Ausbreitung Von Antibiotika, Mikroorganismen Und Resistenzen Aus

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Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung Ausbreitung von Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung und deren Minimierung in Biogasanlagen 1. Umweltbelastung durch landwirtschaftliche Abwässer..........................297 2. Einsatz und Verbreitung von Veterinärantibiotika und metallhaltigen Futtermittelzusätzen im landwirtschaftlichen Sektor...299 3. Mikrobiologische Charakterisierung landwirtschaftlicher Abwässer: pathogene und resistente Bakterien...........................................................302 4. Antibiotikaresistenzgene, quantifizierbare mikrobiologische Kontaminanten in der landwirtschaftlich geprägten Umwelt................303 5. Utilisierung einer biotechnologischen Barriere zur Hygienisierung landwirtschaftlicher Abwässer.................................305 6. Literatur.........................................................................................................307 1. Umweltbelastung durch landwirtschaftliche Abwässer Als größter Flächennutzer Deutschlands, mit 52,2 Prozent und somit 16,7 Millionen Hektar, nimmt die Landwirtschaft erheblichen Einfluss auf Umweltkompartimente wie Boden, Grund- und Oberflächengewässer sowie Luft [31]. In Agrarräumen fallen in der Geflügel-, Mastvieh- und Milchwirtschaft große Mengen an Exkrementen an, die in Form von Gülle oder Festmist als Wirtschaftsdünger und Substrat für die Biogasproduktion Verwendung finden. Die Ausbringung von nicht aufbereiteter Gülle, sowie Gärrest und Abwasser aus Biogasanlagen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen stellt neben der wertvollen Nährstoffzufuhr jedoch einen direkten Eintragspfad für veterinärpharmakologische Spurenstoffe, Schwermetallreste sowie pathogene beziehungsweise Antibiotikaresistenzen tragende Mikroorganismen in die aquatische und terrestrische Umwelt dar (Bild 1). Antibiotika finden, seit dem EU-weiten Verbot zur prophylaktischen und leistungsfördernden Anwendung in 2006, kaum weniger Einsatz und die Nutzung Zinkund kupferhaltiger Futtermitteladditive aufgrund ihrer antimikrobiellen Wirkung nimmt weiterhin zu [8, 9]. Sowohl Schwermetalle als auch Antibiotika werden größtenteils unverändert wieder ausgeschieden und gelangen über die Düngung mit landwirtschaftlichen Abwässern in terrestrische wie aquatische Ökosysteme [11]. 297 Emissionsminderung Tina K. Wings und Wolfgang Dott Emissionsminderung Tina K. Wings, Wolfgang Dott Hier stören sie die ökologische Funktionalität der Biotope indem sie die Biodiversität (Artenvielfalt) vermindern. Doch neben dem ökologischen Aspekt kommt auch eine humanrelevante Komponente zum Tragen. Arzneimittelrückstände und Schwermetalle gelangen über die Applikation landwirtschaftlicher Abwässer natürlich auch auf landwirtschaftlich genutzte Flächen. Dort verbleiben sie monatelang, im Falle der Schwermetalle dauerhaft, in den oberen Bodenhorizonten, wo sie von Nutzpflanzen aufgenommen werden können und ihren Eintrag in Lebens- und Futtermittel finden (Bild 1),[9, 27, 31]. Die Anwesenheit antibiotisch wirksamer Substanzen in Gülle, Agrarland und Umwelt promoviert außerdem die Persistenz und Verbreitung einer Reihe mikrobiologischer Schadstoffe. Pathogene Bakterien, Resistenzgene und Organismen, die eine Resistenz gegenüber den eingesetzten Substanzen ausbilden, haben einen Wachstumsvorteil und verdrängen ungefährliche und ökologisch nützliche Spezies (Bild 1), [6]. Klinische Relevanz erlangt dieser Sachverhalt durch 3 plausible Mechanismen wobei ein grundlegender Mangel an Fallstudien zu einer kritischen Betrachtung mahnt [5]. Die Übertragung zoonotischer Krankheitserreger von Vieh auf den Menschen durch direkten Kontakt kann leicht nachvollzogen werden; wird jedoch angesichts des kleinen Anteils der Infektionsfälle mit resistenten Erregern vernachlässigbar. Zu klären ist das Risiko durch kontaminierte Lebensmittel, sowie die Übertragung von Resistenzgenen aus der Landwirtschaft auf humanpathogene Bakterien (Bild 1) [5]. Bild 1: Eintragspfade von Bakterien und Resistenzgenen Quelle: Adaptiert nach Chee-Sanford, J.C.; Mackie, R.I.; Koike, S.; Krapac, I.G.; Lin, Y.