English

Veterinary pharmaceuticals, especially tetracyclines and sulfonamids, are used in large quantities in animal husbandry and reach the soil via manure or slurry application. After exposure to soil the parent compounds and metabolites may reach the food chain via plant uptake and contaminate ground water. In addition to ecotoxicological effects, veterinary antibiotics may promote the development and spread of resistant bacteria. But due to insufficient knowledge on occurrence and fate (degradation, transport) of pharmaceuticals in soil a reliable risk assessment is not possible. This work aimed to get more information on the fate of the veterinary antibiotics chlortetracycline (CTC) and sulfadiazine (SFD) in manured soil. Therefore, soil samples from field and column experiments were analyzed.
For the analysis of soil samples LC-MS methods were developed and applied. The sample preparation of this method included a solid/liquid extraction with ammoniacal EDTA-buffer as well as a further clean-up and preconcentration via solid phase extraction (SPE). CTC was determined as sum of iso-CTC (isomer of CTC) and e-iso-CTC (epimer of iso-CTC) because of fully isomerisation under ammoniacal extraction condition. The data of field experiments under farming conditions show that already a single application of manure is resulting in a measurable contamination of soil top layers (plough layer) for months. Repeated manure application leads to an accumulation of antibiotics in soil. Therefore higher antibiotic recovery rates from soil were noticed after the second manure application. Transfer into deeper soil layers was not detected.
The results of the field experiment were basically confirmed by further experiments with soil columns (near-natural or extreme rainfall). The analyzed leachate samples of the column experiments contained small amounts of the applied antibiotics. This indicates a possible leaching for CTC and SFD into groundwater. Hence, the generally accepted assumption that CTC is immobile in soil and cannot reach groundwater is to reconsider. Although the mechanism of transport is not fully clear, the results indicate a particle-facilitated transport of CTC. The leachate samples showed significant losses in the quantifiable amount of CTC. Systematic experiments reveal that these losses can be attributed to occlusion of CTC by soil-matrix. This process caused that only a small part of total CTC was extractable. CTC complex formation with metal ions may be also responsible for lower recovery.
Preliminary experiments with fluorescence methods were carried out for direct determination of CTC in soil. Results with test-particles (aluminium oxide, sand, clay, soil) show that determination of particle-sorbed CTC is in principle possible.

Deutsch

Veterinärarzneistoffe, insbesondere antibiotisch wirksame Tetracycline und Sulfonamide, werden in erheblichen Mengen in der Tiermast eingesetzt. Die von den Tieren ausgeschiedenen Wirkstoffe und Metabolite werden mit den organischen Düngern Gülle und Mist in Böden landwirtschaftlicher Nutzflächen eingetragen. Die Pharmakarückstände können ins Grundwasser gelangen und von Nutzpflanzen aufgenommen werden. Das Risikopotenzial der Einträge von Antibiotika in terrestrische Kompartimente und in die Nahrungsmittelkette resultiert aus der zunehmenden Entwicklung und Verbreitung von Antibiotikaresistenzen. Der Kenntnisstand über das Verhalten von Veterinärarzneistoffen in Böden (Abbau, Transport) ist jedoch unzureichend. Folglich können noch keine gesicherten Aussagen über die Risiken für Mensch und Umwelt gemacht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde daher das Verhalten von Chlortetracyclin (CTC) und Sulfadiazin (SFD) in Gülle-beaufschlagten Böden untersucht. Hierzu wurden Bodenproben, die Feldversuchen unter praxisnahen landwirtschaftlichen Bedingungen und aus Säulenversuchen (Modellbedingungen) entstammten, analysiert. Zur Analyse der Bodenproben wurden LC-MS-Methoden entwickelt und angewendet. Die Probenaufbereitung umfasste einen Fest-Flüssig-Extraktionschritt und zur weiteren Aufkonzentrierung und Aufreinigung eine Festphasenextraktion (Solid Phase Extraction, SPE). Während der Extraktion des Bodens mit einem ammoniakalischen EDTA-Puffer wird CTC vollständig in die Isomere iso-CTC und e-iso-CTC (Epimer des iso-CTC) umgewandelt, so dass die CTC-Gehalte als Summe der e-iso-CTC und iso-CTC-Anteile bestimmt wurden. Die Analysen der Bodenextrakte aus den Feldversuchen (Bodenbeaufschlagung mit CTC und SFD-haltiger Gülle aus einer Schweinemedikation) belegen, dass bereits eine einmalige Düngung des unbelasteten Bodens mit Antibiotika-haltiger Gülle zu einer mehrmonatig nachweisbaren Kontamination der oberen Bodenschichten im Pflugbereich führt. Die Massenkonzentrationen waren dabei für CTC deutlich höher als für SFD. Wiederholte Düngung bewirkte eine Akkumulation der Antibiotika im Oberboden, insbesondere für CTC. Eine Verlagerung von CTC und SFD in tiefere Bodenschichten konnte nicht festgestellt werden. Die Analyse von Bodenproben aus Säulenexperimenten unter simulierten naturnahen und intensiven Niederschlagsbedingungen, bestätigen tendenziell die Ergebnisse aus dem Feldversuch. In den Sickerwasserproben (Säuleneluate) wurden Spuren von CTC und SFD nachgewiesen. Es besteht daher die Möglichkeit eines Eintrags sowohl von SFD als auch von CTC ins Grundwasser, das bisher allgemein als immobil eingestuft wurde. Ebenso ergaben sich Hinweise auf einen partikelgebundenen Ko-Transport von CTC. In welchem Umfang dieser zum Gesamttransport beiträgt, konnte nicht ermittelt werden, da erhebliche Minderfunde bei Wiederfindungsstudien auftraten. Wie systematische Modellversuche ergaben, sind diese u.a. auf die Okklusion von CTC durch Bodenbestandteile zurückzuführen, was zur Bildung nicht-extrahierbarer CTC-Anteile führt. Auch die Bildung von CTC-Metallkomplexen kann eine Ursache der Minderbefunde sein. Fluoreszenzspektrometrische Voruntersuchungen an CTC und iso-CTC beladenen Modellpartikeln (Aluminiumoxid, Sand, Tonminerale, Boden) zeigen, dass eine direkte quantitative Bestimmung von partikelgebundenen Tetracyclinen prinzipiell möglich ist.