Band 57:
Ostermann, Anne (2013): Veterinary antibiotics and heavy metals in soils under intensive agricultural usage in peri-urban Beijing, China
Bonner Bodenkundliche Abhandlungen Bd. 57, 129 S. (2013), 15,- €
Kurzfassung Band 57
Ostermann, Anne (2013): Veterinary antibiotics and heavy metals in soils under intensive agricultural usage in peri-urban Beijing, China
Bonner Bodenkundliche Abhandlungen Bd. 57, 129 S. (2013), 15,- €
Kurzfassung:
Großstädte in Schwellenländern sind in ihren peri-urbanen Bereichen häufig von einer intensiven Tierhaltung und dementsprechend hohen Viehdichten gekennzeichnet. Der Einsatz von Antibiotika und Metallen in der Tiermedizin oder als Wachstumsförderer ist verbunden mit deren Eintrag in landwirtschaftliche Flächen; die damit verbundenen Risiken für die Umwelt und die menschliche Gesundheit lassen sich bislang nicht angemessen abschätzen. Die vorliegende Studie befasst sich mit Belastungsintensitäten und der Mobilität dieser Substanzen im Boden. Im Einzelnen wurde i) die Ober- und Unterbodenbelastung verschiedener Flächen in einer Region mit hohen Mistapplikationsraten untersucht, ii) das Ausmaß der Verlagerung von drei Antibiotikaklassen mit unterschiedlichen Sorptionseigenschaften unter erhöhten Ausgangskonzentrationen und Starkregenereignissen ermittelt und iii) die Möglichkeit getestet, durch verringerte Mistgaben die Belastung des Sickerwassers mit Cu zu reduzieren.
In einem ersten Schritt habe ich am Stadtrandgebiet von Peking (China) 24 landwirtschaftliche Flächen und zwei Standorte mit potentiell starker Kontamination (eine Gärrestlagerstätte und ein mit organischen Reststoffen belastetes Flussbett) hinsichtlich ihrer Gehalte an ausgewählten Antibiotika und Metallen untersucht. Auf den leicht kalkhaltigen und überwiegend lehmigen Böden wurden bis in eine Tiefe von 2 m (Äcker) bzw. 4 m (stark belastete Standorte) Bodenproben genommen und auf ihre Gehalte an Sulfonamiden, Tetrazyklinen und Fluoroquinolonen sowie an ausgewählten Metallen (Cu, Zn, Cr, As) untersucht. Im nächsten Schritt wurde dann das Verlagerungsverhalten der am häufigsten vorkommenden Substanzen (Antibiotika aller Substanzklassen, Cu), in einem Lysimeterexperiment vertiefend untersucht. Hierzu wurde über einen Zeitraum von 53 Tagen unter ungestörtem Boden Sickerwasser gesammelt. Um festzustellen, ob unter ungünstigen Umständen auch stark sorbierende Antibiotika verlagert werden können, wurde die übliche Farmpraxis mit einem Szenario erhöhter Antibiotikakonzentrationen kombiniert mit Starkregen verglichen. Die Möglichkeit, die Cu Konzentration im Sickerwasser durch eine verringerte Mistgabe zu reduzieren, wurde durch die Differenzierung von mist- und bodenbürtigem Cu getestet. Hierzu wurde Mist mit dem stabilen 65Cu Isotop markiert und in farmüblichen und reduzierten Gaben im Lysimeterexperiment appliziert.
Die Untersuchung der landwirtschaftlichen Flächen zeigte, dass hohe Mistapplikationen wie vermutet mit erhöhten Antibiotikakonzentrationen im Oberboden einhergehen (110 µg kg-1 Sulfamethazin, 111 µg kg-1 Chlortetrazyklin und 62 µg kg-1 Enrofloxacin). Besonders hervorzuheben sind Sulfamethazinfunde im Unterboden, welche auf sechs der untersuchten landwirtschaftlichen Flächen bis in ≥2 m Tiefe und auf den stark kontaminierten Standorten sogar bis in ≥4 m Tiefe reichten. Im Gegensatz dazu wurde keine vertikale Verlagerung von Tetrazyklinen und Fluoroquinolonen beobachtet. Die Gehalte an Cu, Zn, Cr und As erfüllten zwar chinesische Qualitätsstandards für Flächen landwirtschaftlicher Nutzung; dennoch wurde auf etlichen mistgedüngten Standorten eine Akkumulation von Cu und Zn im Oberboden festgestellt. Dies führte jedoch nicht zu erhöhten Gehalten im Unterboden.
Im Lysimeterexperiment wurde die für Sulfamethazin beobachtete Mobilität durch regelmäßige Funde im Sickerwasser unter farmüblichen Bedingungen bestätigt. Erhöhte Antibiotikagehalte im Mist führten einhergehend mit starker Bewässerung zu einer Belastung aller Sickerwasserproben mit Sulfonamiden und sogar zu einem einmaligen Fund stark sorbierender Tetrazykline im Sickerwasser. Das gleichzeitige Auftreten von Sulfonamiden und dem applizierten konservativen Tracer Bromid deutet darauf hin, dass eine Verlagerung in präferentiellen Fließpfaden stattfand. Fluoroquinolone wurden unter keiner der betrachteten Bedingungen signifikant tiefer als 4 cm verlagert.