-F.; Yannarell, A.C. et al.: Fate and transport of antibiotic residues and antibiotic resistance genes following land application of manure waste. J. Environ. Qual. 38 (2009) 1086–1108. doi:10.2134/jeq2008.0128 298 Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung Neben gesetzlichen Bestimmungen zum Einsatz von Tierarzneimitteln und Futtermittelzusätzen, die eine drastische Umstellung von Tierhaltungs- und Managementsystemen nach sich ziehen, sind auch technologische Verfahren zur Emissionsminderung erforderlich. Vor einer Ausbringung von Antibiotika und mikrobiologischen Kontaminanten auf Agrarflächen sind effiziente Eliminierungsstrategien im Rahmen der Behandlung von Wirtschaftsdüngern zu realisieren. Insofern sind Tetracycline, Sulfonamide, pathogene und resistente Bakterien sowie Kupfer und Zink auch in Zukunft als problematische Rückstände der Wirtschaftsdünger mit umweltrelevanten Eigenschaften anzusehen. Die Hauptkomponente der in Geflügel-, Mastvieh- und Milchviehhaltung eingesetzten Pharmaka mit hoher Umweltrelevanz sind antibiotisch wirksame Substanzen. Nach wie vor liegt der Arzneimitteleinsatz in der Veterinärmedizin europaweit auf einem hohen Niveau. Jährlich werden etwa 1.700 Tonnen Antibiotika allein in der deutschen Landwirtschaft verabreicht [11].Tetracycline und Sulfonamide stellen in Deutschland und auch in vielen anderen europäischen Ländern den Hauptanteil der antibiotisch wirksamen Substanzen dar (Tabellen 1 und 2) [11, 27]. Tabelle 1: Abgegebene Menge antimikrobiell wirksamer Grundsubstanz je Wirkstoffklasse an in Deutschland ansässige Tierärzte mit einer Hausapotheke in 2011 und 2012 Wirkstoffklasse Abgegebene Menge 2011 Abgegebene Menge 2012 Differenz t Tetracycline Penicilline 564 566 +2 527,5 498 -29,5 Sulfonamide 185 162 -23 Makrolide 173 145 -28 Polypeptid-Antibiotika 127 124 -3 Aminoglycoside 47 40 -7 Trimethoprim 30 26 -4 Lincosamide 17 15 -2 Pleuromutiline 14 18 +4 Fluorchinolone 8 10 +2 Fenicole 6 6 0 Cephalosporine 1. +2. Generation 2 5 +3 Cephalosporine 3. Generation 2 2,5 +0,5 1,5 1,5 0 Cephalosporine 4. Generation Summe 1.706 1.619 -87 Quelle: germap2012.pdf, (n.d.). http://www.bvl.bund.de/SharedDocs/Downloads/05_Tierarzneimittel/germap2012.pdf?__ blob=publicationFile&v=4 (accessed February 10, 2015) 299 Emissionsminderung 2. Einsatz und Verbreitung von Veterinärantibiotika und metallhaltigen Futtermittelzusätzen im landwirtschaftlichen Sektor Tina K. Wings, Wolfgang Dott Tabelle 2: Vergleich der Abgabemengen antimikrobieller Substanzen für Lebensmittel liefernde Tiere in 25 europäischen Mitgliedsstaaten und der Anteil antimikrobieller Substanz in mg pro Korrekturfaktor für 2011 Mitgliedsstaat Abgegebene Menge 2011 PCU t 1.000 t 53 977 55 Belgien 299 1.695 175 Bulgarien 42 399 104 Zypern 52 127 408 Tschechische Republik 61 Dänemark 107 2.479 43 732 83 Estland 8 114 66 Finnland 14 520 24 Frankreich Emissionsminderung mg/PCU Österreich Deutschland 913 7.643 117 1.826 8.600 212 Ungarn 148 767 192 Island 0,7 114 6 Irland 89 1.770 49 Italien 1.672 4.497 370 Lettland 6 171 35 Litauen 14 337 42 Niederlande 364 3.186 114 Norwegen 7 1.016 4 Polen 473 3.929 120 Portugal 164 1.016 161 Slowakei 11 247 44 Slowenien Spanien 8 182 43 1.781 7.135 249 Schweden 13 6.724 14 Vereinigtes Königreich 357 Summe 6.724 51 8.481 55.872 PCU (Tierzahlen der LLT multipliziert mit dem geschätzten Gewicht zum Zeitpunkt der Behandlung) Quelle: germap2012.pdf, (n.d.). http://www.bvl.bund.de/SharedDocs/Downloads/05_Tierarzneimittel/germap2012. pdf?