration der an die Festphase adsorbierten Substanz waren dagegen sowohl in houmlheren als auch niedrigeren Konzentrations-stufen (50 und 100 mgL) des Versuchs gleich (Aacutelvarez et al 2010)

Die Persistenz der Fraktion die an der festen Phase gebunden ist koumlnnte durch die starke Faumlhigkeit mit zweiwertigen Kationen aus der Guumllle Komplexe zu bilden oder organisches Material bzw Proteine zu adsorbieren erklaumlrt werden (Loke et al 2003) Die Desorbtion von der festen Phase scheint die Geschwindigkeit des Abbaus zu limitieren (Aacutelvarez et al 2010)

Eine signifikante Transformation der Muttersubstanz in der ersten Stunde nach Spiken und Entnahme der ersten Probe ist vor allem fuumlr Chlortetracyclin zu beobachten Fuumlr Chlortetracyclin findet eine Um-wandlung von 50 innerhalb der ersten Stunde statt (Aacutelvarez et al 2010)

Im Gegensatz zu Oxytetracyclin verlaumluft die Epimerisierung von Chlortetracyclin schneller und das Epimer epi-Chlortetracyclin ist nach 21 Tagen nicht mehr nachzuweisen (Aacutelvarez et al 2010)

58

Eine signifikante Transformation von Oxytetracyclin in den ersten

10 Tagen wurde auch nach Arikan et al (2006) Arikan (2008) festges-tellt Es wurden in beiden Studien aumlhnliches Biotransformationsverhalten fuumlr Ausganssubstanz und Intermediaumlr epi-Chlortetracyclin und epi-Oxytetracyclin gezeigt

Bei Arikan et al (2006) wurde in Guumllle von Kaumllbern die mit Oxytet-racyclin behandelt wurden ebenfalls α-apo-Oxytetracyclin und β-apo-Oxytetracylin beides Abbauprodukte die durch Dehydratation entste-hen gefunden (Arikan et al 2006) Anders als bei den gespikten Pro-ben sind hier Metaboliten der Stoffe bereits an Tag 0 der Untersuchung vorhandenDiese Metaboliten koumlnnen ebenfalls der Beobachtung des Abbauverhaltens unter anaeroben Bedingungen unterzogen werden

Abb 21 Konzent-ration von geloumlsten und extrahierbaren Ruumlckstaumlnden in Guumllle (diskontinuier-liche Beprobung) A OTC (Oxytetra-cyclin) und EOCT (epi-Oxytetracyclin) B CTC (Chlortetra-cyclin) and ECTC (epi-Chlortetra-cyclin) bei pH 7 and 35degC (Mittelwerte aus zwei Proben mit Stan-dardabweichung) (Aacutelvarez et al 2010)

59

Beide apo-Oxytetracycline waren im Verhaumlltnis zu Oxytetracyclin

nur in geringen Mengen in der Guumllle enthalten (3) Waumlhrend der La-gerzeit von 64 Tagen stieg die Konzentration der Abbauprodukte nicht an

Anders verhaumllt sich epi-Oxytetracyclin Die Konzentration stieg in den ersten 27 Tagen von 055 mgL auf 13 mgL und sank danach wie-der auf 084 mgL an Tag 64 ab

Der Anstieg laumlsst eine Transformation von Oxytetracyclin zu epi-Oxytetracyclin vermuten

Arikan et al (2006) ermittelten Halbwertszeiten fuumlr den anaeroben Abbau von Oxytetracyclin von 56 Tagen Im Gegensatz dazu wurden fuumlr den aeroben Abbau bei Kompostierungsprozessen Halbwertszeiten von 3 Tagen ermittelt

In der Studie von Arikan et al (2006) konnte eine Reduktion von Oxytetracyclin innerhalb von 64 Tagen festgestellt werden bei anaero-ben Versuchsbedingungen Es ist jedoch unklar ob die Reduktion durch einen Abbau durch Mineralisation oder durch Bindung an organisches Material (Bildung von NER Nicht-extrahierbaren Ruumlckstaumlnden) erfolgt ist

In einer weiteren anaeroben Studie von Arikan (2008) wurde zwi-schen dem Abbau wasserloumlslicher und pufferextrahierbarer Chlortetra-cyclinen epi-Chlortetracycline und iso-Chlortetracycline unterschieden

Abb 22 Konzentrati-onsverlauf von OTC EOTC α-apo-OTC und β-apo-OTC in Rinder-guumllle (medicated) unter anaeroben Bedingun-gen (Mittelwerte mit Standartabweichung) (Arikan et al 2006)

60

Epi-Chlortetracyclin und iso-Chlortetracyclin sind bereits als Metaboliten in der Guumllle von mit Chlortetracyclin behandelten Kaumllbern zu finden (Ari-kan 2008)

Die wasserloumlslichen Fraktionen von Chlortetracyclin iso-Chlortetracyclin und epi-Chlortetracyclin sind am besten bioverfuumlgbar in der Umwelt (Shelver und Varel 2012)

Kolpin et al (2002) vermuten dass fuumlr die geringe Anzahl an Chlortetracyclin-Funden in Wasserproben die hydrophobe Eigenschaft der Tetracycline verantwortlich ist Deshalb sind Chlortetracycline oumlfter im Sediment oder an festen Phasen zu finden

Varel et al (2012) zeigten das Chlortetracyclin in Schweineguumllle in Bioreaktoren unter anaeroben Bedingungen und Temperaturen von 38degC und 55degC zu 80 bzw 90 abgebaut werden kann

Abb 23 Konzentra-tionen von geloumlsten und Puffer-extrahierbaren Ruumlckstaumlnde von CTC ECTC und ICTC unter anaero-ben Bedingungen in medicated-Rinderguumllle (Mittel-werte mit Standard-abweichung Detek-tionslimits fuumlr CTC ECTC und ICTC sind 001 mgL) (Arikan 2008)

61

Die Chlortetracyclin-Konzentration sank unter allen drei angege-benen Versuchstemperaturen Bei 22degC sank die Chlortetracyclin-Konzentration ab Tag 14 nicht mehr weiter und blieb bis Versuchsende an Tag 28 nahezu konstant Bei houmlheren Temperaturen zeigten Chlor-tetracyclin-Konzentrationen einen steilen Abfall gefolgt von einer weite-ren Abnahme bis Versuchsende (Shelver und Varel 2012) Dieses Er-gebnis zeigt eine signifikante Temperaturabhaumlngigkeit der Abbaupro-zesse

Loftin et al (2005) zeigten dass Chlortetracyclin in waumlssriger Louml-sung bei allen getesteten pH-Werten transformiert und dass diese Transformation bei Temperaturanstieg deutlich zunimmt Bei 22degC wur-de fuumlr Chlortetracyclin in waumlssriger Loumlsung bei pH 7 eine Halbwertszeit von 16 Stunden berechnet Bei 35degC betrug dieser Wert 6 Stunden

Neben der Temperaturabhaumlngigkeit zeigten Kuumlhne et al (2000) in belasteter Schweineguumllle fuumlr Tetracyclin einen staumlrkeren Abbau in beluumlf-teten Proben im Vergleich zu unbeluumlfteten

Abb 24 Konzentrationsver-lauf von CTC und ICTC bei 22degC 38degC und 55degC (Shelver und Varel 2012)

62

Abbildung 26 zeigt auch einen Anstieg des iso-Chlortetracyclins in-folge einer Reduktion des Chlortetracyclins Chlortetracyclin isomerisiert im Versuchsverlauf zu Iso-Chlortetracyclin

Es konnten Auswirkungen auf Bodenbakterien nachgewiesen werden Chlortetracyclin hemmt signifikant das Wachstum von 12 ver-schiedenen Gattungen von Bodenbakterien (Zielezny et al 2006)

Vergleich dreier Stoffgruppen

Schluumlsener et al (2006) vergleichen in einer Studie das Abbau-verhalten von drei Stoffen Erythromycin Salinomycin und Tiamulin

Der Abbau des Macrolides Erythromycin folgt einem Abbau 1Ordnung (first-order-kinetik) Daraus ergibt sich eine Halbwertszeit von 41 Tagen Fuumlr Erythromycin konnte das Transformationsprodukt Anhyd-roerythromycin nach einer Lagerung von 192 Tagen detektiert werden (Schluumlsener et al 2006)

Der Abbauverlauf des Ionophors Salinomycin verlaumluft anders In den ersten 4 Tagen der Lagerung findet kein signifikanter Abbau statt Grund hierfuumlr koumlnnte die Abbauart sein Wenn es sich hier um einen biologischen Abbau handelt fuumlr den Mikroorganismen zustaumlndig sind benoumltigen diese eine lag-Phase (Adaptionsphase) um sich an die An-wesenheit von Salinomycin anzupassen bevor sie in der Lage sind die Substanz zu metabolisieren (Schluumlsener et al 2006)

Nach 40 Tagen sank die Konzentration unter die Detektionsgren-ze Startend mit Tag 4 wurde eine Halbwertszeit von 5 Tagen berechnet (mittels first-order-kinetic) (Schluumlsener et al 2006)

Abb 25 Transfor-mation von CTC zu Iso-CTC (Shelver und Varel 2012)

63

Um entstandene Transformationsprodukte zu identifizieren wurde ein fullscan HPLC-MS-Lauf im ESI positiv mode gefahren Neben den Muttersubstanzen konnten nach 192 Tagen zwei Isomere von Salino-mycin detektiert werden Darunter ein Addukt mit der Summenformel C29H48O7 Es handelt sich vermutlich um ein Spaltungsprodukt von Sali-nomycin Vertesy et al (1987) beschrieben das gleiche mikrobielle Spal-tungsprodukt bei der Untersuchung von Salinomycin entstanden durch die enzymatische Spaltung von Pseudomonas stutzeri Das zweite Pro-dukt mit der Summenformel C29H46O7 konnte nicht naumlher beschrieben werden (Schluumlsener et al 2006)

Abb 26 Konzentra-tionen von Erythro-mycinSalinomycin und Tiamulin waumlh-rend der Inkubation von Guumllle (16 Pro-bennahmen jeweils Mittelwert von 3 Proben) (Schluumlsener et al 2006)

64

Fuumlr Tiamulin konnte kein Abbau waumlhrend der Versuchsdauer von 180 Tagen festgestellt werden Hier ist eine Halbwertszeit von uumlber 200 Tagen zu erwarten (Schluumlsener et al 2006) Dies konnte bereits in fruuml-heren Arbeiten von Schluumlsener et al (2003 2003a) gezeigt werden

Diese Ergebnisse legen nach Schluumlsener et al (2006) nahe dass Erythromycin oder Salinomycin in der Behandlung von Tieren Sulfona-miden oder Tetracyclinen vorgezogen werden sollten Hingegen sollte Tiamulin aus Sicht der Autoren wegen des geringen Abbaus in Guumllle fuumlr die Anwendung beim Tier verboten werden

Der Abbau von Spectinomycin einem Aminoglykosid-Antibiotika verlaumluft in zwei Phasen Die Konzentration von Spectinomycin in den Exkrementen reduzierte sich in den ersten sechs Tagen sehr schnell Nach diesem Zeitraum waren 80 nicht mehr nachweisbar Die schnelle Anfangsreduktion im simulierten Lagerungsversuch koumlnnte verschiede-nen Faktoren zugeordnet werden biotischem oder abiotischem Abbau oder irreversible Sorption an die Festphase (Kuchta und Cessna 2009)

In der zweiten Phase verlaumluft die Spectinomycin-Reduktion sehr langsam Von Tag 6 bis Tag 107 verbleibt die Spectinomycin-Konzentration fast konstant bei 65 microgL Sowohl in der Loumlsung als auch an der festen Phase verbleibt die Substanz persistent (Kuchta und Cessna 2009)

Das bedeutet dass eine Lagerung von Spectinomycin belasteten Exkrementen in Lagoons uumlber eine Lagerungsdauer von sechs Monaten nicht ausreichen wuumlrde um Spectinomycin vollstaumlndig abzubauen Die Verwendung solch belasteter Guumllle als Wirtschaftsduumlnger haumltte dem-nach eine Ausbringung des Antibiotikums in die Umwelt zur Folge (Kuchta und Cessna 2009)

Abb 27 Full scan HPLC-MS run des Extraktes an Tag 192 Metaboliten von Salinomycin wurden detektiert bei 197 und 201 Minuten und ein Metabolit von Erythromycin bei 148 Minuten Ruumlck-staumlnde von Tiamulin (159 Minuten) und ein unbekanntes Transformationspro-dukt bei 207 Minu-ten HPLC-MS high-pressure liquid chromatography-mass spectrometry (Schluumlsener et al 2006)

