Transport and fate of veterinary sulfonamide antibiotics in soil

Titelangaben

Park, Jong Yol:
Transport and fate of veterinary sulfonamide antibiotics in soil.
Bayreuth , 2015 . - XVII,123 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Sulfonamide antibiotics is one group of important pharmaceuticals in the veterinary medicine market. Discharge of antibiotics from wastewater treatment plants lead to their presence in river and groundwater. In agricultural regions, application of animal manure on crop lands is a major contamination path in the environmental matrices. Contamination by veterinary antibiotics should be managed with long-term perspectives. Most of past studies focused on the detection and monitoring of the veterinary antibiotics in agricultural land and water bodies. However, the studies provided only little quantitative knowledge on transport and fluxes of pharmaceuticals in the agricultural soils. The main purpose of this study is to investigate the transport processes of veterinary sulfonamide antibiotics (Sulfadimethoxine, Sulfamethazine, and Sulfamethoxazole) in agricultural soils in Haean catchment located in South Korea. In particular, we emphasized in detail: i) sorption and transport of the sulfonamides in structured and homogeneous soil columns, ii) distribution of the applied antibiotics in runoff and soil layer on sloped fields, iii) comparing the transport processes between sulfadimethoxine and sorbable/unsorbable tracers. In the batch sorption study, sorption of the all three sulfonamides was non-linear, and the Freundlich isotherm provided the best fits to the measured data. For all target sulfonamides, their sorbility to the soils decreased with increasing pH value of aqueous solutions in range of 4.0-8.0. An increasing sorption tendency was obtained in the following order: Sulfadimethoxine>Sulfamethoxazole> Sulfamethazine. Transport of the antibiotics in soils with different soil structures and pH conditions was quantitatively investigated with a numerical modelling program, HYDRUS-1D. The soil column studies using a conservative tracer, bromide and the antibiotics showed that an important transport mechanism in the natural soil columns can be preferential flow through macropore. A comparison of water flow and solute transport in natural and disturbed soil columns revealed that the transport processes were affected by the soil structure. The transport of the sulfonamides was typical non-equilibrium process, and their mobility was reduced with decreasing pH value. In the field campaigns, loss of the antibiotics varied between two sloped fields, and was related to the slope of the surface and precipitation. Heavy rainfalls during Monsoon season from 24 June, 2011 to 10. July, 2011 generated a huge amount of overland flow as well as seepage water in the soil layer. In accordance with the field measurements and modelling with HydroGeoSphere, water fluxes were higher for the more sloped site during the entire monsoon season. Among the sulfonamides, the mobility of sulfadimethoxine in the soil layers was relatively low. This reflects that the mobility of the sulfonamides was strongly dependent on their sorbility on soil materials. In the tracer experiments with Brilliant Blue FCF, image analysis for horizontal cross-sections of the soil columns showed that dye coverage was almost 100% in the upper 6 cm. Below the fully dye covered depth, the ratio of dye coverage decreased more rapidly for disturbed soils due to their homogeneous soil structure. Both lateral and vertical dispersion of bromide were higher compared to Brilliant Blue FCF and sulfadimethoxine, which demand more time to reach flow regions than bromide. This reflects that water flow does not coincide with transport of the sorbable solutes, Brilliant Blue FCF and the sulfonamide due to adsorption to soil materials. In summary, this thesis provided valuable knowledge about the transport phenomena of veterinary pharmaceuticals in agricultural soils. Through coupling of laboratory experiments, field campaigns and numerical modelling studies, major transport processes in soils can be quantitatively described. In this thesis, we present several recommendations, aiming at reducing the risk of pharmaceuticals in groundwater and surface water. In order to reduce residual amounts of the contaminants in the environment, direct application of animal faeces and urine to agricultural lands should be restricted. Preferential flow in macropores leads to fast movement of contaminants to deeper soil layers, which results in a high risk of groundwater pollutions. We suggests regular ploughing in order to remove rest of roots creating preferential flow paths. One important sources of the antibiotics in surface waters is runoff and soil erosion from agricultural lands. To reduce their input into surface waters, we recommend establishing buffer zones between agricultural fields and streams.

Abstract in weiterer Sprache

Sulfonamidantibiotika werden in großen Mengen in der Medizin vermarktet. Über kommunale Abwässer und Kläranlagen gelangen sie in Oberflächengewässer und ins Grundwasser. Auch der Einsatz von Tierarzneimitteln in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung und Teichwirtschaft gilt als Mitverursacher von Arzneimittelrückständen in der Umwelt. Sulfonamidantibiotika gelangen üblicherweise mit der Gülle und dem Stallmist auf landwirtschaftliche Felder und können durch Abschwemmung in Oberflächengewässer bzw. durch Versickerung ins Grundwasser gelangen. Die Kontamination der Umwelt mit Arzneimittelrückständen ist aus der Sicht des nachhaltigen Umweltschutzes nicht akzeptabel. Bisherige Studien fokussierten vor allem auf die Beschreibung des Vorkommens von Tierarzneimittelrückständen in landwirtschaftlichen Feldern und Gewässern. Diese Forschungen stellen jedoch nur wenige Ergebnisse bereit, aus denen quantitative Aussagen über Transportvorgänge abgeleitet werden können. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung von Transportprozessen ausgewählter Veterinärantibiotika der Sulfonamid-gruppe (Sulfadimethoxine, Sulfamethazine, Sulfamethoxazole) in Böden einer typischen landwirtschaftlichen Region im Haean Einzugsgebiet in Südkorea. Im Gegensatz zu bisherigen Forschungsarbeiten wurden Feldstudien mit numerischen Modellierungen und geeigneten Laborexperimenten, die die verschiedenen geohydraulischen Bedingungen in landwirtschaftlichen Böden mit Spurenstoffen beschreiben, kombiniert. Die Schwerpunkte dieser Arbeit können wie folgt beschrieben werden: i) die Beschreibung der Sorption und des Transports von Sulfonamiden in Bodensäulen mit verschiedenen Struktureigenschaften, ii) die Erfassung und Verteilung der Antibiotika in Oberflächenabfluss und den Bodenschichten in landwirtschaftlich genutzten Hängen während der Monsunzeit. iii) der Vergleich des Transportverhaltens von Sulfadimethoxin und sowohl sorbierbaren als auch nicht sorbierbaren Tracer in Bodensäulen. Die Sorption von 3 Sulfonamiden in den untersuchten Böden war bezüglich der Konzentration nicht-linear. Die ermittelten Messwerte wurden an verschiedene Gleichgewichtsisothermen nach der Methode der kleinsten Quadrate (least squares) angepasst. Die beste Anpassung wurde mit der Freundlich-Isotherme erzielt. Für alle auswählten Sulfonamide wurde bei pH-Werten zwischen 4.0 und 8.0 eine Zunahme der Sorption mit abnehmendem pH verzeichnet. Die Sorptionsfähigkeit war bei Sulfamethazine < Sulfamethoxazole < Sulfadimethoxine. Zur Modellierung des Transports von Antibiotika bei verschiedenen Bodenstrukturen und pH-Werten wurden mit Hilfe der Versuchsergebnisse die Parameter der Gleichgewichtsisothermen der Sulfonamide durch inverse Modellierung mit HYDRUS-1D ermittelt. Der Transport der Sulfonamide in den Bodensäulen aus koreanischen Feldern wird ferner durch hydraulische Parameter beeinflusst, die ebenfalls durch inverse Modellierung ermittelt wurden. Versuchsergebnisse mit Bromid (konservativer Tracer) und den Antibiotika zeigten, dass ein wichtiger Transportmechanismus im ungestörten Boden der präferenzielle Fluss entlang von Makroporen sein kann. Durch Unterschiede in der Porenstruktur bei natürlich gelagerten Böden und homogenen (gestörten) Böden ergibt sich eine Differenzierung des Transports von Sulfonamiden und Tracern. Der Transport aller Sulfonamide war durch ein Sorptionsgleichgewicht charakterisiert, das von pH-Werten deutlich beinflusst wurde. In den Feldkampagnen variiert der Verlust durch Oberflächenabfluss und Sickerung der Antibiotika zwischen zwei Hängen als Folge der Hangneigung. Starkregenereignisse während der Monsunzeitraums führten vom 24. Juni, 2011 bis 10. Juli, 2011 zu einer Aufteilung des Niederschlags in Oberflächenabfluss und Infiltration. Abflussbildung und der hiermit verbundene Verlust an Sulfonamiden war abhängig von Regenintensität und Steigung. Die Übereinstimmung von mit HydroGeoSphere ermittelten und gemessen Oberflächenabflüssen und Matrixpotentialen war akzeptabel. Die Stickwassermenge in den Versuchsfeldern wurde ausschließlich über Modellierung mit HydroGeoSphere ermittelt. Die Sickerwassermenge und der hiermit verbundene Austrag an Sulfonamiden aus Feld B war höher als Feld A. Da die Sulfadimethoxine relativ stark an die Bodenpartikeln sorbiert werden, gibt es insgesamt eine geringe Desorption und geringe Auswaschung aus dem Boden. Bezüglich der Mobilität von Sulfadimethoxin wurde somit eine langsame Verlagerung entlang der Fließstrecke im Boden festgestellt. Die Ergebnisse der Bildanalyse für horizontale Bodenabschnitte in den Tracer-Experimente zeigten, dass fast 100% der Oberflächen bei den ungestörten und gestörten Bodensäulen gefärbt waren. Bei den gestörten Böden reduzierte sich der Anteil an gefärbten Bereichen aufgrund des deutlich geringeren Makroporenanteils mit zunehmender Tiefe. Die vertikalen Verläufe der Bromidkonzentrationen in gestörten und ungestörten Böden zeigten ein langes ”Tailing“ aufgrund der intensiven lokalen Durchmischung. Im Gegensatz zum konservativen Tracer blieben Sulfadimethoxine und Brilliant Blue FCF weitgehend in den oberen Bereichen der untersuchten Säulen. Die horizontale Ausbreitung des Farbstoffs und des Antibiotikums wurden in den untersten 9 cm des Bodenprofils eingeschränkt. Insgesamt lässt sich feststellen, dass aufgrund der hohen Sorption die horizontale und vertikale Dispersion von Sulfadimethoxine und Brilliant Blue FCF gering war, obwohl eine relative hohe laterale Ausbreitung von Bodenwasser beobachtet werden konnte. Zusammenfassend konnte die Arbeit wertvolle neue Erkenntnisse über das Transportverhalten ausgewählter Veterinärantibiotika in landwirtschaftlichen Böden liefern. Durch die Kopplung von Laborexperimenten und Feldkampagnen mit nummerischen Modellstudien konnten Haupttransportprozesse in Böden beschrieben werden. Basierend auf den vorliegenden Ergebnissen werden in dieser Arbeit mehrere Vorschläge gemacht, um die Gefährdung und Belastungen in Grund- und Oberfläschengewässern durch Pharmaka zu vermindern. Um Einsatzmengen der Schadstoffe in der Umwelt zu reduzieren, sollte das direkte Ausbringen der Gülle und Stallmist auf Agrar- und Weideländern verboten werden. Der präferentielle Fluss in Makroporen kann das Risiko einer Grundwasserkontamination verstärken. Daher empfiehlt es sich regelmäßiges Pflügen zur Bodenvorbereitung, um den Restbewuchs des vorhergehenden Anbaus zu entfernen. Ein wichtiger Eintrag von Antibiotika in Fließgewässer ist der Transport von Bodenpartikeln aus landwirtschaftlichen Flächen über den Oberflächenabfluss. Daher empfehlen wir, Pufferzonen zwischen landwirtschaftlichen Flächen und Fließgewässern einzurichten, um damit den direkten Eintrag von Antibiotika zu reduzieren.