__blob=publicationFile&v=4 (accessed February 10, 2015) Diese Wirkstoffe verlassen den Gastrointestinaltrakt der Nutztiere nach der Applikation in überwiegend unmetabolisierter Form und belasten Wirtschaftsdünger wie Gülle und Festmist mit Rückständen von deutlich über 100 mg/kg [16]. Aber auch bereits im Tier metabolisierte (und dadurch eliminierte) Substanzen können z.B. in Schweinegülle wieder in die mikrobiologisch aktive Ausgangssubstanz umgewandelt werden. Kupfer- und Zinkverbindungen werden als Tierarzneimittel (z.B. zur Verwendung in Klauenbädern) und vor allem als Futtermittelzusatzstoffe verabreicht (Tabelle 3 und 4) [9]. Da die Dosierungen deutlich über den physiologisch erforderlichen Konzentrationen liegen, wird nicht resorbiertes Kupfer und Zink ausgeschieden und gelangt so 300 Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung in die Wirtschaftsdünger. Insbesondere der Einsatz von Kupfersulfat (Kupfervitriol) in der Klauenbehandlung kann in einzelnen Betrieben bis zu 70 Prozent des gesamten Kupfereintrages darstellen [9]. Einsatz von Kupfer und Zink als Tierarzneimittel Element Zugelassene Verbindungen Tierart Höchstgehalte µg/kg Kupfer - chlorid, - gluconat, - heptonat, - methionat, - oxid, (II)-oxid, - sulfat Alle zur Lebensmittel- erzeugung genutzten Arten Keine Rückstandshöchstmenge(n) erforderlich Zink Alle zur Lebensmittel- erzeugung genutzten Arten Keine Rückstandshöchstmenge(n) erforderlich - acetat, - aspartat, - chlorid, - gluconat, - oleat, - oxid, - stearat, - sulfat Quelle: Verordnung (EU) Nr. 37/2010 der Kommission vom 22. Dezember 2009 über pharmakologisch wirksame Stoffe und ihre Einstufung hinsichtlich der Rückstandshöchstmengen in Lebensmitteln tierischen Ursprungs - LexUriServ.do, (n.d.). http:// eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:015:0001:0072:DE:PDF (accessed August 31, 2015) Tabelle 4: Element Kupfer und Zink als Futtermittelzusatzstoffe Zugelassene Verbindungen Tierart Höchstgehalt mg/kg Alleinfutter Kupfer - acetat, - carbonat, - chlorid, - methionat, - oxid, - sulfat, - aminosäurenchelat Ferkel (bis 12. Woche) Wiederkäuer Sonstige Tierarten 170 15 25 Zink - lactat, - acetat, - carbonat, - chlorid, - oxid, - sulfat, - aminosäurenchelat Kälber (Milchaustauscher) Sonstige Tierarten 200 150 Quelle: 36506 29..29 - LexUriServ.do, (n.d.). http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2003:268:0029:004 3:de:PDF (accessed August 31, 2015) Nach Ausbringung der Wirtschaftsdünger auf landwirtschaftliche Nutzflächen verbleiben Schwermetalle und Arzneimittel in den oberen Bodenhorizonten oder können z.B. bei Regenereignissen unmittelbar in Oberflächengewässer gelangen und nach Versickerung durch die Bodenpassage auch die Grundwasserzone erreichen [33]. Als problematisch für das Grundwasser gelten vor allem Vertreter der Sulfonamide. 301 Emissionsminderung Tabelle 3: Tina K. Wings, Wolfgang Dott Aus dem Poren- oder Sickerwasser ist auch die Verlagerung von Tierarzneimitteln in Pflanzen möglich [33]. Emissionsminderung Ferner stellen anorganische und organische Kupfer- und Zinkverbindungen als Futtermittelzusatzstoffe und Desinfektionsmittel aus mikrobiologischer und ökotoxikologischer Sicht ein Problem dar. Feldstudien haben wiederholt gezeigt, dass über die Ausscheidungen und Restwasserabläufe beträchtliche Wirkstoffmengen (z.B. Sulfonamide und Tetracycline), über die landwirtschaftlichen Nutzungspfade in die Umwelt gelangen können und dort auch persistieren [33]. Mögliche Effekte in Boden- und Wasserkreislauf sind Änderungen der Struktur bzw. der Funktion von Biozönosen durch die ökotoxische und antimikrobielle Wirkung der Substanzen, sowie die Entwicklung und Persistenz von Antibiotika- bzw. Schwermetall-Resistenzen in der bakteriellen Population [27, 17]. 