Unabhängig von der Düngungsintensität wurde Cu in allen Sickerwasserproben gefunden. Die Konzentrationen überschritten den chinesischen Standard für Grundwasserqualität (50 µg l-1) regelmäßig. Ein großer Teil des frisch applizierten mistbürtigen Cu wurde sehr schnell verlagert und erreichte innerhalb von 8 Tagen eine Tiefe von 40 cm. Verglichen mit der Cu-Gesamtkonzentration war der Anteil an mistbürtigem Cu an der Sickerwasserbelastung mit weniger als 3,6% sehr gering.
Die Studie zeigt, dass überhöhte Mistapplikationen mit hohen Gehalten an Antibiotika und einer Akkumulation von Cu und Zn im Oberboden einhergehen können. Diese Oberbodenbelastungen führten zu einer vertikalen Verlagerung der mobilen Sulfonamide. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass erhöhte Antibiotikagehalte im Mist in Kombination mit Starkregenereignissen das Risiko einer Verlagerung verstärken und sogar zur Sickerwasserkontamination mit stark sorbierenden Tetrazyklinen führen können. Meine Ergebnisse deuten auf Langzeitfolgen einer Cu-Akkumulation im Boden hin: Erstmalig konnte gezeigt werden, dass die Cu-Belastung des Bodensickerwassers hauptsächlich von der Vorbelastung des Bodens beeinflusst wird und durch eine Verringerung der Mistausbringung zumindest kurzfristig nicht vermindert werden kann.
Abstract Band 57
Ostermann, Anne (2013): Veterinary antibiotics and heavy metals in soils under intensive agricultural usage in peri-urban Beijing, China
Bonner Bodenkundliche Abhandlungen Bd. 57, 129 S. (2013), 15,- €
Abstract:
Megacities in emerging nations are often associated with large animal farms and high livestock densities in peri-urban regions. The usage of antibiotics and metals for veterinary purposes or as growth promoters poses threats to the environment and human health when these agents are spread with the manure as fertiliser. My study focused on pollution intensities and the mobility of these substances in soil with the objectives to i) determine top- and subsoil contaminations in a region with high manure application rates, ii) elucidate the degree of leaching of three antibiotic classes with different sorption strengths under elevated contaminations and heavy rainfall, and to iii) assess the suitability of reduced manure application rates for a mitigation of the Cu concentration in soil leachate.
To answer these objectives I first performed a monitoring of the main antibiotics and heavy metals in the peri-urban area of the Beijing Municipality, China. Here, on 24 slightly calcareous agricultural fields under different management systems and two potential hot spots (a storage lagoon for biogas plant effluent, a riverbed contaminated by organic waste disposal) soil samples were taken down to a depth of 2 m and 4 m, respectively. These soil samples were analysed for their content of several sulfonamides, tetracyclines and fluoroquinolones as well as of Cu, Zn, Cr, and As. In a second step, those substances that were most abundant (agents of all antibiotic classes and Cu) were included in a leaching experiment to gain in-depth knowledge on translocation intensities and underlying processes. Therefore, leachate was collected in zero-tension lysimeters under undisturbed soil over a period of 53 days. To elucidate the potential mobility of strong sorbing antibiotics, routine farm practice conditions were compared with a worst-case scenario (elevated antibiotic concentrations in the manure, irrigation imitating heavy rainfall). The feasibility to mitigate the Cu contamination in soil leachate by a reduction of the manure application rate was assessed by tracing the manure-born Cu. Therefore, manure was labelled with the stable 65Cu isotope and applied to the lysimeter plots at routine and reduced rates.
The monitoring showed that antibiotic concentrations found in the arable soils (110 µg kg-1 sulfamethazine, 111 µg kg-1 chlortetracycline, and 62 µg kg-1 enrofloxacin) were in line with the assumed high input rates in this core area of animal production. Intriguingly, sulfamethazine was found down to ≥ 2 m depth on six agricultural sites and even down to ≥ 4 m on the investigated hotspots, whereas no vertical translocation was observed for tetracyclines, fluoroquinolones. Although concentrations of Cu, Zn, Cr, and As were in accordance with Chinese quality standards for agricultural production, several sites that received manure exhibited a distinct accumulation of Cu and Zn in the topsoil, but the subsoil concentrations were not elevated.
The lysimeter experiment confirmed that sulfamethazine was mobile in these slightly calcareous soils, since it was repeatedly detected in the leachate under routine farm practice. Under worst-case conditions, all leachate samples contained sulfonamides, and even strong sorbing tetracyclines were found in the leachate once. The concentrated simultaneous occurrence of sulfonamides with the bromide tracer in leachate samples pointed to preferential flow as underlying transportation process. Yet, and even under worst-case conditions the applied fluoroquinolones were not significantly translocated below 4 cm depth.
Copper was found in all leachate samples irrespective of the fertilisation intensity. The respective concentrations frequently exceeded the Chinese standard for groundwater quality (50 µg l-1). A significant part of the added 65Cu was transported fast and reached 40 cm depth within 8 days after manure application. Compared to the total Cu concentration, the fraction of experimentally added Cu in the leachate, however, was marginal with a percentage of less than 3.6%.
This study has provided evidence that excessive manure application rates led to high topsoil concentrations of antibiotics and an accumulation of Cu and Zn. These topsoil contaminations were accompanied by a distinct vertical translocation of the mobile sulfonamides. Elevated concentrations of antibiotics in manure and heavy rainfall events aggravated the leaching risks and even strong sorbing tetracyclines were translocated. Besides, my results point to long-term consequences of the Cu accumulation: I could quantify for the first time that the Cu contamination in the soil leachate mainly derived from the soil pre-contamination, i.e., it cannot be mitigated by a reduction of the manure application rate in the short term.