Förster, Markus (2011): Sequestration of sulfadiazine in soil.

Bonner Bodenkundl. Abh. 50, 109 S., 11 Abb.,  13 Tab.; 12,- €

Kurzfassung Band 50

Markus Förster (2011): Sequestration of sulfadiazine in soil.
Bonner Bodenkundl. Abh. 50, 109 S., 11 Abb.,  13 Tab.

Kurzfassung

Einer der wichtigsten Prozesse in Hinblick auf das Umweltverhalten von Xenobiotika in Böden ist die Sequestration. Im Gegensatz zu hydrophoben Verbindungen, für welche das Ausmaß der Sequestration gut erforscht ist, ist dieses Phänomen für polare Stoffe wie beispielsweise Sulfonamide noch weitgehend unbeschrieben. Um die Datengrundlage für Sulfonamide zu verbessern wählte ich als Vetreter das Antibiotikum Sulfadiazin aus und untersuchte die Sequestration dieser Verbindung in An- und Abwesenheit der Hauptmetaboliten und Gülle in Böden und Bodenfraktionen.

Zuerst wurden verschiedene Extraktionstests mit unterschiedlichen Lösungsmittelgemischen (Zwei- bis Vierkomponentengemische mit Wasser, Methanol, Acetonitril, Aceton und/oder Ethylacetat), pH-Werten (natürlicher pH-Wert, pH 4 und pH 9) und Extraktionstemperaturen (bis 200°C) durchgeführt um gealterte Sulfadiazinrückstände aus Böden zu extrahieren. Dafür wurde die Gülle von Schweinen, welchen 14C/12C-Sulfadiazin verabreicht wurde, mit den Böden gemischt und vor den Extraktionstests bei 10°C im Labor inkubiert. Die Bodenextrakte wurden mittels Flüssigszintillation und Hochdruckflüssigkeitschromatographie in Kombination mit Tandem-Massenspektrometrie gemessen. Auf einen Aufreinigungsschritt mittels Festphasenextraktion wurde in der Analytik verzichtet um eine einfache und schnelle Probenaufarbeitung und -messung zu gewährleisten. Unter Berücksichtigung der Sulfadiazinausbeuten, der Stabilität der Bodenextrakte und der Masse der mitextrahierten Matrix ist eine Mikrowellenextraktion des Bodens (15 Minuten, 150°C) unter Verwendung von Acetonitril/Wasser 1:4 (v/v) die Methode der Wahl um gealterte Sulfadiazinrückstände in Böden erschöpfend zu extrahieren.

Im Folgenden wurde Schweinen in einem Fütterungsversuch 14C/12C-Sulfadiazin appliziert, um die Sequestration von Sulfadiazinrückständen zu untersuchen. Die Gülle wurde anschließend sowohl in frischer als auch in gealterter Form mit den Böden gemischt. Anschließend wurden die Proben bei 10°C in Dunkelheit unter Laborbedingungen für bis zu 218 Tage gealtert. Durch die Integration der neu entwickelten Extraktionsmethode in eine sequentielle Extraktion konnte eine Bestimmung von unterschiedlich (bio)verfügbaren Fraktionen mit 0,01 M CaCl2 (CaCl2-Fraktion), Methanol (MeOH-Fraktion) und Acetonitril/Wasser (residuale Fraktion; Mikrowellenextraktion bei 150°C) erreicht werden. In jeder Fraktion wurden sowohl die gesamte Radioaktivität als auch Sulfadiazin und dessen Hauptmetaboliten (4-Hydroxysulfadiazin, N-Acetylsulfadiazin) quantifiziert. Die Resultate zeigen, dass sich Sulfadiazin und in einem geringeren Ausmaß 4-Hydroxysulfadiazin sehr schnell aus N-Acetylsulfadiazin innerhalb der ersten zwei bis vier Wochen nach der Applikation der frischen Gülle (zurück)bilden. Die Sequestration des N-Acetyl-Metaboliten in Böden ist somit unbedeutend. Auch für wasser- und methanolextrahierbares Sulfadiazin und 4-Hydroxysulfadiazin zeigt sich eine schnelle Dissipation (DT50=6.0-32 Tage) in den Ansätzen mit frischer Gülle, wobei die Raten für beide Böden ähnlich sind. Im Gegensatz dazu war in der residualen Fraktion ein Konzentrationsanstieg der beiden Stoffe mit der Zeit zu beobachten was durch eine starke Sequestration dieser chemischen Verbindungen im Boden in Anwesenheit von Gülle zu erklären ist. Folglich enthält die residuale Fraktion tatsächlich den sequestrierten Anteil von Sulfadiazin und dessen hydroxylierten Metaboliten.