3. Mikrobiologische Charakterisierung landwirtschaftlicher Abwässer: pathogene und resistente Bakterien Der Großteil von weit über 90 Prozent des mikrobiellen Spektrums landwirtschaftlicher Abwässer setzt sich aus nicht kultivierten und bisher nicht beschriebenen Umweltorganismen zusammen, die kein gesundheitliches Risiko für Mensch und Tier darstellen. Wirtschaftsdünger bestehen jedoch aus tierischen Exkrementen (Kot und Urin), Körpersekreten, Einstreu, Futterresten und Wasser und eine Vielzahl an klinisch relevanten Infektionskrankheiten verläuft beim landwirtschaftlichen Nutztier unter Beteiligung des Gastrointestinal- bzw. Urogenital- und Respirationstraktes. Krankheitserreger werden von erkrankten aber auch von gesunden Tieren ausgeschieden und gelangen in Gülle- und Mistreservoirs [15]. Obwohl die Anzahl relevanter Krankheitserreger in Gülle und Mist als gering einzustufen ist können kontaminierte Wirtschaftsdünger einen Eintragspfad für die weiträumige Verschleppung bakterieller Schadstoffe in Umwelt, Nahrungsmittel und Trinkwasser darstellen. Aber nicht nur pathogene sondern vor allem Resistenzen-tragende Bakterien sammeln sich im landwirtschaftlichen Abwasser. Durch den starken Einsatz von Antibiotika und Metallhaltigen Substanzen in der Intensivtierhaltung entwickeln Bakterien Antibiotika- und Schwermetallresistenzen im Gastrointestinaltrakt der Tiere sowie in Gülle, Mist und nachfolgenden Umweltkompartimenten [15]. Obwohl die Humanmedizin versucht ist, eine strikte Grenze zwischen veterinär- und humanmedizinisch genutzten Substanzen zu ziehen, lassen einige mikrobiologische Phänomene, wie die Koselektion unterschiedlicher Resistenzgene aufgrund ihrer genetischen Lokalisierung, oder der Einsatz strukturanaloger Wirkstoffe in Humanmedizin und Tiermedizin, dies nicht zu. Weiterhin stellt ein Großteil der Resistenzen keine metabolischen Kosten für den Mikroorganismus dar und kann in Einzelfällen die Fitnessohne Selektionsdruck (z.B. Abwesenheit von Anitbiotika und Schwermetallen) erhöhen. Da nicht nur pathogene Bakterien, sondern auch kommensale und Umwelt-Mikroorganismen Resistenzen ausbilden und Resistenzgene tragen stellen diese ein Reservoir dar, das langfristig in der Umwelt verbleibt und auf andere Organismen übertragen werden kann [36]. Tatsächlich kann ein deutlicher Anstieg resistenter Bakterien nach Applikation von Gülle im Boden beobachtet werden, wodurch das Risiko einer Rekombination resistenter und pathogener Organismen, sowie die Exposition für Menschen und Tier, erhöht wird [28]. 302 Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung Weitere darmkommensale Organsimen und pathogene Vertreter von Enterococcus spp. können Wund- und Harnwegsinfektionen, Endokarditis und Sepsis beim Menschen hervorrufen und zählen zu den häufigsten nosokomialen Erregern [11]. Die größte klinische Bedeutung haben E. faecalis und E. faecium, da sie über die letzten 20 Jahre sukzessiv Resistenz gegen das wichtige Reserveantibiotikum Vancomycin erworben haben und im Gegensatz zu den intrinsisch resistenten E. gallinarium und E. casseliflavus ihre Resistenz an andere Mikroorganismen weitergeben können [11] (VRE: Vancomycinresistente Enterokokken). Staphylococcus spp. ist ein kommensaler Organismus auf Haut und Schleimhäuten. Pathogene Vertreter wie S. aureus können jedoch Endokarditis, Haut-, Lungenentzündungen und andere Krankheiten beim Menschen sowie Enteritis bei Schweinen, Mastitis bei Rindern und Sepsis bei Geflügel hervorrufen [11]. Besondere klinische Relevanz hat der Methicillinresistente Staphylococcusaureus (MRSA) aufgrund seiner Pathogenität und Unempfindlichkeit gegenüber diversen Anitbiotika [11].Tatsächlich sind Landwirte mit direktem Kontakt zum Viehbestand stärker mit la-MRSA (livestock associated-MRSA) kontaminiert als dazugehörige Familienmitglieder und die restliche Bevölkerung [13]. Obwohl eine Infektion durch direkten Kontakt mit infektiösem Material möglich ist, scheint das größere durch die Landwirtschaft erhobene Risiko für die menschliche Gesundheit in der bis heute kaum erklärten Verbreitung und Übertragung von Resistenzeigenschaften auf Krankheitserreger zu liegen [5]. 