Ausbreitung von Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung und deren Minimierung in Biogasanlagen

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Emissionsminderung

Ausbreitung von Antibiotika, Mikroorganismen und Resistenzen aus der Intensiv-Tierhaltung

und deren Minimierung in Biogasanlagen

Tina K. Wings und Wolfgang Dott

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 Bio- gasproduktion 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 bezie- hungsweise Antibiotikaresistenzen tragende Mikroorganismen in die aquatische und terrestrische Umwelt dar (Bild 1).

Antibiotika finden, seit dem EU-weiten Verbot zur prophylaktischen und leistungs- fördernden Anwendung in 2006, kaum weniger Einsatz und die Nutzung Zink- und 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].

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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 Schwerme- talle 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, Agrar- land 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 Wachs- tumsvorteil 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

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Neben gesetzlichen Bestimmungen zum Einsatz von Tierarzneimitteln und Futter- mittelzusätzen, die eine drastische Umstellung von Tierhaltungs- und Management- systemen nach sich ziehen, sind auch technologische Verfahren zur Emissionsminde- rung 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.

2. Einsatz und Verbreitung von Veterinärantibiotika und metallhaltigen Futtermittelzusätzen im landwirtschaftlichen Sektor

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 Abgegebene

Menge 2011 Menge 2012 Differenz t

Tetracycline 564 566 +2

Penicilline 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 Cephalosporine 4. Generation 1,5 1,5 0

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)

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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 mg/PCU

Österreich 53 977 55

Belgien 299 1.695 175

Bulgarien 42 399 104

Zypern 52 127 408

Tschechische Republik 61 732 83

Dänemark 107 2.479 43

Estland 8 114 66

Finnland 14 520 24

Frankreich 913 7.643 117

Deutschland 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 8 182 43

Spanien 1.781 7.135 249

Schweden 13 6.724 14

Vereinigtes Königreich 357 6.724 51

Summe 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 Schweine- gülle 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 Konzentra- tionen liegen, wird nicht resorbiertes Kupfer und Zink ausgeschieden und gelangt so

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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].

Tabelle 3: Einsatz von Kupfer und Zink als Tierarzneimittel

Element Zugelassene Verbindungen Tierart Höchstgehalte µg/kg Kupfer - chlorid, Alle zur Lebensmittel- Keine Rückstands-

- gluconat, erzeugung genutzten höchstmenge(n) - heptonat, Arten erforderlich - methionat,

- oxid, (II)-oxid,

- sulfat

Zink - acetat, Alle zur Lebensmittel- Keine Rückstands- - aspartat, erzeugung genutzten höchstmenge(n) - chlorid, Arten erforderlich - 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: Kupfer und Zink als Futtermittelzusatzstoffe

Element Zugelassene Verbindungen Tierart Höchstgehalt mg/kg Alleinfutter

Kupfer - acetat, Ferkel 170

- carbonat, (bis 12. Woche) 15 - chlorid, Wiederkäuer 25 - methionat, Sonstige Tierarten

- oxid, - sulfat,

- aminosäurenchelat

Zink - lactat, Kälber 200

- acetat, (Milchaustauscher) 150 - carbonat, Sonstige Tierarten

- chlorid, - oxid, - sulfat,

- aminosäurenchelat

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.

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Aus dem Poren- oder Sickerwasser ist auch die Verlagerung von Tierarzneimitteln in Pflanzen möglich [33].

Ferner stellen anorganische und organische Kupfer- und Zinkverbindungen als Futter- mittelzusatzstoffe und Desinfektionsmittel aus mikrobiologischer und ökotoxikologischer Sicht ein Problem dar. Feldstudien haben wiederholt gezeigt, dass über die Ausschei- dungen 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 Umwelt- organismen 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 relevan- ten 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 Hu- manmedizin 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].

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Einige klinisch hochrelevante Krankheitserreger können, wenn auch mit einge- schränktem Vorkommen aus landwirtschaftlichen Abwässern, isoliert werden. Enterobac- teriaceae 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 Penicil- line, 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].

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: Vancomycin- resistente Enterokokken).