65

Schluumlsener et al (2006) berichten fuumlr Tiamulin eine gleiche Persis-

tenz in Schweineguumllle wie bei Spectinomycin gezeigt

Tylosin

Fuumlr Tylosin wurde - unter aeroben Bedingungen inkubiert - inner-

halb von 30 Tagen mittels HPLC die Reduktion der Konzentration um 965 und 935 fuumlr Rinder- bzw Schweineexkremente ermittelt Nach first-order-kinetics wurde eine Halbwertszeit von 62 Tagen in Rinderex-krementen und von 76 Tagen in Schweineexkrementen berechnet (Teeter und Meyerhoff 2003)

Aus den Halbwertszeiten von Tylosin laumlsst sich laut Teeter und Meyerhoff (2003) ableiten dass Tylosin sich nicht persistent in der Um-welt verhaumllt Die Werte wurden unter Laborbedingungen beobachtet unter realen Feldbedingungen ist der Abbau durch saisonale Bedingun-gen beeinflusst Allerdings ist durch die Mikroflora der behandelnden Tiere ein schneller Abbau zu erwarten (Teeter und Meyerhoff 2003)

In einer weiteren Studie wurde die Bioabbaubarkeit von Tylosin in Boden-Guumllle-Gemischen untersucht Hier zeigte sich ebenfalls dass Tylosin schnell abgebaut wird eine Halbwertszeit von 41-81 Tagen wurde ermittelt (Ingerslev und Halling-Soslashrensen 2001) Die Autoren schlussfolgerten dass die Mineralisierung von Tylosin und dessen Ab-bauprodukte schnell von statten gegangen ist da sie in ihrem Ver-suchsaufbau viele moumlgliche Abbauprodukte in ihre Analyse mit einge-schlossen hatten (Ingerslev und Halling-Soslashrensen 2001)

Abb 28 Konzentra-tion von Spectino-mycin detektiert in der waumlssrigen und festen Phase (Mit-telwerte aus zwei Kontainerversuchen) waumlhrend der simu-lierten Lagerung von Schweineguumllle im Zeitverlauf (Kuchta und Cessna 2009)

66

Loke et al (2000) beobachteten unter aeroben und methanogenen Bedingungen in Exkrementen einen Tylosinabbau in der Wasserphase von unter zwei Tagen

Tylosin unterliegt laut Kolz et al (2005) unter anaeroben Bedin-gungen wie Spectinomycin einem zweiphasigen Abbau in Guumllle In der ersten Phase sank die Tylosin Konzentration um 80 Die Autoren fol-gerten dass eine schnelle irreversible Sorption an die Festphase Grund dafuumlr ist In der Anfangsperiode der Reduktion herrschten teils aerobe Bedingungen die den schnellen initialen Abbau ebenfalls foumlrderten (Kolz et al 2005)

Baguer et al (2000) untersuchten die Auswirkungen von Tylosin auf Vertreter der Bodenfauna wie Regenwurm Enchytraeus crypticus und dem Springschwanz Es zeigte sich erst bei Tylosin-Konzentrationen von 4000 ndash 5000 mgkg eine signifikante Hemmung der Reproduktion Somit ist keine akute Gefahr durch Tylosin gegeben aber indirekte Auswirkungen auf das Bodenoumlkosystem nicht ausgeschlossen (Baguer et al 2000)

Abb 29 Ruumlckgang der Tylosin A Kon-zentration in ver-schiedenen Testsys-temen (gefilterte Guumllle und ungefilter-te Guumllle) Alle Pro-ben wurden mit 250 mgL Tylosin gespi-ked Dunkel gelagert bei 20degC Werte aus vier Wiederholungen Loke et al 2000)

67

533 Analyse mit radioaktiver Markierung

Eine Moumlglichkeit den Verbleib von Stoffen in verschiedenen hete-

rogenen Umweltmatrices zu beschreiben ist deren radioaktive Markie-rung Mit dieser Methode ist es moumlglich nicht-extrahierbare Ruumlckstaumlnde zu bestimmen Exemplarisch werden im Folgenden einige Abbau- und Transformationsprozesse anhand einzelner Studien dargestellt

In einem 102 Tage dauernden Abbautest von Flubendazol in Schweineguumllle zeigte sich eine langsame Reduktion der extrahierbaren Fraktionen von 81 auf 72 waumlhrend die nicht-extrahierbaren Ruumlck-staumlnde von 10 auf 24 der gesamt gemessenen Radioaktivitaumlt stie-gen (Kreuzig et al 2007) Flubendazol wurde ausschlieszliglich unveraumln-dert nachgewiesen Transformationsprodukte wurden nicht festgestellt

Fuumlr Fenbendazol wurde ebenfalls waumlhrend der 102 Tage ein Ruumlckgang der extrahierbaren Fraktion von 94 auf 80 beobachtet An Tag 14 konnte erstmals das Transformationsprodukt Fenbendazol-Sulfoxid zu 4 der gesamt Radioaktivitaumlt identifiziert werden Die nicht-extrahierbaren Fraktionen stiegen auf 13 an

In Guumllle geduumlngten Boumlden wurde Fenbendazol-Sulfon zusaumltzlich

als ein zweites Transformationsprodukt nachgewiesen (Kreuzig et al 2007)

Abb 30 Verhaumlltnisse im Abbauverhalten von A 14C-Flubendazol (FLU) B 14C- Fenbendazol (FEN) in Schweine-guumllle MIN Mineralisiert NER nicht-extrahierbare Ruumlckstaumlnde FEN-S Fenbenda-zol-Sulfon (Kreuzig et al 2007)

68

Beide Benzimidazole zeigten einen geringen Abbau in Schweine-guumllle Auch die Messung der Freisetzung von 14C-CO2 (le 06) welche die Mineralisierung der Substanzen anzeigt war sehr gering

Beide Benzimidazole haben Koc-Werte gt 1100 Lkg und sind somit leicht mobil in einer Mischung aus Guumllle und Boden (Kreuzig et al 2007)

Der Hauptteil der Benzimidazole liegt in der extrahierbaren Phase vor Unter Beruumlcksichtigung der Praxis in der intensiven Tierhaltung kann ein Eintrag von beiden Benzimidazolen in Oberflaumlchengewaumlsser nicht ausgeschlossen werden (Kreuzig et al 2007)

Bedingt durch den geringen Abbau in Guumllle ist nach der Lagerung von 6 Monaten eine Belastung der Umwelt nicht ausgeschlossen Durch den Koc-Wert sind beide Substanzen potentielle Leacher nach Ausbrin-gung mit der Guumllle auf das Feld (Kreuzig et al 2007)

Flubendazol und Fenbendazol verbleiben in der extrahierbaren Phase von Guumllle und mit Guumllle geduumlngtem Boden im Gegensatz zu einigen Sulfonamiden die sehr schnell nicht-extrahierbare Ruumlckstaumlnde bilden (Kreuzig et al 2007)

Sulfadiazin

In einem anderen Lagerungsversuch wurde uumlber 102 Tage das Verhalten von 14C-Sulfadiazin in Rinderguumllle untersucht Die extrahierba-re Menge an 14C Sulfadiazin sank kontinuierlich von 70 auf 5 der initialen Radioaktivitaumlt Hier wurde eine Halbwertszeit von 17 Tagen und ein 90iger Abbau in 56 Tagen beschrieben (Kreuzig und Houmlltge 2005)

14C Sulfadiazin zeigte in den 102 Tagen Lagerversuch von Kreuzig und Houmlltge (2005) lediglich eine 1ige Mineralisation und nach der Ex-traktion mit Ethylacetat die Bildung von bis zu 82 nicht-extrahierbaren Ruumlckstaumlnden (Kreuzig und Houmlltge 2005)

69

Im Vergleich dazu kamen Lamshoumlft et al (2010) zu anderen Er-gebnissen Die radioaktiv markierten Antibiotika Sulfadiazin und Difloxa-cin wurden in einem 150 Tage Lagerversuch von belasteter Guumllle (me-dicated) untersucht Da die Guumllle von behandelten Tieren stammte la-gen Acetyl-Sulfadiazin und 4-Hydroxy-Sulfadiazin als Metaboliten zu Beginn der Untersuchung vor

Die radioaktiven Ruumlckstaumlnde von Sulfadiazin und Difloxacin wur-den mittels LSC ermittelt Es wurden 09 bzw 42 nicht-extrahierbare Ruumlckstaumlnde nach 150 Tagen in Schweineguumllle gefunden Ebenso wurde 14C-CO2 nur in geringen Mengen detektiert was bedeu-tet dass die mineralisierte Substanzmenge sehr gering war (Lamshoumlft et al 2010)

Die geringe Mineralisierung zeigt an dass diese nicht der Haupt-pfad des Ruumlckgangs der Substanzen sein konnte Wie durch sehr gerin-ge Redoxpotentiale gezeigt wurde herrschten waumlhrend des Versuchs anaerobe Bedingungen die eine geringe biologische Aktivitaumlt begruumln-den wuumlrden Die Gesamtmenge an radioaktiv extrahierbaren Ruumlckstaumln-den sank (Lamshoumlft et al 2010)

Ein signifikanter Ruumlckgang der Acetyl-Sulfadiazin-Konzentration war mit einem Anstieg der Sulfadiazin-Konzentration gekoppelt (Sulfa-diazin kann aus dessen Transformationsprodukt wieder zuruumlck trans-formiert werden) Die Acetyl-Sulfadiazin Konzentration war nach 150 Tagen um 367 (10degC) und 79 (20degC) zuruumlckgegangen

Abb 31 Verhaumlltnis-se von mineralisier-ten extrahierbaren und nicht-extrahierbaren Ruumlckstaumlnden von 14C-Sulfadiazin in Rinderguumllle MIN Mineralisierung ER extrahierbare Ruumlckstaumlnde NER nicht-extrahierbare Ruumlck-staumlnde (Kreuzig und Houmlltge 2005)

70

Die Konzentration von Sulfadiazin stieg von Tag 0 bis Tag 150 fuumlr 10degC (A) um 78 und bei 20degC (C) um 356

Diese Werte zeigen auch an dieser Stelle ein weiteres Mal den deutlichen Einfluss der Temperatur auf die Transformationsprozesse

Waumlhrend Kreuzig und Houmlltge (2005) in Rinderguumllle die mit 14C- Sulfadiazin gespiket wurde eine schnelle Formation von NER und damit eine geringe Konzentrationsreduktion des Sulfadiazins beschrieben zeigten die Ergebnisse Lamshoumlft et al (2010) einen kontinuierlichen Ruumlckgang von extrahierbaren 14C-Sulfadiazin von 70 auf 5 der initial applizierten Radioaktivitaumlt und lediglich die Bildung von 09 NER Die-se Unterschiede (Kreuzig und Houmlltgen 2005 Lamshoumlft et al 2010)

Abb 32 Prozentua-le Aumlnderung der Konzentration von Sulfadiazin und Metaboliten in Guumllle ausgehend von der Anfangskonzentrati-on waumlhrend der Lagerung bei 10degC und 20degC (Lamshoumlft et al 2010)

Abb 33 Konzentra-tionsaumlnderung von Sulfadiazin (SDZ) Acetyl-Sulfadiazin (Ac-SDZ)und 4-Hydroxy-Sulfadiazin (4-OH-SDZ) waumlh-rend der Guumlllelage-rung von 150 Tagen bei A 10degC C20degC (Lamshoumlft et al 2010)

71

koumlnnten durch unterschiedliche Charakteristika der Guumllleprobe oder durch die Art und Weise wie die Substanz in die Guumllle gelangt ist (spi-kedmedicated) bedingt sein (Lamshoumlft et al 2010)

Sulfadiazin besitzt zwei Hauptmetaboliten Acetyl-Sulfadiazin und 4-Hydroxy-Sulfadiazin In geringeren Mengen treten N-Acetyl-4-Hydroxy-Sulfadiazin und N-Formyl-Sulfadiazin auf (Lamshoumlft et al 2007)

Bei der Photodegradation kann Sulfadiazin weitere Abbauprodukte bilden

Abb 34 Chemische Struktur von Sulfa-diazin und dessen Metaboliten Acetyl-Sulfadiazin und 4-OH-Sulfadiazin (Lamshoumlft et al 2010)

Abb 35 Abbauwe-ge von Sulfadiazin Wege der Photo-transformation sowie Biotransformation (Sukul et al 2008)

72

Ein Uumlberblick uumlber den Sulfadiazinabbau unter biotischen und abiotischen Bedingungen wurde von Sukul et al (2008) gegeben

N-Formyl-Sulfadiazin 4-OH-Sulfadiazin 4-[2-iminopyrimidin-1 (2H)-yl)aniline wurden als Photoprodukte von Sulfadiazin in waumlssriger Loumlsung gefunden ebenso als Bioabbauprodukt in Guumllle von Lamshoumlft et al (2007) Anilin und Aminopyrimidin wurden in Guumllle und Boden nicht beobachtet was auf die Bindung an Guumllle- oder Boden-Partikel und so-mit auf die Bildung von nicht-extrahierbaren Ruumlckstaumlnden zuruumlckzufuumlh-ren ist (Sukul et al 2008)