4. Antibiotikaresistenzgene, quantifizierbare mikrobiologische Kontaminanten in der landwirtschaftlich geprägten Umwelt Eine Resistenz ist die Eigenschaft von Bakterien, die Wirkung antibiotisch aktiver Substanzen abzuschwächen oder ganz zu unterbinden. Die Resistenz ist eine Funktion, die auf der bakteriellen DNA als Antibiotikaresistenzgen (ARG) festgelegt ist. Man unterscheidet zwischen intrinsischen Resistenzen, die Bakterien unabhängig von einem Antibiotikum tragen und ausbilden und erworbenen Resistenzen die durch zufällige Mutation unter Selektionsdruck entstehen oder über horizontalen Gentransfer von anderen Bakterien übertragen werden. Resistenzgene liegen mehrheitlich auf mobilen 303 Emissionsminderung Einige klinisch hochrelevante Krankheitserreger können, wenn auch mit eingeschränktem Vorkommen aus landwirtschaftlichen Abwässern, isoliert werden. Enterobacteriaceae sind ubiquitär verbreitete Bakterien und kommen als typische Darmbewohner in Mensch und Tier vor. Pathogene Varianten von z.B. Escherichia coli können jedoch Sepsis, Meningitis, Wund- und Harnwegsinfektionen beim Menschen, sowie Mastitis bei Rindern und Enteritis bei Schweinen und Rindern hervorrufen [11]. Problematisch wird die Behandlung dieser Erkrankungen, wenn es sich um ESBL (Extended-Spectrum Beta-lactamase)-bildende E.coli handelt, da diese gegen diverse Antibiotika wie Penicilline, Aztreonam und Cephalosporine, die auch in der Klinik eingesetzt werden, resistent sind. Neben E.coli können auch andere potentiell pathogene und ESBL- produzierende Enterobacteriaceae wie Klebsiella spp., Enterobacter spp., Serratia spp. und Citrobacter spp. aus landwirtschatlichem Abwasser isoliert werden [14]. Tina K. Wings, Wolfgang Dott Emissionsminderung genetischen Elementen, wie Plasmiden, Transposons, konjugativen Transposons und Integrons vor [7, 23], weshalb sie sich gut über horizontalen Gentransfer verbreiten lassen. Eine Bakterienzelle kann also nicht nur durch die Vererbung von einer Mutteran eine Tochterzelle genetisches Material erhalten (Bild 2). Auch über die Aufnahme freier DNA (Transformation), die Transfektion mit Bakteriophagen (Transduktion) und die Konjugation, bei der Plasmide oder mobile Elemente der genomischen DNA über direkten Zellkontakt weitergegeben werden, Resistenzgene erhalten (Bild 2) [3]. Diese Verbreitungsmechanismen führen dazu, dass Resistenzgene nicht nur zwischen verwandten Bakterien sondern auch zwischen entfernt Verwandten sowie Archeaen, Pilzen und Pflanzenzellen weitergegeben werden können [3]. Bild 2: Verbreitung von Resistenzgenen in Bakterien über vertikalen und horizontalen Gentransfer Quelle: Adaptiert nach Brock Biology of Microorganisms (13th Edition): Michael T. Madigan, John M. Martinko, David Stahl, David P. Clark: 9780321649638: Amazon.com: Books, (n.d.). http://www.amazon.com/Brock-Biology-Microorganisms-13th-Edition/ dp/032164963X (accessed September 1, 2015) Oft sind Antibiotikaresistenzgene mit Schwermetallresistenzgenen, anderen ARG oder Pathogenitätsfaktoren auf einer mobilen genetischen Einheit assoziiert [20], so dass bereits ein einzelner Selektionsfaktor wie z.B. die Anwesenheit von Schwermetallen zur Verbreitung diverser Resistenz- und Pahtogenitätsgene führen kann. Diese KreuzSelektion promoviert die Entwicklung multiresistenter Bakterien und lässt ungenutzte Resistenzgene persistieren [18]. Der Nachweis von Resistenzgenen kann unabhängig von der Kultivierung und Isolation von Organismen erfolgen und ermöglicht eine quantitative Aussage zum Status eines Abwassers, die das gesamte Spektrum der Gene einbezieht. Eine rückläufige Zuordnung von Gen und Organismus und folglich die Abschätzung direkter klinischer Relevanz ist auf diese Weise jedoch nicht möglich [19]. 