Staphylococcus spp. ist ein kommensaler Organismus auf Haut und Schleimhäuten. Patho- gene 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 Resis- tenzeigenschaften 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

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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 Mutter- an 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 Kreuz- Selektion 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].

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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].

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 Korrela- tion 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].

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 Schad- stoffbelastung 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 Resis- tenzgenen 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 Komponen- ten. 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 Haupt- fermenters möglich ist. Meist findet jedoch eine Nachgärung statt mit einer optionalen Verweilzeit im Endlager bevor es zur Düngung kommt (Bild 3).

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Bild 3: 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 En- zyme, 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 Bakteriengrup- pen 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 aceto- gene 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

Antibiotika Schwermetalle Pathogene Resistente Bakterien Resistenzgene

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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].

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].

Auch Veterinärantibiotika werden in Biogasanlagen reduziert [29]. Dies geschieht über Eliminationsprozesse, zu denen der mikrobielle Abbau aber auch Adsorbtion an Parti- keln 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 Schwermetall- einträge bleiben in der Biogasanlage unverändert und sollten über striktere Verabrei- chungsgesetze 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 Micro- biol. Lett. 271 (2007) 147–61. doi:10.1111/j.1574-6968.2007.00757.x

[3] Brock Biology of Microorganisms (13^th 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 alsWachstums- förderer 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)

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[10] FNR, Basisdaten Bioenergie Deutschland 2014

[11] germap2012.pdf, (n.d.). http://www.bvl.bund.de/SharedDocs/Downloads/05_Tierarzneimit- tel/germap2012.pdf?__blob=publicationFile&v=4 (accessed February 10, 2015)

[12] Gesundheitsforschung – BMBF, Forschung, Unerwünschtes Souvenir aus dem Tierstall – Anti- biotikaresistente 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

[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.soil- bio.2014.11.018

[20] Levy, S.B.; McMurry, L.M.; Barbosa, T.M.; Burdett, V.; Courvalin, P.; Hillen, W.; et al.: Nomen- clature 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.: Po- lyphasic 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 Eli- mination?, 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 An- fallmengen 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)

(13)

Emissionsminderung [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 Sep- tember 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)

[31] Umweltbelastungen der Landwirtschaft, Umweltbundesamt, (n.d.). http://www.umweltbundesamt.de/themen/boden-landwirtschaft/umweltbelastungen-der-landwirtschaft (accessed August 25, 2015)

[32] Verordnung (EU) Nr. 37/2010 der Kommission vom 22. Dezember 2009 über pharmakologisch wirksame Stoffe und ihre Einstufung hinsichtlich der Rückstandshöchstmengen in Lebensmit- teln tierischen Ursprungs - LexUriServ.do, (n.d.). http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUri- Serv.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 biogas- producing 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

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Spanien Groß- britannien Deutschland

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Sperrmüll 6,4 % Hausmüll, hausmüll- ähnliche Gewerbeabfälle gemeinsam über die öffentliche Müllabfuhr eingesammelt 37,2 % Abfälle aus der Biotonne 11,6 % Garten- und Parkabfälle biologisch abbaubar

12,8 % Gemischte

Verpackungen/

Kunststoffe 6,8 %

Papier, Pappe Kartonagen 15,8 % Insgesamt 37,22 Millionen Tonnen

sonstige Abfälle 0,5 %

Glas 5,1 % Metalle, Holz Textilien 3,7 % andere

getrennt eingesammelte

Abfälle 31,4 %

85 75 65 105

90 95 100

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Leichtverpackungs-Sammelware Grobzerkleinerung Konditionierung

> 220 mm < 20 mm

Leichtgut (MKS) Siebklassierung Windsichtung

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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Karl J. Thomé-Kozmiensky, Margit Löschau (Hrsg.):

Immissionsschutz, Band 5

– Recht – Umsetzung – Messung – Emissionsminderung – ISBN 978-3-944310-23-7 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2015

Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky

Erfassung und Layout: Sandra Peters, Ginette Teske, Anne Kuhlo Druck: Beltz Bad Langensalza GmbH

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