129 des applizierten 14C-Sulfadiazins wurde in Photoprodukt A transformiert (siehe Abb 37) (Sukul et al 2008) Laut Pestizidregistrie-rung muumlssen fuumlr Abbauprodukte die in groumlszligeren Mengen als 10 des applizierten Ausgangsstoffes in Boden oder Wasser beobachtet werden einer detaillierteren Charakterisierung unterzogen werden Denn Photo-produkte koumlnnen auch toxikologische Eigenschaften aufweisen die re-levant fuumlr die Umweltbewertung sind (Sukul et al 2008)

Die Transformation von Acetyl-Sulfadiazin zu Sulfadiazin ist ein uumlblicher Bioabbauprozess (Kreuzig und Houmlltge 2005) Dieser wird bei der Photolyse nicht beobachtet (Sukul et al 2008)

4-[2-iminopyrimidin-1 (2H)-yl]Anilin (Photoprodukt A) Aminopyri-midin (Photoprodukt B) und 5-Hydroxy-Sulfadiazin welche anfaumlnglich nicht in der Guumllleprobe zu beobachten waren entstanden ab fuumlnf Stun-den Bestrahlung mit simmuliertem Sonnenlicht durch Photodegradation von Sulfadiazin Im Vergleich mit der Kontrolle konnte Hydrolyse und biotischer Abbau ausgeschlossen werden (Sukul et al 2008)

47 der initial applizierten Radioaktivitaumlt wurden irreversibel (zB an organisches Material) gebunden und nicht durch die Lichteinstrah-lung beeinflusst (Sukul et al 2008)

Unter Bestrahlung mit simmuliertem Sonnenlicht zeigten Sulfadia-zin Acetyl-Sulfadiazin und 4-Hydroxy-Sulfadiazin im Vergleich zur waumlss-rigen Loumlsung einen langsameren Abbau von 382 351 bzw 315 nach 100 Stunden Lichtbehandlung (Sukul et al 2008)

73

Guumllle ist reich an organischem Material und auch Metallionen

deshalb adsorbiert Guumllle das einfallende Licht und schraumlnkt somit die Photodegradation der moumlglichen enthaltene Substanzen wie Sulfadiazin ein Die Photodegradation in Exkrementen ist somit vom Trockensubs-tanzgehalt beeinflusst Eine Verduumlnnung erhoumlht den Photoabbau (Sukul et al 2008)

Die Exkremente absorbieren Licht bis zu 350 nm Licht mit Wellen-laumlngen uumlber 350 nm erregt die photosensiblen organischen Materialien und traumlgt zur Zersetzung von Sulfadiazin bei Da Photoabbau nur an der Oberflaumlche von Substanzen stattfindet kann dieser Abbau bei der Re-duzierung von Wirkstoffkonzentrationen in Oberflaumlchengewaumlssern bei-tragen In Guumllle jedoch schuumltzt die organische Substanz die enthaltenen Stoffe weitgehend vor Photodegaradation (Sukul et al 2008)

In mit Guumllle geduumlngten Boumlden hat die Photodegradation nur gerin-gen Einfluss da Antibiotika in die Poren uumlbergehen und an Bodenparti-kel binden (Thiele-Bruhn 2003)

54 Biogas

Die Biogaserzeugung hat in den letzten Jahren nicht nur in

Deutschland einen Zuwachs erfahren Deshalb gewinnen auch diesbe-zuumlglich wissenschaftliche Fragen an Bedeutung zum Beispiel ob die Biogaserzeugung von den in der Tierhaltung angewandten Tierarznei-mitteln beeintraumlchtigt wird ob sich die Biogaszusammensetzung aumlndert und in welchem Maszlige Tierarzneimittel in den Biogasreaktoren abgebaut werden

Abb 36Photoabbau von Sulfadiazin (634 mgL) und dessen Hauptmetaboliten (Acetyl-Sulfadiazin 259 mgL 4-OH-Sulfadiazin 313 mgL) in Guumllle (Sukul et al 2008)

74

In Labor-Bioreaktoren wurden unter anaeroben Bedingungen uumlber bestimmte Zeitraumlume hinweg die Methanbildung bei belasteter Guumllle untersucht Die Ergebnisse wurden mit Versuchen aus nicht behandelter Guumllle verglichen

Compound Concentration (mgL) CH4-production inhibition () Conditions Reference

Tetracyclines

5 20

40 50

152 80

1 32

5 33

25 44

10 452

50 565

100 641

125

250

125 32 (Biogas)

375 40 (Biogas)

75 49 (Biogas)

Chlortetracycline 2 20 32 days 35degC semi-continous flow reactor Fedler and Day 1985

Oxytetracycline 67 27 (Biogas) batch calf slurry Arikan et al 2006

Chlortetracycline 28 284 anaerobic digestion Stone et al 2009

Chlortetracycline 28 27

anaerobic digestion pig manure

medicated216 days 4 cycles max

20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline +

sodium azide28 246-26



20degCbatch

Stone et al 2010

Macrolides

Tylosin 11 27



20degCbatch

Stone et al 2010

Tylosin+




20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline

Chlortetracycline

Oxytetracycline +

Chlortetracycline

Oxytetracycline

Oxytetracycline

anaerobic 300 h lagoon manure 22degC

anaerobic digestion 35degC 31 days batch

pig manure anaerobic digestion 37degC

300 h

anaerobic digestionmesophilic

no inhibition

Sanz et al 1996

Loftin et al 2005

Alvarez et al 2010

Lallai et al 2002

Gamel-El-Din 1986

Methan und Kohlendioxid sind die finalen Stoffe des anaeroben Abbaus von Guumllle (Stone et al 2009)Die Anwesenheit von Antibiotika und deren Metaboliten kann unter anaeroben Bedingungen in Bioreakto-ren die Abbauaktivitaumlt von Mikroorganismen und somit die Methanbil-dung hemmen (Arikan et al 2006 Arikan 2008) Verantwortlich fuumlr die Methanbildung sind Archaeen die Acetat und Wasserstoff zu Methan transformieren

Die in Versuchen ermittelte Hemmung der Methanbildung kann sehr unterschiedlich ausfallen Das zeigt dass diese durch verschiede-ne Faktoren beeinflusst wird Laut Aacutelvarez et al (2010) sind ursaumlchlich dafuumlr die unterschiedlichen Ausgangsbedingungen wie die Herkunft der Guumlllen (zB Alter der Tiere und Tierart) und die Herkunft des Inoculums zum Animpfen der Bioreaktoren Ebenso wird die Methanbildung vom Verhaumlltnis von Inoculum zu Guumllle von der Groumlszlige der Probengefaumlszlige der Methode (zB geschlossener Behaumllter oder wiederholte Befuumlllung) so-

Tab 13 Hemmung der Methanprodukti-on bei unterschiedli-chen Bedingungen

75

wie von der Konzentration der Wirkstoffe beeinflusst (Aacutelvarez et al 2010)

Aacutelvarez et al (2010) zeigen dass die methanogene Aktivitaumlt um bis zu 623 durch mit Oxytetracyclin und Chlortetracyclin (100 mgL) belastete Guumllle im Vergleich zur Kontrolle reduziert sein kann (Aacutelvarez et al 2010)

Lallai et al (2002) stellten hingegen keine Reduktion der Methan-bildung durch die enthaltenen Wirkstoffe in der Guumllle fest Dies koumlnnte Folge der Herkunft des Inoculums sein In dieser Studie stammt das Inoculum von einer Biogasanlage in der Schweineguumlllen nach Antibioti-kaeinsatz verwendet wurde (Aacutelvarez et al 2010) Somit koumlnnten die Mikroorganismen an die Anwesenheit von Antibiotika adaptiert gewesen sein

Stone et al (2009) beobachteten dass die Methanproduktion bei der anaeroben Schweineguumlllevergaumlrung durch Chlortetracyclin um 284 gehemmt worden ist (Stone et al 2009) Die meisten Studien zeigen eine houmlhere Reduktion der Methanbildung durch Chlortetracyclin als durch Oxytetracyclin (Alvarez et al 2010)

Varel und Hashimoto (1981) stellten fest dass Monensin die Me-thanproduktion im Fermentor (55degC) komplett verhinderte Nach uumlber 80-taumlgiger Adaptionszeit war allerdings auch bei Monensin belasteter Guumllle wieder eine Methanproduktion zu beobachten (Varel und Hashi-moto 1981)

Aacutelvarez et al (2010) bestimmten eine inhibitorische Konzentration (IC50) von 89 mgL fuumlr Chlortetracyclin und Oxytetracyclin Diese Kon-zentration hemmte die methanogene Aktivitaumlt um 50 Angesichts der im Labor gemessenen Werte muss auch im Maszligstab groszliger Biogasan-lagen von einer Hemmung der Methanproduktion ausgegangen wer-den

Eine andere Frage ist ob die Prozessstabilitaumlt durch die Belastung von Tierarzneimitteln im Reaktor gestoumlrt sein kann Diesbezuumlglich ist der pH-Wert waumlhrend des anaeroben Prozesses in Bioreaktoren von Inter-esse Ein pH-Bereich von 67-74 ist fuumlr viele methanogene Bakterien optimal Die Methanbildungsrate sinkt mit pH-Werten von lt65 und gt78 (Arikan et al 2006 Lay et al 1997)

Arikan et al (2006) zeigten dass die Belastung von Oxytetracyclin keinen Einfluss auf den Prozess-pH-Wert hat

Varel et al (2012) konnten keine Unterschiede zwischen der mit Chlortetracyclin belasteten Guumllle und der Kontrolle feststellen was die Produktion von fluumlchtigen Fettsaumluren (VFA verantwortlich fuumlr den Ge-

76

ruch) den Methangehalt in Biogas sowie den pH-Wert waumlhrend der 25-taumlgigen anaeroben Vergaumlrung bei 22degC betraf

Belastung der Guumllle mit Oxytetracyclin zeigte keine Aumlnderung der Biogaszusammensetzung Der Anteil von Methan an der Biogasproduk-tion lag bei 60 bei belasteter wie unbelasteter Kontrollguumllle (Arikan et al 2006)

Ammoniak der waumlhrend des Abbaus von Harnstoff entstehen kann kann waumlhrend der anaeroben Behandlung toxisch auf methano-gene Archaea wirken Deswegen wird die Ammoniak-Konzentration ge-messen um ausschlieszligen zu koumlnnen dass eine Biogasreduktion durch den toxischen Effekt von Ammoniak herbeigefuumlhrt wurde 1700 mgL Ammoniak ist die Grenzkonzentration bei der eine Hemmung eintritt (Arikan et al 2006 Starkenburg 1997)

Die freie Ammoniak-Konzentration ist temperaturabhaumlngig Bei Versuchen im Niedrigtemperaturbereich wurden die houmlchsten Gehalte festgestellt Bei 22degC lagen die Gehalte houmlher als bei 38degC und 55degC (Varel et al 2012)

Ein Vorteil der anaeroben Vergaumlrung in Biogasanlagen liegt darin dass durch die Umwandlung von fluumlchtigen Fettsaumluren (VFA) zu Methan eine Reduktion des Geruchs in Guumllle erfolgt Die in der Guumllle enthalte-nen Naumlhrstoffe bleiben im Gaumlrrest zuruumlck und koumlnnen als Duumlnger aus-gebracht werden (Varel et al 2012 Masse et al 2010) Im Gegensatz dazu geht bei der aeroben Kompostierung Stickstoff als Emission verlo-ren (Varel et al 2012)

6 Landwirtschaftliche Rahmenbedingungen

Die Art und Weise der Produktion und der Lagerung von tierischen Ausscheidungen wird von verschiedenen Faktoren bestimmt der Tie-rart der Form der Tierhaltung (Weidehaltung oder intensive Tieraufzu-cht) der Behandlung der Exkremente zum Beispiel anaerobe Guumllle-tanks anaerobe oder aerobe Lagoons (vor allem in den USA) anaerobe sowie aerobe Kompostsysteme Ebenso ist die Ausbringungspraxis ver-schieden Einarbeitung in den Boden (vor allem Dung) oder das Spruuml-hen von Guumllle auf die Bodenoberflaumlche Die Bedeutung dieser Faktoren unterscheidet sich in einzelnen Laumlndern bez Erdteilen zum Teil deutlich

Die nachfolgende Tabelle zeigt den Nutztierbestand (Rinder und Schweine) in Deutschland verglichen mit dem Gesamtbestand in der EU im Jahr 2008

77

In der Schweinehaltung ist die Schweinemast von Tieren uumlber 50 kg der wichtigste Produktionstyp mit 1118 Millionen Tieren in Deutsch-land 6164 Millionen EU-weit (Weinfurtner 2011 Eurostat 2010) Dabei umfasst eine typische Betriebsgroumlszlige in der Schweinehaltung in Deutschland rund 800 Tiere (Weinfurtner 2011 Statistisches Bundes-amt 2004)