304 Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung Vor allem Sulfonamid- , Tetrazyklin- und Schwermetallresistenzgene treten in landwirtschaftlichen Abwässern, Böden und angrenzenden Wasserkörpern ubiquitär auf und können auch ohne nachweisbaren selektiven Druck monatelang persistieren [2, 19, 27]. 5. Utilisierung einer biotechnologischen Barriere zur Hygienisierung landwirtschaftlicher Abwässer In Deutschland fallen jährlich zwischen 150 und 200 Mio. Tonnen landwirtschaftlicher Abwässer an, die mitsamt ihrer mikrobiologischen und pharmakologischen Schadstoffbelastung auf Agrarland und in die Umwelt entlassen werden [26]. Neben einer Eintragsminderung dieser Schadstoffe durch striktere Verabreichungsgesetze kann eine biotechnologische Aufbereitung einen hygienisierenden Effekt haben. Von besonderem Interesse ist hier der Einsatz von Biogasanlagen zur Reduktion kultivierbarer Bakterien und Pilze (koloniebildende Einheiten), pathogener und resistenter Bakterien von Resistenzgenen sowie zur Eliminierung antibiotischer Substanzen. Seit der Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) im Jahr 2000 spielen erneuerbare Energien eine immer größere Rolle bei der Energieversorgung Deutschlands. Bis zum Jahr 2025 sind 40 bis 45 Prozent des Bruttostromverbrauchs durch erneuerbare Energien abzudecken (vgl. EEG § 1 Absatz 2). Seit der Novellierung des Gesetzes im Jahr 2004 hat sich die Anzahl der Biogasanlagen in Deutschland von 2050 im Jahr 2004 auf 7850 im Jahr 2013 erhöht [10]. In landwirtschaftlich genutzten Anlagen entsteht Biogas als Produkt einer anaeroben Fermentation von organischen Substraten wie Gülle, Festmist und Nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo), die in einem speziellen mikrobiellen Milieu stattfindet [18, 21]. In Deutschland machen Maissilage mit 73 Prozent und Grassilage mit 12 Prozent den größten Teil der eingesetzten NaWaRo aus [10]. Der grundlegende Aufbau einer Biogasanlage beinhaltet immer die gleichen Komponenten. In einem Vorlager werden Gülle und/oder Festmist gelagert. Mit den entsprechenden Kofermentern werden sie kontinuierlich in den Hauptfermenter geleitet (Bild 3). Mit Hilfe eines Rührwerks wird die eingesetzte Masse vermengt. Das Gas steigt im Fermenter nach oben und sammelt sich im Gasspeicher. Von dort wird es abgeleitet, aufgereinigt und meist in einem Blockheizkraftwerk zur Wärme und Stromgewinnung verbrannt [10]. Einige Anlagen verfügen nach dem Hauptgärer nur noch über ein offenes Gärrestlager, so dass eine Ausbringung des Gärrests direkt nach Verlassen des Hauptfermenters möglich ist. Meist findet jedoch eine Nachgärung statt mit einer optionalen Verweilzeit im Endlager bevor es zur Düngung kommt (Bild 3). 305 Emissionsminderung Bei der Unterscheidung landwirtschaftlicher Abwässer aufgrund ihrer Herkunft zeigt sich, dass Mastviehabwässer eine deutlich höhere ARG-Belastung haben als Abwasser aus Legehennen oder Milchviehbetrieben [30]. Dies verdeutlicht eine positive Korrelation von gesteigertem Antibiotikaeinsatz, wie er in der Mastviehhaltung gängig ist, und der Vermehrung von Resistenzgenen [30]. Aber auch Resistenzgene, die eine direkte Verbindung zur Klinik darstellen, und für ESBL, MRSA, VRE kodieren können im landwirtschaftlichen Abwasser nachgewiesen werden [12, 24]. Tina K. Wings, Wolfgang Dott Emissionsminderung Antibiotika Schwermetalle Pathogene Resistente Bakterien Resistenzgene Bild 3: Antibiotika Schwermetalle Pathogene Resistente Bakterien Resistenzgene Reduktion von Schadstoffen