In diesem Projekt wird die anaerobe Fermentation von Gülle hinsichtlich ihres Potentials der Antibiotika-Eliminierung am Beispiel der Sulfonamide und Tetracycline untersucht. Im Jahr 2015 betrug die Abgabemenge von Veterinärantibiotika in Deutschland 805 Tonnen (t). Nach Verabreichung über Futter oder Trinkwasser wird ein Großteil der Verbindungen unverändert ausgeschieden. Durch die Verwendung von Gülle und Festmist als Wirtschaftsdünger gelangen Antibiotika in die Umwelt. Bislang liegen nur unzureichende Erkenntnisse darüber vor, wie sich diese Substanzen dort verhalten (Sorption im Boden, Auswaschung ins Grundwasser u.a.) oder ob die Bildung von Resistenzen durch die Wirkstoffe gefördert wird. In Deutschland werden pro Jahr rund 200 Mio. t Gülle ausgebracht. Selbst bei einem Antibiotika-Gehalt von nur 1 mg pro kg Gülle bedeutet dies die Verbreitung von 200 t Antibiotika in der Umwelt. Bislang gibt es keine Grenzwerte für Antibiotika in Gülle oder Gärresten.
Die Studien in diesem Projekt werden in semi-kontinuierlichen Fermentern mit täglichem Substratzusatz (Maissilage und mit Antibiotika dotierte Gülle) durchgeführt. Dies ermöglicht eine realitätsnahe Simulation von Biogasanlagen im Labormaßstab. Im Rahmen der Studien wird der Fermentationsprozess variiert. Faktoren sind dabei die Betriebstemperatur, die Vorbehandlung des Eingangssubstrats („saure Hydrolyse") und der Zusatz von Enzymen. Dabei wird nicht nur die Eliminierung der zugesetzten Antibiotika analysiert, sondern u. a. auch der Methanertrag ermittelt. Letzteres dient als Grundlage für eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des jeweiligen Prozesses.
Darüber hinaus wird in in vitro Studien der Einfluss von Temperatur, pH-Wert und Enzymen auf die Stabilität von Antibiotika untersucht. Damit verbunden soll eine Strukturaufklärung möglicher Transformationsprodukte durchgeführt werden. Des Weiteren werden Sorptionstests mit Fermenterproben vorgenommen. Die Ergebnisse dieser Versuche bilden die Grundlage für die Interpretation der Eliminierungsprozesse in den semi-kontinuierlichen Fermentern.
Das Projekt soll eine umfassende Untersuchung über das Verhalten von Antibiotika im Fermentationsprozess liefern. Durch die begleitenden Studien können Aussagen darüber getroffen werden, welche Prozesse an einer Eliminierung der Verbindungen beteiligt sind und welche Produkte dabei gegebenenfalls entstehen. Das Projektziel sind Handlungsempfehlungen für den Betrieb von Biogasanlagen, die sowohl den Aspekt der Wirtschaftlichkeit als auch die Reduzierung des Antibiotika-Eintrags in die Umwelt berücksichtigen.
Anaerobic fermentation of liquid manure is investigated regarding a potential elimination of antibiotics. In Germany, 805 tons (t) veterinary antibiotics were distributed in 2015. After application, the compounds are partly excreted unchanged. By using (liquid) manure as soil fertilizer, antibiotics enter the environment. Approx. 200 mio. t of liquid manure are applied in Germany per year. Thus, a mean antibiotic content of 1 mg per kg manure would correspond to 200 t antibiotics spread in the environment.
The experiments are conducted in semi-continuous fermenters with daily substrate addition (maize silage, liquid manure fortified with sulfonamides and tetracyclines) to simulate biogas plants in laboratory scale. Factors such as temperature, substrate pretreatment (acidic hydrolysis) and addition of enzymes are varied. The elimination pattern of the antibiotics and parameters like methane yield are analyzed. Latter one is used for an economic process assessment.
By in vitro studies, the influence of temperature, pH value and enzymes on the stability of antibiotics is investigated. Combined with sorption studies in fermenter matrix, these experiments will be the basis for possible mechanisms of the observed elimination.
The project delivers a comprehensive investigation of the fate of antibiotics during anaerobic fermentation. This will finally lead to recommendations for biogas plant processes based on both economic aspects and the reduction of antibiotics in the environment.
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