2012 wurden in deutschen Betrieben 125 Millionen Rinder gehal-ten Davon stammten 412 aus Betrieben mit 200 oder mehr Tieren (Statistisches Bundesamt Situationsbericht 2013)

In der EU werden 60 bis 70 der gesamten Exkremente in den Tierhaltungsbetrieben gesammelt und eingelagert Der Rest von 30 bis 40 wird von Weidevieh (Rinder Schafe und Gaumlnse) direkt auf dem Gruumlnland ausgeschieden und verbleibt unbehandelt in der Umwelt (Oe-neman et al 2007)

Von den entstehenden Exkrementen werden in Europa 50-65 als Guumllle eingelagert Fuumlr Deutschland liegt dieser Wert ebenfalls bei 50 (Weinfurtner 2011) Der Hauptteil wird in Guumllletanks gesammelt

Verschiedene Lagerungs- bzw Managementsysteme kommen zur Anwendung (Oeneman et al 2007)

- Sammlung als Hofdung (groumlszligere Dunghuumlgel mit Einstreu im Frei-

en) - Guumllletanks die unterirdisch oder oberirdisch liegen koumlnnen - Lagoons (vor allem in den USA) - Behandlung in Lagoon-Systemen (zB mechanisch beluumlftet) - als Substrat fuumlr Biogasanlagen

Oeneman et al (2007) zeigen auf dass es innerhalb der EU re-

gionale Unterschiede gibt was die Managementsysteme von tierischen Exkrementen betrifft Quantitative Angaben zu den Lagerungssystemen sind nur wenig vorhanden In den Niederlanden zum Beispiel ist die La-gerung von uumlber 95 in Form von Guumllle uumlblich In anderen Laumlndern wie Frankreich Groszligbritannien oder in Osteuropa ist eine Trennung von

Tab 14 Tierhaltung in der EU und in Deutschland 2008 (in mio) (Weinfurt-ner 2011 Eurostat 2010)

78

fluumlssigen und festen Bestandteilen vorherrschend Hier betraumlgt die Guumll-lelagerung unter 50 (Weinfurtner 2011 Oeneman et al 2007)

In der Schweinehaltung zum Beispiel gelangen die Exkremente meist durch Spaltenboumlden mit Stallsaumluberungswasser in Untergrundsi-los (Guumllletanks) oder Gruben in denen anaerobe Bedingungen herr-schen Nach mehreren Monaten wird die Guumllle als Wirtschaftsduumlnger auf Ackerland oder Gruumlnland aufgetragen Die Menge der Guumllle die als Wirtschaftsduumlnger ausgebracht werden darf ist in Deutschland per Ver-ordnung geregelt

Die Exkremente von Rindern werden meist als Hofdung also feste Bestandteile mit Einstreumaterial im Auszligenbereich gelagert Die Bedin-gungen an der Auszligenseite dieser Lagerhaufen sind aerob im Innern koumlnnen auch anaerobe Bedingungen vorherrschen Anders als bei Guumll-le die vornehmlich in Tanks gelagert wird unterliegt diese Form der Lagerung Umwelteinfluumlssen wie zum Beispiel Sonnenlicht oder Regen

Die Lagerungszeit wird in Europa durch unterschiedliche nationale Vorgaben geregelt Meist wird eine Kapazitaumlt gefordert die eine Lage-rung der angefallenen Exkremente uumlber sechs Monate ermoumlglicht Die durchschnittliche Lagerungsdauer in Europa betraumlgt etwa drei Monate (Slana et al 2013)

Die Lagerzeit ist abhaumlngig vom Duumlngebedarf verschiedener Acker-fruumlchte Auszligerdem bestimmen gesetzliche Regelungen den Zeitraum in dem Wirtschaftsduumlnger auf landwirtschaftliche Flaumlchen ausgebracht werden darf (Weinfurtner 2011)

79

Eine Beschraumlnkung der Wirtschaftsduumlngerausbringung ist fuumlr die jeweiligen Mitgliedsstaaten der EU geregelt Durch die Umsetzung der Nitrates Directive (Directive 91976EEC) ist die Ausbringung auszligerhalb der Vegetationsperiode verboten Zusaumltzlich haben einige Staaten spe-zielle Regelungen zu der Mindestlagerkapazitaumlt der Wirtschaftsduumlnger vor der Ausbringung und zu den Ausbringungszeitraumlumen (Weinfurtner et al 2011)

In Deutschland ist die maximale Ausbringungsmenge von Wirt-schaftsduumlngern auf 170kg Stickstoff pro Hektar Boden und Jahr limitiert Eine Lagerkapazitaumlt von mindestens sechs Monaten ist gefordert (sie-he Tabelle 15) Vom 01 11 bis 31 01 darf kein Wirtschaftsduumlnger auf Ackerland ausgebracht werden Die Ausbringung auf Gruumlnland ist vom 15 11 bis 31 01 verboten

Die erste Duumlngerapplikation erfolgt im Fruumlhling zum Start der Ve-getationsperiode je nach Kulturart und Lagerungssystem der Exkre-mente koumlnnen waumlhrend der Vegetationsperiode mehrere Applikationen folgen auf Intensivgruumlnlandflaumlchen bis zu sechs Mal (Weinfurtner 2011)

Die Behandlung von Guumllle in Biogasanlagen nimmt besonders in Deutschland Oumlsterreich und Daumlnemark zu (Weinfurtner 2011)

Tab 15 Regulatio-nen der Lagerkapa-zitaumlt von Guumllle und Ausbringungsein-schraumlnkungen in verschiedenen Laumln-dern (Weinfurtner 2011)

80

Nordamerika

Im Vergleich zu Europa bestehen die wesentlichen Unterschiede in der Landwirtschaft in Nordamerika in der Groumlszlige der Tierhaltungsbe-triebe und den daraus folgenden Anforderungen an die Lagersysteme fuumlr tierische Exkremente Der Groszligteil der in den USA gehaltenen Rin-der Milchkuumlhe und Schweine konzentriert sich immer mehr in groszligen Anlagen Milchkuhbetriebe von mehr als 2000 Kuumlhen oder Schweinebe-triebe mit mehr als 10000 Schweinen sind nicht unuumlblich (EPA 2004)

Im Gegensatz zu Europa gibt es in Nordamerika groszlige Areale in denen Tiere (vor allem Rinder) in groszligen Koppeln so genannten Feed-lots gehalten werden Die Ausscheidungen der Tiere gelangen hier di-rekt auf den Boden werden gesammelt und anschlieszligend kompostiert (Cessna et al 2011) Der feste Dung wird waumlhrend der Lagerung auf Komposthuumlgeln durch Bakterien veraumlndert und teils abgebaut Dies macht sich durch eine Selbstaufheizung des Materials bemerkbar Der Kompost wird anschlieszligend meist verkauft 806 Mio Tonnen Dung fiel 1997 von Rinden in Feedlots an Die Menge variiert aufgrund mehrerer Faktoren Ernaumlhrung Klima Feedlotbodenoberflaumlche Tierdichte und Frequenz der Saumluberung (EPA 2004)

In Kanada sind die Betriebsgroumlszligen im Schnitt kleiner als in den USA (Conn et al 2007 pers Mitteilung Topp 2013) In den USA sind so genannte CAFOs (Concentrated Animal Feeding Operations) weit verbreitet Groszlige CAFOs sind vor allem im Zentrum der USA zu finden (Nebraska Kansas Oklahoma und Texas) Durch die Fuumltterung mit zu-gekauftem Futter sind diese Betriebe weitgehend standortunabhaumlngig Anders als die CAFOs fuumlr Rinderhaltung (Beef) sind die Betriebe fuumlr Milchproduktion dezentraler verteilt weil das verderbliche Gut Milch kuumlr-zere Wege zum Verbraucher verlangt (EPA 2004)

Abb 37 Feedlot in den USA (EPA 2004)

81

In CAFOs werden Tiere - meist zur Endmast - auf engem Raum entweder im Freien auf vegetationslosem Grund oder meist in groszligen Hallen gehalten Diese konzentrierte Haltung birgt ein Umweltbelas-tungsrisiko da auf engstem Raum groszlige Mengen an Exkrementen an-fallen Solche Betrieb muumlssen in den USA von der EPA (Environmental Protection Agency) genehmigt werden und benoumltigen ein aufwendiges Entsorgungssytem fuumlr die anfallenden Exkremente Oft werden die Aus-scheidungen mit Reinigungswasser versetzt in Form von Guumllle in groszlige Lagoons geleitet (EPA 2004)

Schweine durchlaufen im Laufe ihres Lebens verschiedene CA-FOs von der Zuumlchtung bis zum Mastschwein Abbildungen 40 41 zei-gen eine Schweine-Stallung mit einem Lagoon Die Schweine werden in Buchten(Stall) mit Spaltenboden gehalten In dieser Art von Haltung wird die Guumllle uumlber die Spaltenboumlden in Kanaumlle die regelmaumlszligig gespuumllt wer-den in dafuumlr vorgesehenen Lagoons geleitet (EPA 2004)

Abb 38 Schweinestall mit Spaltenboden (EPA 2004)

Abb 39 An Schweine-staumllle angeschlossene Lagoonanlage (EPA 2004)

82

Die Guumllleproduktion dieser meist in groszliger Anzahl und konzentriert gehaltenen Tiere (CAFOs) ist immens Als Beispiel produzieren 1000 Rindern rund 9525432 Tonnen Guumllle pro Jahr (EPA 2004)

Guumllle wird meist in Lagoons oder Guumllletanks gelagert Diese Lage-rung in Lagoons ist typisch fuumlr die USA und Kanada Lagoons sind gro-szlige Becken im Auszligenbereich in welche Guumllle Saumluberungswasser der Staumllle Regenwasser Abwasser und Oberflaumlchenwasser eingeleitet werden Die darin enthaltene Guumllle wird somit stark verduumlnnt Die Be-dingungen in den Lagoons sind hauptsaumlchlich anaerob Aerobe Bedin-gungen herrschen lediglich an der Oberflaumlche Die mikrobielle Aktivitaumlt in den Lagoons ist dennoch houmlher als in den in Europa verwendeten Guumllletanks weil das Verhaumlltnis von Oberflaumlche zu Volumen groumlszliger ist Wegen der groumlszligeren Oberflaumlche ist auch das Verhaumlltnis von aeroben zu anaeroben Bedingungen besser Wie oben gezeigt verlaufen Abbau- und Transformationsprozesse unter aeroben Bedingungen schneller ab Ebenfalls steht die Oberflaumlche unter Lichteinfluss somit ist hier eine Phototransformation der enthaltenen Wirkstoffe moumlglich (Schluumlsener et al 2006)

Ein Lagoon muss groszlig genug sein um eine lange Lagerung zu gewaumlhrleisten Seit 2002 muumlssen alle neu errichteten Lagoons in den USA eine Lagerungskapzitaumlt von 180 Tagen aufweisen (www()ansc purdueeduCAFO)

Ein Lagoonsystem eines Milchviehbetriebs soll an dieser Stelle beispielhaft beschrieben werden Reinigungswasser und Exkremente werden weitergeleitet uumlber eine Abwasserleitung die mit drei Daumlmmen ausgestattet ist Die Daumlmme sind mit Spalten versehen um die festen von den fluumlssigen Bestandteilen zu trennen Die fluumlssigen Bestandteile werden in groszligen hintereinander geschalteten Lagoons aufgefangen in denen das Abwasser fuumlr eine bestimmte Zeit verbleibt Die Groumlszlige der Lagoons betraumlgt ca 100 x 50 m Als Duumlnger werden die Abwaumlsser des Lagoons zwei und drei verwendet Die festen Bestandteile werden eben-falls gesammelt und koumlnnen auch als Wirtschaftsduumlnger ausgeberacht werden (Zheng et al 2008) Die Lagoonguumllle weist einen sehr geringen Trockensubstanzgehalt von unter 01 auf Vor der Ausbringung wird sie nochmals mit Wasser verduumlnnt

83

Ostasien

In Asien erlebte die Tierhaltung in den letzten zwanzig Jahren ei-

nen Boom der als Livestock Revolution beschrieben wurde Durch Ur-banisierung und mit der Aumlnderung der Lebensverhaumlltnisse stieg die Nachfrage nach Fleisch und Milch dem entsprechend wurden die Pro-duktionssysteme hin zur intensiven Tierhaltung gefoumlrdert (Boettcher et al 2008)

Neben der steigenden Anzahl von Groszligbetrieben die sich auf-grund guter Futterversorgung und guter Absatzchancen meist nahe gro-szliger Staumldte konzentrieren (Gerber et al 2005) finden sich jedoch auch eine groszlige Zahl an mittelgroszligen Betrieben und noch viele Kleinbauern