durch die biotechnologische Behandlung landwirtschaftlicher Abwässer Der Fermentationsprozess läuft in kontinuierlich betriebenen Biogasanlagen, bei denen eine stetige Substratzufuhr erfolgt, in vier zeitlich parallelen Phasen ab (Bild 3). Zunächst werden langkettige Fett-, Eiweiß- und Kohlenhydratpolymere des Substrats durch Enzyme, wie Cellulasen, Lipasen und Proteasen, in kurzkettige Mono- und Dimere, also in Fettsäuren, Aminosäuren und Zucker hydrolysiert (Hydrolyse oder Versäuerung) [34]. Diese Prozesse sind Teil des natürlichen Stoffwechsels von bestimmten Bakteriengruppen wie anaerob lebenden Bacteroidaceaen, Clostridiaceaen und Bifidobacteriaceaen, sowie von Streptococcaceaen und Enterobacteriacaen [34, 35]. Die entstandenen Mono- und Dimere werden in der zweiten Phase, der Acidogenese (Versäuerung), zu kurzkettigen organischen Säuren und Alkoholen versäuert [25]. In der dritten Phase, der Essigsäurebildung, entstehen daraus durch obligat wasserstoffproduzierende acetogene und homoacetogene Bakterien größtenteils Acetat, Kohlendioxid und Wasserstoff. In der letzten Phase, der Methanogenese, sind zwei Gruppen methanogener Archaea beteiligt. Acetotrophe Archaea, die Acetat verwerten und Methan und Kohlendioxid freisetzen, und methanogene Archaea, die Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan metabolisieren [22, 34, 35]. Archaea sind Mikroorgansimen die nicht den echten Bakterien zugeordnet werden. Sie sind schwer kultivierbare Organsimen, die häufig auf extreme Lebensräume spezialisiert sind. Bisher sind keine Krankheitserreger aus dieser Gruppe bekannt [4]. Neben dem Biogas, das für Wärme- und Stromerzeugung genutzt wird, bleibt ein Gärrest als Produkt der Fermentation übrig. Dieses Substanz weist hohe Mengen leicht pflanzenverfügbaren Stickstoffs und anderer Nähr- und Spurenelemente auf und eignet sich damit als hochwertiger organischer Dünger für die Landwirtschaft [34]. Die Bedingungen der Biogasanlage wirken sich negativ auf die Lebensfähigkeit einer Reihe pathogener Organismen wie Viren, Pilze, Parasiten und vor allem Bakterien aus. Durch die hohen Temperaturen im Fermenter von 40 °C, bei 306 Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung thermophilen Anlagen bis zu 60 °C, dem anaeroben Millieu und pH-Schwankungen sterben bekannte Krankheitserreger ab oder werden von funktional besser angepassten Organsimen verdrängt [15]. Auch Veterinärantibiotika werden in Biogasanlagen reduziert [29]. Dies geschieht über Eliminationsprozesse, zu denen der mikrobielle Abbau aber auch Adsorbtion an Partikeln und der chemische Zerfall der Substanzen gehört [29]. In diesem Zusammenhang sind von den veterinärmedizinisch eingesetzten Antibiotika vor allem Sulfonamide und Tetrazykline von Interesse, da sie in Umweltproben dauerhaft stabil sind. Bisher herrscht Unklarheit über die genauen Faktoren, die zur Eliminierung beitragen, starke Schwankungen der Eliminationsraten dieser Substanzen zwischen 10 und 90 Prozent implizieren jedoch einen stark Matrix abhängigen Prozess [29]. Einzig Schwermetalleinträge bleiben in der Biogasanlage unverändert und sollten über striktere Verabreichungsgesetze im landwirtschaftlichen Sektor langfristig vermindert werden[9]. 6. Literatur [1] 36506 29..29 - LexUriServ.do, (n.d.). http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri= OJ:L:2003:268:0029:0043:de:PDF (accessed August 31, 2015) [2] Aminov, R.I.; Mackie, R.I.: Evolution and ecology of antibiotic resistance genes., FEMS Microbiol. Lett. 271 (2007) 147–61. doi:10.1111/j.1574-6968.2007.00757.x [3] Brock Biology of Microorganisms (13th Edition): Michael T. Madigan, John M. Martinko, David Stahl, David P. Clark: 9780321649638: Amazon.com: Books, (n.d.). http://www.amazon.com/ Brock-Biology-Microorganisms-13th-Edition/dp/032164963X (accessed September 1, 2015) [4] Cavicchioli, R.; Curmi, P.M.G.; Saunders, N.; T. Thomas, Pathogenic archaea: do they exist?, Bioessays. 