Da die Wechselwirkungen von Antibiotika mit Böden von den physikochemischen Eigenschaften der Substanz, der Zusammensetzung des Bodens und unter Umständen von der Anwesenheit von Gülle beeinflusst werden, wurde ein abschließendes Experiment durchgeführt um die zeitabhängige Extrahierbarkeit von Sulfadiazin in Böden und Bodenfraktionen zu bestimmen. Dafür wurde Sulfadiazin auf Böden und Bodenfraktionen in An- und Abwesenheit von güllebürtiger, gelöster organischer Substanz appliziert. Die Proben wurden bei 4°C in Dunkelheit für bis zu 72 Tage inkubiert und anschließend sequentiell extrahiert um unterschiedlich (bio)verfügbare Sulfadiazinfraktionen zu quantifizieren. Ergänzend wurden Sorptionskinetiken und -isothermen für frisch applizierte Substanzen in Böden und teilweise auch in Bodenfraktionen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sorption von Sulfadiazin an Böden am besten mit der Freundlich-Gleichung beschrieben werden kann. Für die Böden wurde eine starke Sorptionshysterese beobachtet, was als Indiz für eine beginnende Alterung von Sulfadiazin innerhalb des experimentellen Zeitrahmens gewertet werden kann. Im Gegensatz dazu war die Affinität von Sulfadiazin für die mineralischen Bodenfraktionen gering und die Sorption daran linear. Somit ist die organische Substanz der Bodenbestandteil, welcher die Sequestration von Sulfadiazin am stärksten beeinflusst. Im geringeren Ausmaß gilt das auch für die Eisenoxide, welche ebenfalls für Sorptionsreaktionen mit Sulfadiazin eine Rolle spielen. Zusätzlich beeinflusst das Vorhandensein von güllebürtiger gelöster organischer Substanz die Sequestration von Sulfadiazin in Böden, vor allem in Bereichen, in welchen Bodenminerale nicht von organischer Substanz bedeckt sind. Zusammfassend kann festgestellt werden, dass sowohl Sulfadiazin als auch 4-Hydroxysulfadiazin schnell und zu einem großen Teil im Boden sequestrieren. Aus diesem Grund sind zukünftig Studien nötig, die das Verhalten dieser Stoffe über lange Zeiträume im Boden aufklären.

Abstract Band 50

Markus Förster (2011): Sequestration of sulfadiazine in soil.
Bonner Bodenkundl. Abh. 50, 109 S., 11 Abb.,  13 Tab.

Abstract

Sequestration is a key process influencing the environmental fate of xenobiotics in soil. In contrast to hydrophobic compounds, for which the extent of sequestration in soils is well studied, important information is missing for polar compounds like the sulfonamides. In order to increase the knowledge about the environmental fate of this class of substances, which is widely used in veterinary medicine, I studied the sequestration of sulfadiazine, partly in the presence of its main metabolites and manure, in soils and soil fractions.

At first, various tests with different solvent mixtures (two- to four-component mixtures with water, methanol, acetonitrile, acetone, and/or ethyl acetate), pH values (natural pH, pH 4 and 9), and extraction temperatures (up to 200°C) were conducted to extract aged sulfadiazine residues in soils. For this purpose the soils were blended with manure derived from 14C/12C-sulfadiazine-treated pigs and incubated at 10°C in the laboratory before the extraction tests. The soil extracts were measured by liquid scintillation counting and high-performance liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry. A cleanup via solid phase extraction was avoided to keep the method rapid and simple. With respect to sulfadiazine yields, stability of soil extracts, and the amount of coextracted matrix, a microwave extraction of soil (15 minutes, 150°C) using acetonitrile/water 1:4 (v/v) is the method of choice for the exhaustive extraction of aged sulfadiazine residues from soils.

To study the sequestration of sulfadiazine residues, contaminated manure (fresh and aged) of fattening pigs medicated with 14C/12C-sulfadiazine was applied to the soils. Afterwards the samples were incubated up to 218 d at 10°C in darkness during a laboratory experiment. The developed extraction method was then used as final step in a sequential extraction method that enabled me to approach sulfadiazine residues of different (bio)accessibility with 0.01 M CaCl2 (CaCl2 fraction), methanol (MeOH fraction), and finally acetonitrile/water (residual fraction, microwave extraction at 150°C). In each fraction, total radioactivity, sulfadiazine, and its major metabolites (4-hydroxysulfadiazine, N-acetylsulfadiazine) were quantified. The results showed that both sulfadiazine and, to a lesser extent, 4-hydroxysulfadiazine were rapidly (re)formed from N-acetylsulfadiazine during the first 2 to 4 weeks after application of fresh manure, i.e. the N-acetylated metabolite does not sequester in soil to a significant extent. Yet, the water- and methanol-extractable sulfadiazine and 4-hydroxysulfadiazine also dissipated rapidly (DT50=6.0-32 d) for the fresh manure treatment with similar rate constants for both soil types. In the residual fractions, however, the concentrations of both compounds increased with time indicating a strong sequestration of these compounds in soil in the presence of manure. Consequently, it can be concluded that the residual fraction comprises the sequestered pool of sulfadiazine and its hydroxylated metabolite.

As antibiotic-soil interactions are influenced by the physicochemical properties of the substance, the composition of the soil and, possibly, the presence of manure, a final experiment was conducted to determine the time-dependent extractability of sulfadiazine from soils and soil fractions. To this aim, sulfadiazine was applied to soils and soil fractions, each with or without manure-derived dissolved organic matter. The samples were incubated at 4°C in darkness for up to 72 d and afterwards sequentially extracted to quantify sulfadiazine fractions of different (bio)accessibility. Additionally, sorption kinetics and isotherms were determined for freshly-spiked sulfadiazine in soils and, partly, in soil fractions. The results show that sulfadiazine sorption to soil can be best described using the Freundlich equation. Yet, sorption exhibited substantial hysteresis, indicating an aging of sulfadiazine in soil within the observed time frame. In contrast, the affinity of sulfadiazine to mineral soil fractions was low and followed a linear sorption isotherm. In conclusion, organic carbon is the most important constituent influencing the sequestration of sulfadiazine in soil, while iron oxides participate in sorption reactions with sulfadiazine only to a minor degree. Additionally, the presence of manure-derived dissolved organic matter influences the sequestration of sulfadiazine in soils, especially in areas, where soil minerals are not covered with organic carbon. In summary, sulfadiazine and 4-hydroxysulfadiazine are quickly and to a large extend sequestered in soil, which makes their long-term fate in this environmental compartment a future research need.