Die festen Bestandteile der aus der Tierhaltung anfallenden Ex-kremente werden zur Kompostierung genutzt und die fluumlssigen meist in betriebseigenen Guumllletanks gelagert Die Guumllle dient auch als Substrat fuumlr Biogasanlagen Die Gaumlrreste werden wie auch in Europa als Duumlnger fuumlr landwirtschaftliche Flaumlchen genutzt (pers Mitteilung Kwon 2013) Die Ausbringung von Dung und Guumllle als Wirtschaftsduumlnger stellt in Asien ein nicht unerhebliches Problem dar weil die Exkremente von Tieren besonders aus der intensiven Tierhaltung in groszligen Anlagen stark mit Arzneimittelruumlckstaumlnden belastet sind In Korea werden haupt-saumlchlich die kompostierten Anteile der tierischen Exkremente als Wirt-schaftsduumlnger genutzt (Kim et al 2012) In China werden 50 der an-fallenden Exkremente als Wirtschaftsduumlnger genutzt nur 11 jedoch gelten als unbedenklich (Zhang 2008) In Malaysia werden in der Regel die in Lagoons gesammelten Abwaumlsser direkt in Fluumlsse geleitet (Boett-cher et al 2008)

Abb 40 Darstellung eines typi-schen Lagoon-Systems FW-Abwasserleitung DW123 - Daumlmme (Zheng et al 2008)

84

Umweltrisikostudien in Korea beschaumlftigen sich vornehmlich mit den Antibiotikagruppen Tetracycline Sulfonamide und Macrolide die bevorzugt in groszligen Mengen in intensiven Tierzuchtbetrieben verab-reicht werden (Kim et al 2011 Seo et al 2007) Dies geschieht weit-gehend unkontrolliert da die Betreiber der Anlagen in Korea Arzneimittel ohne tieraumlrztliche Verschreibung verabreichen koumlnnen (Kwon 2011)

7 Abschlieszligende Diskussion

71 Diskussion der Literaturrecherche

Fuumlr die vorliegende Arbeit wurde nach entsprechender Recherche eine Literaturdatenbank angelegt die 584 Quellen umfasst Diese Da-tenbank umfasst (wie oben dargestellt) auch Publikationen die fuumlr die vorliegende Arbeit nur mittelbar interessant sind zum Beispiel Review-Texte oder Publikationen die Tierarzneimittelruumlckstaumlnde in Boden oder Wasser untersuchen Aus diesen Daten wurde eine Auswertungsdaten-bank angelegt die jene Studien umfasst die sich speziell mit Abbau- und Transformationsprozessen von Tierarzneimitteln und Bioziden in Rinder- oder Schweineguumllle beschaumlftigen Die verhaumlltnismaumlszligig geringe Anzahl der hier interessanten Studien zeigt dass die Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle bislang nicht Hauptgegens-tand der Forschung gewesen ist Vor allem Biozide wurden in den bishe-rigen Transformationsstudien kaum beachtet Nur die Publikationen von Kreuzig beschaumlftigen sich meines Wissens mit diesem Thema Hier be-steht weiterer Forschungsbedarf gerade weil Kombinationswirkungen von Tierarzneimitteln mit Bioziden die Abbau- und Transformationspro-zesse beeinflussen koumlnnen Biozide koumlnnen die mikrobielle Aktivitaumlt hemmen und damit auch den Abbau von Arzneimittelruumlckstaumlnden ver-zoumlgern (Kolz et al 2005)

Aus der Auswertungsdatenbank laumlsst sich auch die geografische Verteilung der Forschungsstandorte ablesen Die Institute die sich mit Abbau- und Transformationsprozessen in Guumllle beschaumlftigen konzent-rieren sich in Nordamerika Europa und Asien Auffallend ist dass keine entsprechenden Studien aus Suumldamerika gefunden werden konnten obwohl es dort groszlige Nutztierbestaumlnde gibt (vor allem Rinder) ebenso wenig aus Suumldafrika obwohl dort die groumlszligten Feedlots der suumldlichen Hemisphaumlre zu finden sind (DLG 2011)

Nachfolgende Tabelle listet die Forschungsstandorte in Europa Nordamerika und Asien auf

85

Forschungsstandorte

DortmundInstitute of Environmental Research (INFU)University of DortmundOtto-Hahn-Straszlige 6

44221 Dortmund Germany

Hannover School of Veterinary Medicine Bischofsholer Damm 15 30173Hannover Germany

Gieszligen University of Giessen Giessen Germany

BraunschweigInstitute of Ecological Chemistry and Waste Analysis Technische Universitaumlt Braunschweig

Hagenring 30 D-38106 Braunschweig Germany

Goumlttingen University of Goettingen Faculty of Agricultural Sciences Germany

PaderbornUniversity of Paderborn Faculty of Science Department of Chemistry Warburger Str 100

33098 Paderborn Germany

TrierUniversity of Trier FB VI GeographyGeosciences Soil Science Section Campus II 54286 Trier

Germany

Rostock University of Rostock Institute for Land UseSoil Science Section Germany

Radebeul AWDelbion Meissner Str 191 D-01445 Radebeul Germany

Derbyshire Cranfield Centre for EcoChemistry Shardlow Hall Shardlow Derby Derbyshire DE72 2GN UK

WienDepartment of Hazardous Substances and Metabolites Umweltbundesamt GmbH (Austrian

Federal Environment Agency) Spittelauer Lande 5 A-1090 Vienna Austria

LegnaroUniversity of Padova Department of Animal Medicine Production and Health

Agripolis I-35020 Legnaro (PD) Italy

CopenhagenDepartment of Analytical and Pharmaceutical Chemistry Royal Danish School of

PharmacyUniversitetsparken 2 DK-2100

CopenhagenToxicology Laboratory Analytical Biosciences Department of Pharmacy Faculty of Health and

Medical Sciences University of CopenhagenUniversitetsparken 2 DK-Copenhagen Denmark

BudapestDepartment of Food Hygiene Faculty of Veterinary Science Szent Istvaacuten UniversityIstvaacuten u 2

H-1078 Budapest Hungary

Santiago de Compostela Department of Chemical Engineering Santiago de Compostela

Istanbul Istanbul Technical University Department of Environmental Engineering Istanbul

Iowa Iowa State University

MichiganDepartment of Civil and Environmental Engineering University of Michigan Ann-Arbor

MI 48109 USA

Maryland USDA Meat Animal Research Center NE USA

Riverside Dep of Environmental Sciences Univ of California Riverside CA 92521

Riverside USDA-ARSUS Salinity Lab 450 W Big Springs Rd Riverside CA 92507

Rapid CityDepartment of Civil and Environmental Engineering South Dakota School of Mines and

Technology Rapid City SD 57701 USA

StLouisDepartment of Energy Environmental and Chemical Engineering Washington University in

St Louis MOUSA

GreenfieldLilly Research Laboratories A Division of Eli Lilly and Company 2001 West Main Street

Drop Code GL45 Greenfield IN 46140 USA

Dover Dep of Chemistry Delaware State Univ Dover DE 19901

Fargo USDA ARS Biosciences Research Laboratory Fargo ND USA

Buffalo Chemistry Department University at Buffalo USA

MissouriEnvironmental Research Center Department of Civil Architectural and Environmental

Engineering University of Missouri-RollaRolla Missouri 65409-0030 USA

LawrenceUS Geological Survey Kansas Water Science Center 4821 Quail Crest Place Lawrence Kansas

66049

Saskatoon Agriculture and Agri-Food Canada Saskatoon SKCanada S7N 0X2

Saskatoon Toxicology Graduate Program University of SaskatchewanSaskatoon SK Canada

Ottawa Health Canada 269 Laurier Ave W Ottawa ON Canada K1A 0K9

JiangsuLaboratory for Agricultural Wastes Treatment and Recycling Institute of Agricultural Resources

andEnvironment Jiangsu Academy of Agricultural Sciences Jiangsu 210014 China

TianjinKey Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria (Ministry of Education)

College of Environmental Science and Engineering Nankai UniversityTianjin 300071 China

ShenyangCollege of Natural Resources and Environment Shenyang Agricultural University

Shenyang 110161 China

BeijingResearch Center for Eco-Environmental Sciences Chinese Academy of Sciences PO Box 2871

Beijing 100085 PR China

KumamotoGraduate School of Environmental and Symbiotic Sciences Prefectural University of

Kumamoto 3-1-100 Tsukide Kumamoto 862-8502 Japan

Euro

pa

Nord

am

erika

Asi

en

Tab16

Forschungsein-richtungen und deren Standorte

86

Zur Veranschaulichung sind in nachfolgender Weltkarte die For-schungsstandorte rot eingetragen

Die Auswertung der 51 Studien uumlber das Abbauverhalten und die Transformation von Tierarzneimitteln in Guumllle zeigt eine steigend Ten-denz des Forschungsinteresses an diesem Thema in den Jahren von 2000 bis 2012

Abb 41 Forschungseinrich-tungen und deren Standorte rot einget-ragen (generiert mit Google-Fusion-Tables)

Abb 42 Verlauf der Publikati-onshaumlufigkeit im Zeit-raum zwischen 2000 und 2012 (Quelle Auswertungsdaten-bank)

87

Nachfolgende Citationmap zeigt wie die Studien sich gegenseitig aufeinander beziehen Die Punkte stehen fuumlr die Publikationen die Pfei-le geben an wer wen zitiert Auch wenn die Zitationshaumlufigkeit vom Publikationsdatum abhaumlngig ist wird dennoch deutlich welche Arbeiten bis heute in der Forschung wichtig sind Am haumlufigsten zitiert wurden die Arbeiten von Winkler und Grafe (2001) Kuumlhne et al (2000) Teeter und Meyerhoff (2003) gefolgt von Loke et al (2000) und Arikan et al (2007) Zwei der juumlngsten Publikationen Jin und Chang (2011) sowie Zheng et al (2012) die sich nicht mit Antibiotika sondern mit Kupferruumlckstaumlnden sowie Hormontransformationen beschaumlftigen sind mit den anderen Stu-dien nicht vernetzt Am rechten Rand der Grafik wird deutlich wie meist juumlngere Studien die methodisch einen anderen Weg einschlagen und mit 14C-markierten Testsubstanzen arbeiten etwas abgegrenzt einen neuen Schwerpunkt bilden Dazu gehoumlren im Wesentlichen die Arbeiten von Kreuzig Sukul Lamshoumlft sowie Teeter und Meyerhoff

Kuumlhne et al 2000

Loke et al 2000

Arikan et al 2007

Kreuzig und Houmlltge 2005

Teeter und Meyerhoff 2003

Loke et al 2003

Arikan et al 2006

Grote et al 2004

Loftin et al 2005

Arikan 2008

Winckler und Grafe 2001

Kolz et al 2005

Bao et al 2009

Kreuzig et al 2007

Stone et al 2009

Alvarez et al 2010

Arikan et al 2009

Wang et al 2006


Kuchta und Cessna 2009

Blackwell et al 2005

Sukul et al 2008

Wu et al 2011

Angenent et al 2008

Kreuzig 2010

Thiele-Bruhn und Peters 2007

Kreuzig et al 2010

Wang und Yates 2008Lamshoumlft et al 2010

Mohring et al 2009Szatmari et al 2011

Varel et al 2012

Jin und Chang 2011Zheng et al 2012

Shelver und Varel 2012

Cessna et al 2011

Abb 43 Vernetzung der ausgewerteten Pub-likationen (Quelle Auswertungsdaten-bank)

88

Fuumlr die Untersuchungen wurden groumlszligtenteils Wirkstoffe aus den Substanzklassen der Tetracycline und Sulfonamide sowie Tylosin aus der Klasse der Macrolide verwendet Diese Substanzen gehoumlren zu den in der Tiermedizin auch am haumlufigsten eingesetzten Arzneimittel (siehe Tabelle 1) Nachfolgende Tabelle zeigt wie oft die Wirkstoffe der einzel-nen Substanzklassen im Zeitraum zwischen 2000 und 2012 in den hier ausgewaumlhlten Transformationsstudien untersucht worden sind

72 Diskussion der vorgestellten Studien

Die Ergebnisse der angefuumlhrten Studien zu bewerten bzw unte-reinander zu vergleichen ist schwierig Zum einen ist die Datenmenge relativ gering zum anderen unterscheiden sich die einzelnen Versuchs-aufbauten und Versuchsbedingungen meist deutlich Da wie oben dar-gelegt verschiedene Faktoren wie Matrixbeschaffenheit Temperatur aerobe oder anaerobe Versuchsbedingungen die Transformationspro-zesse wesentlich beeinflussen fuumlhren unterschiedliche Versuchsbedin-gungen auch zu unterschiedlichen Ergebnissen

Eine erste Schwierigkeit bisherige Studien miteinander zu verglei-chen liegt schon in der Beschaffenheit der Matrix selbst Guumllle ist eine sehr heterogene Matrix in der Transformationsprozesse von vielen Fak-toren wie zum Beispiel pH-Wert und Trockensubstanzanteil abhaumlngen Weinfurtner et al (2011) hat eine Studie zur Charakterisierung von Guumllle publiziert in der die verschiedenen Einflussfaktoren beschrieben wer-den

Der Trockensubstanzgehalt nimmt Einfluss auf das Sorptionsver-halten der Stoffe in der Guumllle Sorbierte Stoffe koumlnnen nur langsam oder

Abb 44 Anzahl der einge-setzten Testsubs-tanzen (Quelle Auswertungsdaten-bank)

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gar nicht abgebaut werden Das heiszligt dass durch die Bestimmung der extrahierbaren Stoffe allein nicht eindeutig festgestellt werden kann ob fuumlr die Konzentrationsreduktion ein biotischer oder abiotischer Abbau oder eine irreversible Bindung an die Matrix verantwortlich ist (Kolz et al 2005) Um zwischen Sorption und Abbau entscheiden zu koumlnnen haben zum Beispiel Kolz et al (2005) Parallelversuche mit behandelter Kontollguumllle durchgefuumlhrt In einem Fall wurde der Kontrolle Azid zuge-setzt um die mikrobielle Aktivitaumlt zu hemmen Da zwischen den beiden Proben kein Unterschied festzustellen war konnte die urspruumlnglich fest-gestellte Reduktion der Stoffkonzentration nicht biotischer Natur sein Um den abiotischen Abbau zu testen wurde eine zweite sterile Kontroll-guumllle gefiltert Da hier nur ein geringer Abbau zu verzeichnen war schlussfolgerten die Autoren dass die Reduktion hauptsaumlchlich durch Sorption an die Partikel bedingt gewesen sein muss

Eine weitere Methode um die nicht-extrahierbaren an die Fest-substanz gebundenen Stoffe zu bestimmen ist die Verwendung von 14C-radioaktiv markierten Stoffen Durch die Bildung von 14C-Kohlendioxid kann die tatsaumlchliche Rate der Mineralisierung gezeigt werden Diese Methode kann sicher den Unterschied zwischen Abbau und Sorption detektieren hat aber den Nachteil dass nur wenige Labo-re in der Lage sind mit radioaktiven Stoffen zu arbeiten Auszligerdem sind nicht fuumlr alle Stoffe 14C-markierte Standards verfuumlgbar

Guumllle ist ein starker Sorbent fuumlr Antibiotika (Kahle und Stamm 2007) Eine Vielzahl von organischen Substanzen und unterschiedlichen Gehalten an zwei- und dreiwertigen Kationen (Calcium Magnesium etc) in der Guumllle koumlnnen zum Teil irreversible Chelatkomplexe mit den Stoffen eingehen (Winkler et al 2004)

Das Ausmaszlig der Sorption kann in Abhaumlngigkeit von den chemi-schen Eigenschaften der Antibiotika sehr stark variieren Auch innerhalb von Substanzklassen gibt es Unterschiede (Thiele-Bruhn et al 2004)

Tetracycline und Chinolone weisen eine starke Sorptionsneigung an feste Bestandteile auf (Kdsolid range 70-5000 Lkg) (Tolls 2001) Tylo-sin besitzt ein Koc-Verteilungskoeffizent der die Sorption an organisches Material in Boden (Ingerslev und Halling-Soslashrensen 2001 Rabolle und Spliid 2001) und Guumllle ebenso beguumlnstigt (Kolz et al 2005) Tylosin ist mobiler als Tetracycline es sind aber weniger mobil als Sulfonamide (Kolz et al 2005b) Bei hohen pH-Werten die in Guumllle vorherrschen liegen Sulfonamide vor allem als schwach sorbierende Anionen vor In tieferen pH-Bereichen nimmt durch kationische Wechselwirkungen die Sorption stark zu (Kahle und Stamm 2007) Allerdings spielt auch die Kontaktzeit eine wichtige Rolle je laumlnger diese ist umso staumlrker kann die Substanz sorbieren (Stoob et al 2006)

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Deswegen sind auch Unterschiede in den Versuchen die medica-ted oder spiked Guumllle verwenden festzustellen Die Sorptionsneigung von Stoffen die durch die Behandlung von Tieren in die Guumllle gelangt sind (medicated) und somit laumlnger Kontakt mit den Exkrementen hatten ist demnach houmlher als bei Versuchen in denen Tierarzneimittel gespiket wurden In Laborversuchen wurden Unterschiede des Verbleibs von Wirkstoffen zwischen spiked und medicated Guumlllen festgestellt Es zeig-te sich dass spiked Chlotetracyclin abgebaut werden konnte bevor es zur Sorption kam waumlhrend das medicated Chlortetracyclin bereits teil-weise sorbiert vorlag und dadurch die Phase des groumlszligten Abbaus spaumlter erfolgte Die Gesamtreduktion des Chlortetracyclins war in der spiked Variante groumlszliger als in der medicated Guumllle Grund dafuumlr duumlrfte sein dass sich in der medicated Matrix bereits nicht-extrahierbare Ruumlckstaumln-de gebildet hatten (Bao et al 2009)

Die Versuche von spiked und medicated Guumllle sind deshalb schwer vergleichbar Nicht nur weil bei medicated Guumllle die Kontaktzeit laumlnger und somit die Sorptionsneigung houmlher ist sondern auch weil bei dieser Guumllle bei Versuchsbeginn bereits Metaboliten aus dem Stoff-wechsel der Tiere vorliegen Zum Beispiel gelangt bei Schweinen 46 des verabreichten Sulfamethazins in die Guumllle 50 davon in Form des Metabolits 4N-Acetyl-Sulfamethazin (Harms 2006 Berger et al 1986)

Acetylderivate wie 4N-Acetyl-Sulfamethazin sowie Glucuronide und Konjugate mit Schwefelsaumlure werden als unwirksame Metaboliten uumlber den Harn ausgeschieden (Winckler et al 2004 Stahlmann und Lode 2001) Metaboliten und Transformationsprodukte von Tierarznei-mitteln koumlnnen aber auch biologisch aktiv bzw antimikrobiell wirksam sein oder sogar eine houmlhere Wirksamkeit aufweisen als die Ausgangs-substanz (Gans et al 2005) Einige Metaboliten koumlnnen mit den gaumlngi-gen analytischen Methoden nicht erfasst werden wie zum Beispiel An-hydroformen (Gans et al 2005) Die inaktiven acetylierten Metaboliten koumlnnen durch bakterielle Aktivitaumlt wieder in die aktive Substanz zuruumlck-transformiert werden (Halling-Soslashrensen et al 2002 Berger et al 1986) Dadurch laumlsst sich zB bei Lamshoumlft et al (2010) eine steigende Kon-zentration von Sulfadiazin waumlhrend der anaeroben Lagerung durch Ruumlcktransformation von Acetyl-Sulfadiazin zeigen

Der Abbau von Tierarzneimitteln in Guumllle ist auch abhaumlngig von den Struktureigenschaften der Stoffe selbst Antibiotika verschiedener Substanzklassen unterscheiden sich in ihrem molekularen Aufbau und auch innerhalb einer Strukturklasse in ihren physikochemischen Eigen-schaften Einige Substanzen sind gut wasserloumlslich und andere sind hydrophob (Thiele-Bruhn 2007) Schon geringe Veraumlnderungen im mo-lekularen Aufbau beeinflussen die physikochemischen Eigenschaften

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eines Stoffes und damit die biologische Wirkung bzw dessen Abbau-barkeit (Universitaumltsklinikum Freiburg 2009)

Beispielsweise ist fuumlr Sulfonamide trotz gleicher Grundstruktur der Abbau fuumlr einzelne Wirkstoffe unterschiedlich Sulfadiazin hat keinen Substituenten am Pyrimidinring und kann deshalb an dieser Stelle hyd-roxyliert und als 4-Hydroxy-Sulfadiazin abgebaut werden Sulfamethazin besitzt dagegen zwei Substituenten am Pyrimidinring und zeigt dadurch einen geringeren Abbau als Sulfadiazin (Mohring et al 2009)

Sulfonamide sind wasserloumlslich und haben polare Gruppen die abhaumlngig vom pH-Wert des Mediums ionisieren (Thiele-Bruhn et al 2004) Tetracycline neigen zur reversiblen Bildung antibiotisch inaktiver Komplexe mit Kationen und Anionen und nieder-hochmolekularen Stof-fen (Duumlrckheimer 1975) Abhaumlngig von ihren hydrophilen und hydro-phoben Resten komplexieren die einzelnen Derivate stark oder weniger stark (Vockel 2005 Kuschinsky und Luumlllmann 1989)

Generell kann festgestellt werden dass Abbau- und Transformati-onsprozesse unter aeroben Bedingungen schneller ablaufen als unter anaeroben Bedingungen Kolz et al (2005) beschreiben einen 90igen Ruumlckgang von Tylosin nach 30 bis 130 Stunden unter anaeroben Be-dingungen waumlhrend der gleiche Ruumlckgang bei Beluumlftung der Guumlllepro-ben schon nach 12 bis 26 Stunden zu verzeichnen war Ebenso Kuumlhne et al (2000) Fuumlr Tetracyclin konnte ein deutlich schnellerer Abbau in beluumlfteten Proben Halbwertszeit 45 Tage im Gegensatz zu unbeluumlfte-ten Proben Halbwertszeit 9 Tage gezeigt werden

Herrschen bei der Lagerung von Guumllle unterschiedliche Bedingun-gen wirken sich diese wesentlich auf das Abbau- und Transformations-verhalten der belasteten Guumllle aus Und wie oben angefuumlhrt unterschei-det sich die Lagerpraxis international deutlich bedingt auch durch unter-schiedliche Formen der Tierhaltung

In Europa wird die Guumllle von Schweinen und Rindern meist in Guumll-letanks gelagert Diese Guumllle weist im Mittel einen Trockensubstanzan-teil von 5 fuumlr Schweineguumllle und 10 fuumlr Rinderguumllle auf (Weinfurtner 2011 LUFA NRW 2008) Die Bedingungen sind stark anaerob da kei-ne Luftzufuhr gegeben ist

In Nordamerika hingegen wird die Guumllle meist in feste und fluumlssi-ge Bestandteile getrennt und die fluumlssigen Bestandteile in groszligen La-goons im Freien gelagert Diese so hoch verduumlnnte Guumllle (Lagoonwas-ser) hat lediglich einen Trockensubstanzanteil von unter 01 (Zheng et al 2012) Die Bedingungen in einem Lagoon sind aufgrund der groumlszlige-ren Oberflaumlche und der gegebenen Luftzufuhr an der Oberflaumlcheaerober als in einem Guumllletank

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Oberflaumlche und Trockensubstanzgehalt nehmen auch Einfluss auf die Photodegradation Je groumlszliger die dem Sonnenlicht ausgesetzte La-geroberflaumlche und je geringer der Trockensubstanzgehalt desto staumlrker kann der Photoabbau wirken (so bei Lagoonlagerung) Bei Lagerung in geschlossenen Tanks wie dies in Europa uumlblich ist ist dieser Abbauweg ausgeschlossen (Sukul et al 2008)

In Ostasien werden die tierischen Exkremente hauptsaumlchlich kom-postiert Die fluumlssigen Bestandteile spielen fuumlr die Ausbringung auf landwirtschaftliche Flaumlchen eine untergeordnete Rolle Der zu Haufen aufgeschichtete Dung weist hohe Trockensubstanzgehalte auf Diese aerobe Lagerung hat eine sehr hohe mikrobielle Aktivitaumlt zur Folge

Die unterschiedliche Zusammensetzung der Guumlllen zum Beispiel der groszlige Unterschied im Trockensubstanzgehalt europaumlischer Guumllle im Vergleich zu in Nordamerika uumlblichem Lagoonwasser sowie die unter-schiedlichen Lagerverfahren fuumlhren zu unterschiedlichen Abbau- und Transformationsbedingungen der Ruumlckstaumlnde von Tierarzneimitteln und Bioziden

8 Zusammenfassung

Sowohl fuumlr Tierarzneimittel als auch fuumlr verschiedene Biozid-Produkte die in der Stallhygiene eingesetzt werden stellt die Ausbrin-gung mit der Guumllle einen wichtigen Eintragspfad in die Umwelt dar

Ziel der vorliegenden Arbeit war es bisherige Forschungsergeb-nisse zum Vorkommen von Tierarzneimittelwirkstoffen und Bioziden in Guumllle und den verwendeten Methoden fuumlr Studien zur Transformation dieser Stoffe in Guumllle zusammenzutragen Es wurde den Fragen nach-gegangen welche Stoffe bislang untersucht wurden welche Methoden und Analyseverfahren zur Anwendung kamen und welche Faktoren die Abbau- bzw Transformationsprozesse in Guumllle beeinflussen Dazu wur-de auf der Basis einer umfangreichen Literaturrecherche eine Daten-bank angelegt die Arbeiten umfasst welche sich unter verschiedenen Blickwinkeln mit Umweltbelastungen durch Wirkstoffruumlckstaumlnde aus der Tierhaltung beschaumlftigen Daraus wurden jene Studien ausgewertet die sich speziell mit Transformationsprozessen in Rinder- und Schweineguumll-le befassen

Die in der Veterinaumlrmedizin eingesetzten Medikamente stammen groumlszligtenteils aus der Gruppe der Antibiotika Eingesetzt werden unter anderem Tetracycline Sulfonamide sowie Macrolide Aufgrund ihrer chemischen Struktur koumlnnen diese Wirkstoffe unterschiedlich antimikro-

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biell wirksam sein und in der Umwelt persistieren Der Abbau dieser An-tibiotika (und der im Stoffwechsel der Tiere entstanden Metaboliten) er-folgt meist uumlber Transformationsprodukte die ebenfalls persistent oder oumlkotoxikologisch relevant sein koumlnnen Fuumlr Tetracycline wurden ver-schiedene Transformationsprodukte nachgewiesen zum Beispiel Epi-mere Isomere sowie der Abbau zu Anhydro-Verbindungen Die Anhyd-ro-Metaboliten von Sulfadiazin aus der Gruppe der Sulfonamide zeig-ten waumlhrend der Lagerung eine Ruumlcktransformation zur Muttersubstanz Durch Photoabbau von Sulfadiazin wurden weiter Transformationspro-dukte detektiert wie Anilin oder 2-Aminopyrimidin (Sukul et al 2008) Auch wurden fuumlr Salinomycin und Tylosin unbekannte Transformations-produkte detektiert deren Summenformel ermittelt werden konnte (Schluumlsener et al 2006 Sukul et al 2008) Zur Analyse von Wirkstof-fen und zur Identifizierung von Transformationsprodukten wird meist die Bestimmung mittels LC-MSMS beschrieben

Die Transformation von Bioziden in Guumllle wurde bislang nur selten untersucht (Kreuzig 2010) Nicht zuletzt weil Kombinationswirkungen von Tierarzneimitteln mit Bioziden die Abbau- und Transformationspro-zesse beeinflussen koumlnnen besteht hier weiterer Forschungsbedarf

Die Transformationsprozesse koumlnnen abiotisch zum Beispiel durch Hydrolyse oder Photodegradation verlaufen oder biotisch uumlber enzyma-tische Reaktionen (Fent 2007) Diese Prozesse werden von verschie-denen Umweltmilieus stark beeinflusst zum Beispiel der Beschaffenheit der Matrix der Temperatur dem pH-Wert sowie aerober oder anaerober Bedingungen

Die Stoffe koumlnnen an der Matrix sorbieren Je houmlher der Trocken-substanzanteil in der Guumllle ist desto mehr Sorptionsplaumltze sind vorhan-den Eine Moumlglichkeit zwischen tatsaumlchlichem Abbau und nicht-extrahierbaren an die feste Phase gebundenen Ruumlckstaumlnde zu unter-schieden besteht in der Verwendung von 14C-radioaktiv markierten Testsubstanzen (Kreuzig et al 2010)

Generell kann festgestellt werden dass Abbau- und Transformati-onsprozesse unter aeroben Bedingungen schneller ablaufen als unter anaeroben Bedingungen ebenso beguumlnstigen houmlherer Temperaturen den Abbau von Wirkstoffen in Guumllle Bei der Lagerung in groszligen Tanks wie in Europa uumlblich herrschen weitgehend anaerobe Bedingungen In Nordamerika wird die groszlige anfallende Menge an Guumllle aus CAFOs meist in groszligen Lagoons im Freien gelagert an deren Oberflaumlchen ae-robe in tieferen Schichten jedoch ebenfalls anaerob Bedingungen herr-schen Bei der Kompostierung der getrennt behandelten Feststoffe von Guumllle wie in Asien bevorzugt herrschen zum Teil aerobe Bedingungen

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9 Abstract

Veterinary medicines and biocides which are used in livestock for disinfection are released in the environment via manure application

The objective of this report is to collect information on occurrence of veterinary medicinal products and biocides in manure and methods to study their transformation in manure Questions addressed are which compounds have been investigated what kind of transformation tests and analytical techniques are used and what the important factors are which affect the degradation and transformation process in liquid ma-nure

For this purpose a comprehensive literature research about as-pects of environmental pollution by compound residues from livestock are has been prepared Subsequently specific research articles about transformation of veterinary medicines in swine and cattle manure have been evaluated

Most of the veterinary medicines used in livestock are antibiotics like tetracyclines sulfonamides and macrolides Variable antimicrobial effects occur because of their chemical structure and influence the fate of residue

The degradation of antibiotics and their metabolites mostly occur via transformation products These are also capable to persist in envi-ronmental matrices and can be ecotoxic For tetracyclines the transfor-mation products like epimers isomers and anhydro-compounds have been detected Metabolites of sulfadiazine showed transformations back to the parent compound Also photo degradation products like 2-aniline and 2-aminopyrimidine have been detected (Sukul et al 2008) A mole-cular formula of an unknown transformation product of salinomycine has been determined with LC-MSMS (Schluumlsener et al 2006 Sukul et al 2008) Most research articles describe LC-MSMS as the analytical me-thod for detection and identification of parent compounds and metabo-lites

The transformation and fate of biocides in liquid manure have not been considered elaborately in previous research Not least because combination effects of biocides and veterinary medicines can affect the degradation process further research is needed

Transformation occurs abiotic via hydrolysis or photo degradation or biotic by enzymatical reactions (Fent 2007) Transformation processes are influenced by the composition of matrix temperature pH-value as well as aerobic or anaerobic conditions Compounds could ad-sorb to the matrix depending on the sorption capacity The higher the

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dry matter content in liquid manure the more possibilities for sorption exist Using 14C-radioactive test compounds is a potential method to differentiate between degradation and formation of non-extractable resi-dues (Kreuzig et al 2010)

Generally transformation under aerobic conditions occurs faster than transformation under anaerobic conditions Also high temperatures promote the degradation of compounds in liquid manure During the manure storage in manure tanks mostly applied in Europe the storage conditions are anaerobic In North America manure is stored in lagoons because of the large amounts of manure that accumulates in large-scale CAFOs The outdoor lagoon storage is distinguished by aerobic condi-tions on the lagoon water surface and anaerobic conditions below the surface Composting the separated dry manure under aerobic conditions is the favored treatment of manure in Asia

10 Danksagung

An dieser Stelle moumlchte ich mich bei allen bedanken die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben Mein besondere Dank gilt Herrn PD Dr Rolf-Alexander Duumlring fuumlr die Bereitstellung eines aktuellen Themas von hoher Relevanz und fuumlr die Moumlglichkeit bei einem Kooperationsprojekt mitzuwirken sowie fuumlr die fachliche Betreuung Herrn Dipl-Chem Manuel Wohde danke ich ganz besonders fuumlr seine Geduld und seine Muumlhe meine Arbeit immer wieder kritisch zu begleiten Mein Dank gilt auch den Projektteilnehmern Frau Dr Silvia Berkner vom Umweltbundesamt Herrn Thomas Junker von der ECT Oumlkotoxikologie GmbH Frau Dr Monika Herrchen und Herrn Dr Dieter Hennecke vom Fraunhofer Institut fuumlr Molekularbiologie und Angewandte Oumlkologie fuumlr die gute Zusammenarbeit und fuumlr die Hilfe bei der Literaturrecherche

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TEXTE 562014

MASTERARBEIT

Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden in Guumllle

-Eine Literaturstudie-

von

Lisa Schwarz

Umweltbundesamtes

Impressum






ISSN 1862-4804




3

Inhaltsverzeichnis




4


9 Abstract 94

10 Danksagung 95


5






















6


















7








8


















9


10


11


12

1 Vorwort





13

2 Einleitung




14


31 Tierarzneimittel





15

gesamt (2005) 7844










16



311 Antibiotika




17



18






19









20





21





Epimerisierung






22



Isomerisierung





23






Dehydratisierung



24





25







26


27





32 Biozide





28







PA 2





PA 15 Avizide











Futtermittel



Taxidermie











29








(Suumltterlin 2007)

30







31







32









33











34






35


Tetracycline
































Sulfonamide







































Makrolide


Fluorchinolone



















Andere





36


Tetracycline




























Sulfonamide


































37


Makrolide




Fluorchinolone








Andere















38










39







Schleswig-Holstein













Vorpommern


Biogas eV

Biogas Union





40


Rep of Korea





41


hebung)









Auswahl


(Tabellen)


42




43


44








45


46


47









48






49







50






51







Einfluss der Matrix


52





























































ambient temperature



Kuumlhne et al 2000





‐6‐7 anaerobic


Grote et al 2004



Wang and Yates 2008









Wang et al 2006

37degC 996 ‐



























Tylosin manure








Varel et al 2012

Cessna et al 2011

Kolz et al 2005

Kolz et al 2005























22degC38degC55degC






medicated


LC‐MSMS kalt





LC‐MSMS kalt



Grote et al 2004









Arikan et al 2006





UPLC‐MS kalt



Sulfonamides









Sukul et al 2008






LSC 14C




Kreuzig 2010


‐ ‐UHPLC‐MSMS










LC‐MSMS kalt








Angenent et al 2008



HPLC‐MSMS kalt






HPLC‐UV ‐


Loke et al 2000

















LSC 14C




Kreuzig 2010

Flouroquinolones





Ionophores







Others


LSC 14C









HPLCDADMS kalt




HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012


HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012

Biocides



LSC 14C






LSC 14C




57




Tetracykline







58





59









60






61





62









63



64







65



Tylosin






66





67









68






Sulfadiazin



69






70






71






72








73





54 Biogas




74



Tetracyclines

5 20

40 50

152 80

1 32

5 33

25 44

10 452

50 565

100 641

125

250

125 32 (Biogas)

375 40 (Biogas)

75 49 (Biogas)







20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline +




20degCbatch

Stone et al 2010

Macrolides

Tylosin 11 27



20degCbatch

Stone et al 2010

Tylosin+




20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline

Chlortetracycline

Oxytetracycline +

Chlortetracycline

Oxytetracycline

Oxytetracycline




300 h


no inhibition

Sanz et al 1996

Loftin et al 2005

Alvarez et al 2010

Lallai et al 2002

Gamel-El-Din 1986




75










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Nordamerika





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Ostasien






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Forschungsstandorte











Germany


















MI 48109 USA







St Louis MOUSA









66049














Euro

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Nord

am

erika

Asi

en

Tab16


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Kuumlhne et al 2000

Loke et al 2000

Arikan et al 2007



Loke et al 2003

Arikan et al 2006

Grote et al 2004

Loftin et al 2005

Arikan 2008


Kolz et al 2005

Bao et al 2009

Kreuzig et al 2007

Stone et al 2009

Alvarez et al 2010

Arikan et al 2009

Wang et al 2006




Sukul et al 2008

Wu et al 2011

Angenent et al 2008

Kreuzig 2010


Kreuzig et al 2010



Varel et al 2012



Cessna et al 2011


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8 Zusammenfassung




93






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9 Abstract








95



10 Danksagung






96




















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98

















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100




















101


















102




















103


















104


















105

















106












Impressum






ISSN 1862-4804




3

Inhaltsverzeichnis




4


9 Abstract 94

10 Danksagung 95


5






















6


















7








8


















9


10


11


12

1 Vorwort





13

2 Einleitung




14


31 Tierarzneimittel





15

gesamt (2005) 7844










16



311 Antibiotika




17



18






19









20





21





Epimerisierung






22



Isomerisierung





23






Dehydratisierung



24





25







26


27





32 Biozide





28







PA 2





PA 15 Avizide











Futtermittel



Taxidermie











29








(Suumltterlin 2007)

30







31







32









33











34






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Tetracycline
































Sulfonamide







































Makrolide


Fluorchinolone



















Andere





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Tetracycline




























Sulfonamide


































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Makrolide




Fluorchinolone








Andere















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Schleswig-Holstein













Vorpommern


Biogas eV

Biogas Union





40


Rep of Korea





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hebung)









Auswahl


(Tabellen)


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Einfluss der Matrix


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ambient temperature



Kuumlhne et al 2000





‐6‐7 anaerobic


Grote et al 2004



Wang and Yates 2008









Wang et al 2006

37degC 996 ‐



























Tylosin manure








Varel et al 2012

Cessna et al 2011

Kolz et al 2005

Kolz et al 2005























22degC38degC55degC






medicated


LC‐MSMS kalt





LC‐MSMS kalt



Grote et al 2004









Arikan et al 2006





UPLC‐MS kalt



Sulfonamides









Sukul et al 2008






LSC 14C




Kreuzig 2010


‐ ‐UHPLC‐MSMS










LC‐MSMS kalt








Angenent et al 2008



HPLC‐MSMS kalt






HPLC‐UV ‐


Loke et al 2000

















LSC 14C




Kreuzig 2010

Flouroquinolones





Ionophores







Others


LSC 14C









HPLCDADMS kalt




HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012


HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012

Biocides



LSC 14C






LSC 14C




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Tetracykline







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Tylosin






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Sulfadiazin



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54 Biogas




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Tetracyclines

5 20

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1 32

5 33

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10 452

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100 641

125

250

125 32 (Biogas)