25 (2003) 1119–28. doi:10.1002/bies.10354 [5] Chang, Q.; Wang, W.; Regev-Yochay, G.; Lipsitch, M.; Hanage, W.P.: Antibiotics in agriculture and the risk to human health: how worried should we be?, Evol. Appl. 8 (2015) 240–7. doi:10.1111/ eva.12185 [6] Chee-Sanford, J.C.; Mackie, R.I.; Koike, S.; Krapac, I.G.; Lin, Y.-F.; Yannarell, A.C. et al.: Fate and transport of antibiotic residues and antibiotic resistance genes following land application of manure waste. J. Environ. 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Prolongierte Verweilzeiten und thermophile Bedingungen führen zu einer effizienten Verminderung ubiquitärer Gene, wie Sulfonamid- und Tetrazyklinresistenzgene, während Gene von besonderem klinischem Interesse (ESBL, MRGN, MRSA, VRE) im Gärrest nicht mehr nachweisbar sind [30]. Tina K. Wings, Wolfgang Dott [10] FNR, Basisdaten Bioenergie Deutschland 2014 [11] germap2012.pdf, (n.d.). http://www.bvl.bund.de/SharedDocs/Downloads/05_Tierarzneimittel/germap2012.pdf?__blob=publicationFile&v=4 (accessed February 10, 2015) [12] Gesundheitsforschung – BMBF, Forschung, Unerwünschtes Souvenir aus dem Tierstall – Antibiotikaresistente Bakterien können von Tieren auf Menschen übertragen werden, (n.d.). http:// www.gesundheitsforschung-bmbf.de/de/5169.php (accessed September 3, 2015) [13] Graveland, H.; Wagenaar, J.A.; Bergs, K.; Heesterbeek, H.; Heederik, D.; Persistence of livestock associated MRSA CC398 in humans is dependent on intensity of animal contact., PLoS One. 6 (2011) e16830. doi:10.1371/journal.pone.0016830 [14] Horton, R.A.; Randall, L.P.; Snary, E.L.; Cockrem, H.; Lotz, S.; Wearing, H.; et al.: Fecal carriage and shedding density of CTX-M extended-spectrum {beta}-lactamase-producing escherichia coli in cattle, chickens, and pigs: implications for environmental contamination and food production., Appl. 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Thomé-Kozmiensky • Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky WIE FINDE ICH DIE FÜR MICH INTERESSANTEN FACHARTIKEL? www. .de Möglichkeit 1: Fachartikel-Suche nach Thema Wenn Sie Artikel zu einem bestimmten Thema suchen, gehen Sie bitte auf „kostenfreie Artikel“ (zufinden im Bereich rechts oben auf unserer Startseite). Auf der linken Seite sind die Oberbegriffe alphabetisch aufgelistet. Teilweise untergliedern Sie sich noch in Unterthemen. Wenn Sie eines dieser Themen anklicken, finden Sie die dazu passenden, bei uns verfügbaren Beiträge mit den zugehörigen bibliographischen Angaben. Um das Dokument zu öffnen und herunterzuladen, klicken Sie bitte auf den entsprechenden Beitragstitel. Möglichkeit 2: Fachartikel-Suche nach Tagung Wenn Sie Artikel zu einer bestimmten Konferenz/aus einem bestimmten Tagungsband suchen, gehen Sie in den Bereich Fachbücher. Dort sind die im TK Verlag erschienen Bücher – thematisch geordnet – zu finden. Haben Sie das gesuchte Buch gefunden, folgen Sie dem Link Inhaltsverzeichnis. Durch klicken auf den Beitragstitel öffnet sich ein Fenster mit dem gesuchten Beitrag im PDF-Format. Dieser kann einfach und schnell heruntergeladen werden. Möglichkeit 3: Fachartikel-Suche nach Autor Wenn Sie Artikel von einem bestimmten Autor suchen, nutzen Sie das Suchfeld rechts oben. Kostenfreie Artikel sind dadurch zu erkennen das links neben dem Ergebnis das Zeichen [PDF] zu finden ist. Zurzeit befindet sich die Seite noch im Aufbau. Sollten Sie Interesse an mehreren Beiträgen aus dem gleichen Buch haben, bietet es sich an dieses direkt bei uns zu bestellen. Bei Fragen wenden Sie sich gern an uns. Dorfstraße 51 D-16816 Nietwerder-Neuruppin Tel. +49.3391-45.45-0 • Fax +49.3391-45.45-10 E-Mail: [email protected] TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky