Kurzfassung Band 62

Bradel, P.L., Prost, K., Lehndorff, E. & Amelung, W. (2015): Steroid composition of different farmyard manures (horse and cattle) in the course of composting. Bonner Bodenkundliche Abhandlungen 62, 93 S.

Kurzfassung

Steroidbiomarker sind Substanzen, die genutzt werden, um Fäkaleinträge in der Umwelt

nachzuweisen und den jeweiligen Ursprung von Exkrementen zu identifizieren. Hierzu werden Steroidgruppen, wie Sterole, a-Stanole, ß-Stanole, Epi-ß-stanole, Stanone und Gallensäuren genutzt, deren unterschiedliche Gehalte in charakteristischen Verhältnissen zueinander stehen und so zusammen ein quellenspezifisches Steroidprofil ergeben.

Bislang ist jedoch noch nicht hinreichend bekannt, ob die Zuverlässigkeit dieser Verhältnisse gewährleitet bleibt, wenn die Steroidgruppen mikrobiellen Abbauprozessen unterliegen.

Die Spezifität von Steroidprofilen und damit die Genauigkeit der Verhältnisse zur Detektion und Identifikation von Fäkalien, könnten ihre Aussagekraft verlieren, wenn einzelne Steroide unterschiedlich schnell abgebaut werden.

Bisher ist nur die Stabilität einiger weniger Steroidgruppen durch Abbauversuche untersucht worden. Diese Versuche zeigten, dass Gallensäuren die stabilsten Steroide sind, gefolgt von a-Stanolen sowie den Fäkalmarkern Coprostanol und ß-Stigmastanol.

Um die Stabilität von Steroidbiomarkern zu überprüfen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit zwei Kompostversuche mit Rinder- und Pferdemist über einen Zeitraum von 168 Tagen angesetzt. Die für Kompostierungsprozesse charakteristischen hohen Temperaturen stellten dabei optimale Bedingungen für einen Abbau der im Pferde- und Rindermist enthalten Steroide dar. Ein Vergleich von kompostiertem und unkompostiertem Mist zeigte daher auch prozentuale Abnahmen der Steroidgehalte von 45-100% (Pferdemist) bzw. 87-99.8% (Rindermist). Mit prozentualen Abnahmen von 98.5-99.8% waren die als stabil geltenden Gallensäuren und Fäkalmarker am stärksten vom Abbau betroffen. Die für die abnehmenden Steroidgehalte des Rindermistes errechneten Regressionskurven und Halbwertszeiten (4,6-17,8 Tagen) zeigten, dass ein Steroidabbau vor allem während der ersten 28 Tage der Kompostierung stattfand. Am

14. Tag der Kompostierung konnten jedoch für die Pflanzensterole (Stigmasterol und ß-

Sitosterol) sowie für Cholesterol temporär steigende Gehalte beobachtet werden, die mit großer Wahrscheinlichkeit auf ihre verspätete Freisetzung aus dem im Mist enthaltenen Stroh zurückzuführen sind. So zeigten auch die Transformationsprodukte dieser Sterole einen verlangsamten Abbau über die Zeit. Im Gegensatz zu den Pflanzensterolen, die im weiteren Verlauf der Kompostierung primär abgebaut wurden, stiegen die Gehalte von Cholesterol und dessen Transformatiosprodukten a-Cholestanol und Coprostanon zum Ende der Kompostierung leicht an. Dieser Anstieg ist wahrscheinlich auf eine Steroidfreisetzung aus pilzlicher Biomasse zurückzuführen. Das Stanol 6-Ketocholestanol, das nicht in den ursprünglichen Mistproben enthalten war, wurde im Zuge der Kompostierung gebildet (Tag 7-56), anschließend jedoch komplett abgebaut. Diese Bildungsprozesse sowie die unterschiedlichen Abbauraten der einzelnen Steroide führten am Ende der Kompostierung zu veränderten Steroidprofilen beider Komposte im Vergleich zu ihren Ausgangssubstraten. So war es weder möglich kompostierten Rinder- und Pferdemist durch die Anwendung der oben erwähnten Verhältnisse als Fäkalien einzustufen, noch die jeweilige Herkunft des Mistes zu identifizieren.

Allerdings gelang es, durch den langsameren Abbau der Epi-ß-Stanole im Vergleich zu den ß- Stanolen, ein Verhältnis zu entwickeln, das zur Identifizierung von kompostierten Fäkalien genutzt werden kann: (Coprostanol + Epi-coprostanol) + (ß-Stigmastanol + Epi-ß-stigmastanol) Coprostanol ß-Stigmastanol

Abstract Band 62

Bradel, P.L., Prost, K., Lehndorff, E. & Amelung, W. (2015): Steroid composition of different farmyard manures (horse and cattle) in the course of composting. Bonner Bodenkundliche Abhandlungen 62, 93 S.

Abstract

Steroid biomarkers are used for the detection of faecal inputs in the environment as well as for their source identification. For this purpose, ratios between different, specific steroid groups (i.e. sterols, a-stanols, ß-stanols, epi-ß-stanols, stanones and bile acids) are utilized. However, there is evidence that bile acids comprise a greater stability than at least two other steroid groups (the a- and ß-stanols). The stability of all other groups has not yet been investigated by degradation experiments. Hence, the question arises if steroid profiles remain reliable over time.

To create a dissipation environment with high microbial activity and enhanced temperatures, two 168 days lasting compost trials were conducted, one with horse and one with cattle farmyard manure. According to previous studies, bile acids were expected to show the highest persistence, followed by a-stanols and the faecal markers (coprostanol and ß–stigmastanol).

In the course of composting, all steroid groups were subjected to dissipation with losses of 45-100% for the horse and 87-99.8% for the cattle farmyard manure, although composting parameters indicated a slightly inhibited dissipation process for the horse compared to the cattle farmyard manure. Regression curves and calculated dissipation half-lives (of 4.6–17.8 days) revealed for the cattle farmyard manure, a main dissipation of all steroids within the first 28 days. Especially bile acids and faecal markers were primarily affected by dissipation processes comprising the fastest dissipation rates and the largest content decreases (98.5-99.8%). Due to a release of plant sterols (stigmasterol and ß-sitosterol) and cholesterol in the course of straw degradation on day 14, temporary content increases of these sterols and a slower dissipation of their transformation products occurred. Plant sterols were further on mainly degraded. In contrast cholesterol as well as its transformation products a-cholestanol and coprostanone showed slight content increases to the end of composting, probably due to the release of cholesterol from the increasing fungal biomass.

One substance (6-ketocholestanol), originally not present in the initial faecal matter, was produced in the course of composting (days 7-56), but later on completely degraded. At the end of composting, different dissipation behaviours of single steroids resulted in changed steroid profiles compared to those of the initial farmyard manure. Therefore, it was neither possible to detect composted farmyard manure as faecal material nor to identify its sources with the commonly used ratios anymore. Apart from that, based on these specific changes in steroid profiles a ratio for the identification of composted faecal material could be developed and applied on both manure types:

(coprostanol + epi-coprostanol) + (ß-stigmastanol + epi-ß-stigmastanol)

coprostanol ß-stigmastanol