Ausbreitung von Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus

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
564566 +2
527,5498 -29,5
Sulfonamide
185162 -23
Makrolide
173145 -28
Polypeptid-Antibiotika 127124 -3
Aminoglycoside
4740 -7
Trimethoprim
3026 -4
Lincosamide
1715 -2
Pleuromutiline
1418 +4
Fluorchinolone
810+2
Fenicole
66 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
1.7061.619 -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 97755
Belgien
299 1.695175
Bulgarien
42 399104
Zypern
52 127408
Tschechische Republik
61
Dänemark
107 2.47943
732
83
Estland
8 11466
Finnland
14 52024
Frankreich
Emissionsminderung
mg/PCU
Österreich
Deutschland
913 7.643117
1.826 8.600212
Ungarn
148 767192
Island
0,7 1146
Irland
89 1.77049
Italien
1.672 4.497370
Lettland
6 17135
Litauen
14 33742
Niederlande
364 3.186114
Norwegen
7 1.0164
Polen
473 3.929120
Portugal
164 1.016161
Slowakei
11 24744
Slowenien
Spanien
8 18243
1.781 7.135249
Schweden
13 6.72414
Vereinigtes Königreich
357
Summe
6.724
51
8.48155.872
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. Qual. 38 (2009) 1086–1108. doi:10.2134/jeq2008.0128
[7] Chopra, I.; Roberts, M.: Tetracycline Antibiotics: Mode of Action , Applications , Molecular
Biology , and Epidemiology of Bacterial Resistance, Microbiol. Mol. Biol. Rev. 65 (2001) 232–260.
doi:10.1128/MMBR.65.2.232
[8] Commission Européenne – Communiqué de presse – Verbot von Antibiotika alsWachstumsförderer in Futtermitteln tritt in Kraft, (n.d.). http://europa.eu/rapid/press-release_IP-05-1687_
de.htm?locale=fr (accessed August 31, 2015)
[9] Einträge von Kupfer, Zink und Blei in Gewässer und Böden – Analyse der Emissionspfade und
möglicher Emissionsminderungsmaßnahmen, Umweltbundesamt, (n.d.). https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/eintraege-von-kupfer-zink-blei-in-gewaesser-boeden (accessed
August 31, 2015)
307
Emissionsminderung
Antibiotikaresistenzgene werden ebenfalls in Biogasanlagen reduziert. 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. Environ. Microbiol. 77 (2011) 3715–9. doi:10.1128/AEM.02831-10
Emissionsminderung
[15]Hygieneaspekte organischer Düngemittel und ihre Anwendung – 11HS016.pdf, (n.d.). http://
download.ble.de/11HS016/11HS016.pdf (accessed August 31, 2015)
[16]Keen, P.L.; Montforts, M.H.M.M.: Antimicrobial Resistance in the Environment, John Wiley &
Sons, 2012. https://books.google.com/books?id=wD39Dwt1yycC&pgis=1 (accessed August 31,
2015)
[17]Kemper, N.: Veterinary antibiotics in the aquatic and terrestrial environment, Ecol. Indic. 8
(2008) 1–13. doi:10.1016/j.ecolind.2007.06.002
[18]Kröber, M.; Bekel, T.; Diaz, N.N.; Goesmann, A.; Jaenicke, S.; Krause, L. et al.: Phylogenetic
characterization of a biogas plant microbial community integrating clone library 16S-rDNA
sequences and metagenome sequence data obtained by 454-pyrosequencing., J. Biotechnol. 142
(2009) 38–49. doi:10.1016/j.jbiotec.2009.02.010
[19]Kyselková, M.; Kotrbová, L.; Bhumibhamon, G.; Chroňáková, A.; Jirout, J.; Vrchotová, N.; et
al.: Tetracycline resistance genes persist in soil amended with cattle feces independently from
chlortetracycline selection pressure, Soil Biol. Biochem. 81 (2015) 259–265. doi:10.1016/j.soilbio.2014.11.018
[20]Levy, S.B.; McMurry, L.M.; Barbosa, T.M.; Burdett, V.; Courvalin, P.; Hillen, W.; et al.: Nomenclature for new tetracycline resistance determinants., Antimicrob. Agents Chemother. 43 (1999)
1523–4
[21]Liu, F.H.; Wang, S.B.; Zhang, J.S.; Zhang, J.; Yan, X.; Zhou, H.K.; et al., The structure of the
bacterial and archaeal community in a biogas digester as revealed by denaturing gradient gel
electrophoresis and 16S rDNA sequencing analysis., J. Appl. Microbiol. 106 (2009) 952–66.
doi:10.1111/j.1365-2672.2008.04064.x
[22]Nettmann, E.; Bergmann, I.; Pramschüfer, S.; Mundt, K.; Plogsties, V.; Herrmann, C. et al.: Polyphasic analyses of methanogenic archaeal communities in agricultural biogas plants., Appl.
Environ. Microbiol. 76 (2010) 2540–8. doi:10.1128/AEM.01423-09
[23]Salyers, A.A.; Amábile-Cuevas, C.F.: Why Are Antibiotic Resistance Genes So Resistant to Elimination?, Antimicrob. Agents Chemother. 41 (1997) 2321–2325
[24]Schauss, T.; Glaeser, S.P.; Gütschow, A.; Dott, W.; Kämpfer, P.: Improved detection of extended
spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli in input and output samples of
German biogas plants by a selective pre-enrichment procedure., PLoS One. 10 (2015) e0119791.
doi:10.1371/journal.pone.0119791
[25]Schink, B.: Energetics of syntrophic cooperation in methanogenic degradation., Microbiol. Mol.
Biol. Rev. 61 (1997) 262–280
[26]Schultheiß, U.; Döhler, H.; Schwab, M.: Wirtschaftsdünger tierischer Herkunft – jährliche Anfallmengen in der Bundesrepublik Deutschland, Landtechnik. 65 (2010) 354–356. http://www.
landtechnik-online.eu/ojs-2.4.5/index.php/landtechnik/article/view/2010-5-354-356 (accessed
August 31, 2015)
308
Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung
[27]Seiler, C.; Berendonk, T.U.: Heavy metal driven co-selection of antibiotic resistance in soil
and water bodies impacted by agriculture and aquaculture. Front. Microbiol. 3 (2012) 399.
doi:10.3389/fmicb.2012.00399
[28]Sengeløv, G.; Agersø, Y.; Halling-Sørensen, B.; Baloda, S.B.; Andersen, J.S.; Jensen, L.B.; Bacterial
antibiotic resistance levels in Danish farmland as a result of treatment with pig manure slurry.,
Environ. Int. 28 (2003) 587–95. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12504155 (accessed September 1, 2015)
[29]Spielmeyer, A.; Breier, B.; Groißmeier, K.; Hamscher, G.; Elimination patterns of worldwide used
sulfonamides and tetracyclines during anaerobic fermentation., Bioresour. Technol. 193 (2015)
307–314. doi:10.1016/j.biortech.2015.06.081
[30]Storteboom, H.; Kim, S.: Response of antibiotics and resistance genes to high-intensity and
low-intensity manure management, J. …. (2007). https://dl.sciencesocieties.org/publications/
jeq/abstracts/36/6/1695 (accessed February 10, 2015)
[32]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)
[33]Veterinary Medicines in the Environment, CRC Press, 2008. https://books.google.com/
books?id=zX1gAl1256YC&pgis=1 (accessed August 31, 2015)
[34]Weiland, P.: Biogas production: current state and perspectives., Appl. Microbiol. Biotechnol. 85
(2010) 849–60. doi:10.1007/s00253-009-2246-7
[35]Wirth, R.; Kovács, E.; Maróti, G.; Bagi, Z.; Rákhely, G.; Kovács, K.L.: Characterization of a biogasproducing microbial community by short-read next generation DNA sequencing., Biotechnol.
Biofuels. 5 (2012) 41. doi:10.1186/1754-6834-5-41
[36]Witte, W.: Selective pressure by antibiotic use in livestock., Int. J. Antimicrob. Agents. 16 Suppl
1 (2000) S19–24. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11137404 (accessed September 1, 2015)
[37]Xiong, W.; Zeng, Z.; Zhang, Y.; Ding, X.; Sun, Y.: Fate of metal resistance genes in arable soil
after manure application in a microcosm study., Ecotoxicol. Environ. Saf. 113 (2015) 59–63.
doi:10.1016/j.ecoenv.2014.11.026
309
Emissionsminderung
[31]Umweltbelastungen der Landwirtschaft, Umweltbundesamt, (n.d.). http://www.umweltbundesamt.de/themen/boden-landwirtschaft/umweltbelastungen-der-landwirtschaft
(accessed
August 25, 2015)
Kostenfreie Artikel
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Insgesamt 37,22 Millionen Tonnen
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Garten- und Parkabfälle
biologisch abbaubar
Abfälle
aus der Biotonne
Kompostierung
Verbrennung
6,8 %
11,6 %
sonstige Abfälle
Metalle, Holz
Textilien
andere
getrennt
eingesammelte
Abfälle
31,4 %
0,5 %
Sperrmüll
6,4 %
3,7 %
Glas
5,1 %
Hausmüll, hausmüllähnliche Gewerbeabfälle
gemeinsam über die
öffentliche Müllabfuhr
eingesammelt
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Recycling
Gemischte
Verpackungen/
Kunststoffe
12,8 %
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Grobzerkleinerung
Großbritannien
Dänemark
Konditionierung
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Flüssigkeitskartons Alu
PE
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PS
Rumänien
Bulgarien
Schweiz
sensorgestützte automatische und ggf. manuelle Produktkontrolle
Weißblech
Tschechien
Slowakei
Österreich Ungarn
Slowenien
Italien
Niederlande
sensorgestützte automatische Klaubung und
Wirbelstromscheidung
Folien
KunststoffHohlkörper
Schweiz
Leichtgut (MKS)
Magnetscheidung
Schwergut
> 220 mm
Luxemburg
< 20 mm
Siebklassierung
Windsichtung
Polen
Deutschland
Frankreich
> 220 mm
Litauen
Niederlande
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Portugal
Griechenland
Deponierung
bereits erfüllt
noch nicht erfüllt
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