Entwicklung, Optimierung und Validierung von Analysenmethoden zur Bestimmung von Antibiotikarückständen in wässrigen und pflanzlichen Matrices mittels UHPLC-MS/MS
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Gesamtkreislauf der über Gülledüngung in landwirtschaftliche Nutzflächen eingetragenen Veterinärantibiotika betrachtet. Das Verhalten der Wirkstoffe während praxisnaher Güllevorbehandlungen, deren Persistenz und Verlagerungsverhalten in landwirtschaftlichen Nutzböden, deren Aufnahme aus dem Boden in Nutz- und Gemüsepflanzen (Deutsches Weidelgras, Möhren), sowie deren Infiltrationsverhalten mit dem Bodensickerwasser in Richtung Grundwasser wurden ausführlich untersucht. Hierzu wurden Aufwuchs- und Lysimeterstudien durchgeführt, sowie hessische Grundwässer im Rahmen eines Routinemessprogramms auf ihren Antibiotikagehalt analysiert. Für die Studien wurde sich auf so genannte Altwirkstoffe fokussiert, die im Zuge ihres Zulassungsverfahrens keiner ökotoxikologischen Bewertung unterzogen wurden.Eine Multimethode zum simultanen Nachweis ausgewählter Antibiotika aus der Wirkstoffgruppe der Tetracycline (Chlortetracyclin, Doxycyclin) und Sulfonamide (Sulfamethazin, Sulfamethoxazol) mittels Ultra-High-Performance-Liquid-Chlomatography-Tandem-Massenspektrometrie (UHPLC/MS-MS) wurde für die Matrices Gülle, Weidelgras, Möhren und Wasser entwickelt, optimiert und validiert. Die Methode wurde zusätzlich um die Hauptmetabolite(N-Acetyl-Sulfamethazin, N-Acetyl-Sulfamethoxazol) und ein Transformationsprodukt (iso-Chlortetracyclin) erweitert. Die Richtigkeit der angewandten kombinierten Mess- und Aufarbeitungsmethode wurde durch die Teilnahme an Laborvergleichsuntersuchungen durch ein erfolgreiches Abschneiden (|z-Scores| <
2) bestätigt.Um erstmals die Belastung hessischer Grundwasserproben in Bezug auf die ausgewählten Antibiotika abschätzen zu können, wurden routinemäßig Grundwässer (~500 pro Jahr) im Auftrag des Hessischen Landesamtes für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) analysiert.Hierbei zeigte sich, dass ca. 4% der untersuchten Proben einen Antibiotikagehalt oberhalb der Bestimmungsgrenze von 50 ng L-1 enthielten, die maximale Konzentration betrug 1.703 ng L-1. Der Wirkstoff Sulfamethoxazol wurde am häufigsten gefunden.Über Lysimeterstudien wurde die Verlagerung der Wirkstoffe mit dem Bodensickerwasser untersucht, nachdem antibiotikahaltige, fermentierte Rindergülle einmalig unter praxisüblichen Mengen oberflächlich als Düngemittel auf den Boden aufgebracht wurde. Für die Studie wurden zwei typische Böden Nordhessens gewählt (Baunataler Löß, Volkmarser Sand). Die Bewässerung erfolgte an fünf Tagen pro Woche mit deionisiertem Wasser. In den wöchentlich aufgefangenen Bodeneluaten wurde als einziger Wirkstoff Sulfamethazin nachgewiesen. Die Verlagerungsfrachten über den zweijährigen Untersuchungszeitraum betrugen deutlich weniger als 1 % der aufgegebenen Wirkstoffmenge. Der Sandboden zeigte eine höhere Durchlässigkeit als der Lößboden. Um eine Aussage über den Verbleib der Antibiotika im Boden treffen zu können, wurde die Probenaufarbeitungsmethode für die Matrix Boden erweitert. Die Lysimeterböden wurden schichtweise in Abständen von 5 cm untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass die Tetracycline im Oberboden (0 5 cm) zurückgehalten werden.Die Durchführung der Carry-over-Studien erfolgte in Mitscherlichgefäßen fruchtangepasster Größe. Im ersten Aufwuchsjahr wurde Weidelgras auf den beiden Böden Baunataler Löß und Volkmarser Sand kultiviert. Die Antibiotikazufuhr erfolgte vor der Aussaat der Pflanzen über fermentierte Rindergülle in drei verschiedenen Konzentrationen. Als einziger Wirkstoff konnte Sulfamethazin in den oberirdisch geernteten Halmen des Weidelgrases nachgewiesen werden.Die Konzentrationen in der Pflanze stiegen mit der zur Verfügung stehenden Wirkstoffmenge im Gülle-Boden-Gemisch an. Pflanzen, die auf Sandboden kultiviert wurden, wiesen deutlich höhere Rückstandskonzentrationen an Sulfamethazin auf (bis 218 mikro g kgTM-1 im 100 mg kg-1-Ansatz) als vergleichbare Ansätze mit Lößboden (bis 48 mikro g kgTM-1 im 100 mg kg-1-Ansatz).Um das Aufnahme- und Verteilungsverhalten in Gemüsepflanzen zu untersuchen, wurden im zweiten Aufwuchsjahr Möhren als Saatpflanze ausgewählt. Als Versuchsboden wurde Volkmarser Sandboden verwendet. Der Antibiotikaeintrag erfolgte ebenfalls über dotierte Rindergülle. Diese wurde auf zwei verschiedene Arten vorbehandelt (8-tägige aerobe Lagerung, 40-tägige anaerobe Fermentation). Die Pflanzenkompartimente wurden einzeln untersucht. Tetracycline konnten lediglich in den Wurzeln und der Schale nachgewiesen werden, während Sulfonamide bis in die oberirdischen Pflanzenteile verlagert wurden. Die Verteilung der Wirkstoffkonzentrationen innerhalb der Pflanze ergab sich wie folgt: Wurzeln >
Schale >
Blätter >
Rübe.Die Düngung mit fermentierter Gülle führte zu tendenziell höheren Wirkstoffrückständen in den Aufwuchspflanzen. Das Eliminierungsverhalten der Antibiotika im Zuge der Güllevorbehandlungen wurde ebenfalls untersucht. Hierzu wurden über den gesamten Lagerungs- und Fermentationszeitraum Gülleproben entnommen und analysiert. Hierbei zeigte sich eine Abnahme der Wirkstoffkonzentrationen in Abhängigkeit der Dauer, der Temperatur und des Sauerstoffgehaltes.Im Falle des (Epi)-Chlortetracyclins konnte die Bildung des (Epi)-iso-Chlortetracyclin beobachtet werden. Sulfamethoxazol zeigte die höchsten Eliminierungsraten. Die Substanz war nach der 40-tägigen Fermentation nicht mehr quantifizierbar.Zusammenfassend ist festzuhalten, dass ein komplexes Zusammenspiel aus Wirkstoffeigenschaften, Umwelteinflüssen, Bodenbeschaffenheit, Güllevorbehandlungsart, Pflanzenart und Pflanzenmorphologie das Verteilungs-, Aufnahme- und Akkumulationsverhalten ausgewählter Veterinärantibiotika in verschiedenen Umweltmedien bestimmen.
Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