375 40 (Biogas)

75 49 (Biogas)







20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline +




20degCbatch

Stone et al 2010

Macrolides

Tylosin 11 27



20degCbatch

Stone et al 2010

Tylosin+




20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline

Chlortetracycline

Oxytetracycline +

Chlortetracycline

Oxytetracycline

Oxytetracycline




300 h


no inhibition

Sanz et al 1996

Loftin et al 2005

Alvarez et al 2010

Lallai et al 2002

Gamel-El-Din 1986




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Arikan 2008


Kolz et al 2005

Bao et al 2009

Kreuzig et al 2007

Stone et al 2009

Alvarez et al 2010

Arikan et al 2009

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Kreuzig 2010


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10 Danksagung






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Inhaltsverzeichnis




4


9 Abstract 94

10 Danksagung 95


5






















6


















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1 Vorwort





13

2 Einleitung




14


31 Tierarzneimittel





15

gesamt (2005) 7844










16



311 Antibiotika




17



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Epimerisierung






22



Isomerisierung





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Dehydratisierung



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32 Biozide





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PA 2





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Futtermittel



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Tetracycline
































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Fluorchinolone



















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‐6‐7 anaerobic


Grote et al 2004



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medicated


LC‐MSMS kalt





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Flouroquinolones





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Others


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Zheng et al 2012


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Biocides



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Chlortetracycline +




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Tylosin 11 27



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Chlortetracycline

Chlortetracycline

Oxytetracycline +

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300 h


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9 Abstract 94

10 Danksagung 95


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1 Vorwort





13

2 Einleitung




14


31 Tierarzneimittel





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gesamt (2005) 7844










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311 Antibiotika




17



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Epimerisierung






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Isomerisierung





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Dehydratisierung



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32 Biozide





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PA 2





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Futtermittel



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(Suumltterlin 2007)

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Tetracycline
































Sulfonamide







































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Fluorchinolone



















Andere





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‐6‐7 anaerobic


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Biocides



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Stone et al 2010

Chlortetracycline +




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1 Vorwort





13

2 Einleitung




14


31 Tierarzneimittel





15

gesamt (2005) 7844










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311 Antibiotika




17



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Epimerisierung






22



Isomerisierung





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Dehydratisierung



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32 Biozide





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PA 2





PA 15 Avizide











Futtermittel



Taxidermie











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(Suumltterlin 2007)

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Tetracycline
































Sulfonamide







































Makrolide


Fluorchinolone



















Andere





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Tetracycline




























Sulfonamide


































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Makrolide




Fluorchinolone








Andere















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Schleswig-Holstein













Vorpommern


Biogas eV

Biogas Union





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Einfluss der Matrix


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‐6‐7 anaerobic


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Flouroquinolones





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Others


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HPLCDADMS kalt




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Zheng et al 2012


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5 20

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125 32 (Biogas)

375 40 (Biogas)

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20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline +




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Macrolides

Tylosin 11 27



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Tylosin+




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Chlortetracycline

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1 Vorwort





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2 Einleitung




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31 Tierarzneimittel





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gesamt (2005) 7844










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311 Antibiotika




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Epimerisierung






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Kolz et al 2005























22degC38degC55degC






medicated


LC‐MSMS kalt





LC‐MSMS kalt



Grote et al 2004









Arikan et al 2006





UPLC‐MS kalt



Sulfonamides









Sukul et al 2008






LSC 14C




Kreuzig 2010


‐ ‐UHPLC‐MSMS










LC‐MSMS kalt








Angenent et al 2008



HPLC‐MSMS kalt






HPLC‐UV ‐


Loke et al 2000

















LSC 14C




Kreuzig 2010

Flouroquinolones





Ionophores







Others


LSC 14C









HPLCDADMS kalt




HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012


HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012

Biocides



LSC 14C






LSC 14C




57




Tetracykline







58





59









60






61





62









63



64







65



Tylosin






66





67









68






Sulfadiazin



69






70






71






72








73





54 Biogas




74



Tetracyclines

5 20

40 50

152 80

1 32

5 33

25 44

10 452

50 565

100 641

125

250

125 32 (Biogas)

375 40 (Biogas)

75 49 (Biogas)







20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline +




20degCbatch

Stone et al 2010

Macrolides

Tylosin 11 27



20degCbatch

Stone et al 2010

Tylosin+




20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline

Chlortetracycline

Oxytetracycline +

Chlortetracycline

Oxytetracycline

Oxytetracycline




300 h


no inhibition

Sanz et al 1996

Loftin et al 2005

Alvarez et al 2010

Lallai et al 2002

Gamel-El-Din 1986




75










76









77











78






79






80

Nordamerika





81





82





83

Ostasien






84







85

Forschungsstandorte











Germany


















MI 48109 USA







St Louis MOUSA









66049














Euro

pa

Nord

am

erika

Asi

en

Tab16


86





87


Kuumlhne et al 2000

Loke et al 2000

Arikan et al 2007



Loke et al 2003

Arikan et al 2006

Grote et al 2004

Loftin et al 2005

Arikan 2008


Kolz et al 2005

Bao et al 2009

Kreuzig et al 2007

Stone et al 2009

Alvarez et al 2010

Arikan et al 2009

Wang et al 2006




Sukul et al 2008

Wu et al 2011

Angenent et al 2008

Kreuzig 2010


Kreuzig et al 2010



Varel et al 2012



Cessna et al 2011


88







89






90





91








92




8 Zusammenfassung




93






94

9 Abstract








95



10 Danksagung






96




















97


















98

















99
















100




















101


















102




















103


















104


















105

















106












7








8


















9


10


11


12

1 Vorwort





13

2 Einleitung




14


31 Tierarzneimittel





15

gesamt (2005) 7844










16



311 Antibiotika




17



18






19









20





21





Epimerisierung






22



Isomerisierung





23






Dehydratisierung



24





25







26


27





32 Biozide





28







PA 2





PA 15 Avizide











Futtermittel



Taxidermie











29








(Suumltterlin 2007)

30







31







32









33











34






35


Tetracycline
































Sulfonamide







































Makrolide


Fluorchinolone



















Andere





36


Tetracycline




























Sulfonamide


































37


Makrolide




Fluorchinolone








Andere















38










39







Schleswig-Holstein













Vorpommern


Biogas eV

Biogas Union





40


Rep of Korea





41


hebung)









Auswahl


(Tabellen)


42




43


44








45


46


47









48






49







50






51







Einfluss der Matrix


52





























































ambient temperature



Kuumlhne et al 2000





‐6‐7 anaerobic


Grote et al 2004



Wang and Yates 2008









Wang et al 2006

37degC 996 ‐



























Tylosin manure








Varel et al 2012

Cessna et al 2011

Kolz et al 2005

Kolz et al 2005























22degC38degC55degC






medicated


LC‐MSMS kalt





LC‐MSMS kalt



Grote et al 2004









Arikan et al 2006





UPLC‐MS kalt



Sulfonamides









Sukul et al 2008






LSC 14C




Kreuzig 2010


‐ ‐UHPLC‐MSMS










LC‐MSMS kalt








Angenent et al 2008



HPLC‐MSMS kalt






HPLC‐UV ‐


Loke et al 2000

















LSC 14C




Kreuzig 2010

Flouroquinolones





Ionophores







Others


LSC 14C









HPLCDADMS kalt




HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012


HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012

Biocides



LSC 14C






LSC 14C




57




Tetracykline







58





59









60






61





62









63



64







65



Tylosin






66





67









68






Sulfadiazin



69






70






71






72








73





54 Biogas




74



Tetracyclines

5 20

40 50

152 80

1 32

5 33

25 44

10 452

50 565

100 641

125

250

125 32 (Biogas)

375 40 (Biogas)

75 49 (Biogas)







20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline +




20degCbatch

Stone et al 2010

Macrolides

Tylosin 11 27



20degCbatch

Stone et al 2010

Tylosin+




20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline

Chlortetracycline

Oxytetracycline +

Chlortetracycline

Oxytetracycline

Oxytetracycline




300 h


no inhibition

Sanz et al 1996

Loftin et al 2005

Alvarez et al 2010

Lallai et al 2002

Gamel-El-Din 1986




75










76









77











78






79






80

Nordamerika





81





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Ostasien






84







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Forschungsstandorte











Germany


















MI 48109 USA







St Louis MOUSA









66049














Euro

pa

Nord

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erika

Asi

en

Tab16


86





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Kuumlhne et al 2000

Loke et al 2000

Arikan et al 2007



Loke et al 2003

Arikan et al 2006

Grote et al 2004

Loftin et al 2005

Arikan 2008


Kolz et al 2005

Bao et al 2009

Kreuzig et al 2007

Stone et al 2009

Alvarez et al 2010

Arikan et al 2009

Wang et al 2006




Sukul et al 2008

Wu et al 2011

Angenent et al 2008

Kreuzig 2010


Kreuzig et al 2010



Varel et al 2012



Cessna et al 2011


88







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8 Zusammenfassung




93






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9 Abstract








95



10 Danksagung






96




















97


















98

















99
















100




















101


















102




















103


















104


















105

















106












8


















9


10


11


12

1 Vorwort





13

2 Einleitung




14


31 Tierarzneimittel





15

gesamt (2005) 7844










16



311 Antibiotika




17



18






19









20





21





Epimerisierung






22



Isomerisierung





23






Dehydratisierung



24





25







26


27





32 Biozide





28







PA 2





PA 15 Avizide











Futtermittel



Taxidermie











29








(Suumltterlin 2007)

30







31







32









33











34






35


Tetracycline
































Sulfonamide







































Makrolide


Fluorchinolone



















Andere





36


Tetracycline




























Sulfonamide


































37


Makrolide




Fluorchinolone








Andere















38










39







Schleswig-Holstein













Vorpommern


Biogas eV

Biogas Union





40


Rep of Korea





41


hebung)









Auswahl


(Tabellen)


42




43


44








45


46


47









48






49







50






51







Einfluss der Matrix


52





























































ambient temperature



Kuumlhne et al 2000





‐6‐7 anaerobic


Grote et al 2004



Wang and Yates 2008









Wang et al 2006

37degC 996 ‐



























Tylosin manure








Varel et al 2012

Cessna et al 2011

Kolz et al 2005

Kolz et al 2005























22degC38degC55degC






medicated


LC‐MSMS kalt





LC‐MSMS kalt



Grote et al 2004









Arikan et al 2006





UPLC‐MS kalt



Sulfonamides









Sukul et al 2008






LSC 14C




Kreuzig 2010


‐ ‐UHPLC‐MSMS










LC‐MSMS kalt








Angenent et al 2008



HPLC‐MSMS kalt






HPLC‐UV ‐


Loke et al 2000

















LSC 14C




Kreuzig 2010

Flouroquinolones





Ionophores







Others


LSC 14C









HPLCDADMS kalt




HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012


HPLCDADMS kalt



Zheng et al 2012

Biocides



LSC 14C






LSC 14C




57




Tetracykline







58





59









60






61





62









63



64







65



Tylosin






66





67









68






Sulfadiazin



69






70






71






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54 Biogas




74



Tetracyclines

5 20

40 50

152 80

1 32

5 33

25 44

10 452

50 565

100 641

125

250

125 32 (Biogas)

375 40 (Biogas)

75 49 (Biogas)







20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline +




20degCbatch

Stone et al 2010

Macrolides

Tylosin 11 27



20degCbatch

Stone et al 2010

Tylosin+




20degCbatch

Stone et al 2010

Chlortetracycline

Chlortetracycline

Oxytetracycline +

Chlortetracycline

Oxytetracycline

Oxytetracycline




300 h


no inhibition

Sanz et al 1996

Loftin et al 2005

Alvarez et al 2010

Lallai et al 2002

Gamel-El-Din 1986




75










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80

Nordamerika





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Ostasien






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Germany


















MI 48109 USA







St Louis MOUSA









66049














Euro

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Nord

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Kuumlhne et al 2000

Loke et al 2000

Arikan et al 2007



Loke et al 2003

Arikan et al 2006

Grote et al 2004

Loftin et al 2005

Arikan 2008


Kolz et al 2005

Bao et al 2009

Kreuzig et al 2007

Stone et al 2009

Alvarez et al 2010

Arikan et al 2009

Wang et al 2006




Sukul et al 2008

Wu et al 2011

Angenent et al 2008

Kreuzig 2010


Kreuzig et al 2010



Varel et al 2012



Cessna et al 2011


88







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8 Zusammenfassung




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9 Abstract








95



10 Danksagung






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98

















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100




















101


















102




















103


















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56/2014 Transformation von Tierarzneimitteln und Bioziden in G¼lle