Environmental risks from mixtures of antibiotic pharmaceuticals in soils - a literature review
Creators: name: Thiele-Bruhn, Sören
Publisher: name: My University
Year: 2019
Subjects: subject: Antagonismus
subject: Humanmedizin
subject: Mischungstoxizität
subject: Additiver Effekt
subject: Nebenwirkung
subject: additive effect
subject: adverse effect
subject: antagonism
subject: antibiotic combination
subject: pharmaceutical antibiotics
subject: organic waste material
subject: Chemicals

description: Zu der Thematik "Umweltrisiken für Böden aufgrund der Belastung mit Antibiotikagemischen" wurde eine Literaturstudie durchgeführt. Die generelle Zielsetzung war dabei Antibiotika zu identifizieren, die üblicherweise in der Veterinär- und Humanmedizin angewendet werden, Berichte über Gemische und Rückstandsgehalte von Antibiotika in Böden und organischen Abfallsubstraten, die wie z.B. Gülle als Dünger verwendet werden, auszuwerten, und Informationen zu bündeln, welche Effekte der Mischungstoxizität dies für Böden bzw. Boden(mikro)organismen bedeutet, und nicht zuletzt wesentliche Wissenslücken aufzudecken, um auf dieser Basis Schritte für weitere Forschung und Regulation vorzuschlagen. Antibiotika werden weltweit in großem Umfang und weiter zunehmend in der Human und Tiermedizin angewendet. Es ist bekannt, dass viele landwirtschaftlich genutzte Böden mit Antibiotika kontaminiert sind. Darüber hinaus muss davon ausgegangen werden, dass Böden nicht nur durch eine antibiotische Substanz, sondern durch Gemische von Antibiotikawirkstoffen kontaminiert sind. Dies ist von wesentlicher Bedeutung für die Umweltrelevanz, da die Ökotoxizität von Pharmazeutikagemischen typischerweise größer ist als von Einzelsubstanzen. Belastungen durch Stoffgemische entstehen unter anderem durch die Anwendung von Kombinationen verschiedener Antibiotika bzw. von Gemischen von Antibiotika mit anderen, synergistisch wirkenden Substanzen. Die Verwendung von Antibiotikagemischen nimmt in der Human- wie auch Veterinärmedizin stetig zu, wodurch sogar alte, früher aussortierte Wirkstoffe wieder verwendet werden. Zu den Effekten verschiedener Antibiotikagemische liegt eine breite Wissensbasis in der medizinischen und pharmazeutischen Literatur vor. Dagegen ist der Wissenstand über Antibiotika in der Umwelt deutlich geringer. Belastungen durch Antibiotikagemische in der Umwelt ergeben sich außer (i) durch die Anwendung von Kombinationspräparaten auch durch (ii) die Medikation unterschiedlicher Tierarten und Altersgruppen mit unterschiedlichen Antibiotika und anschließender Sammlung aller Exkremente in einem Gülletank sowie (iii) durch die nachfolgende, wiederholte Applikation kontaminierter Exkremente wie Gülle oder Klärschlamm auf landwirtschaftliche Flächen. So ergeben sich Belastungen von organischen Abfallsubstraten mit Gemischen von bis zu 20 oder mehr antibiotischen Einzelsubstanzen. Böden, die mit diesen Substraten gedüngt werden, weisen Gemische verschiedener, pharmazeutischer Antibiotika auf. Dies bestätigen Monitoringergebnisse mit bis zu 13 verschiedenen Antibiotika, die in Böden nachgewiesen wurden. Das vorliegende Wissen über Schadwirkungen von Antibiotika auf Bodenorganismen ist weitgehend auf Studien über Einzelsubstanzen beschränkt. Diese zeigen eindeutige, dosis-abhängige, schädliche Wirkungen von Antibiotika z.B. auf die mikrobielle Biomasse in Böden, die strukturelle Diversität mikrobieller Gemeinschaften und mikrobielle Funktionen in Böden. Zudem wurden in belasteten Böden zahlreiche Resistenzgene mit deutlich und signifikant erhöhter Abundanz nachgewiesen. Synergistische Kombinationen von Antibiotika können darüber hinaus zu einer noch verstärkten und schnelleren Resistenzbildung führen. Dies ist nicht nur für Antibiotikagemische, sondern auch für Gemische von Antibiotika mit anderen Substanzen festzustellen; im landwirtschaftlichen Kontext sind hier insbesondere Kupfer und Zink zu nennen. Die Effekte von Antibiotikagemischen können durch unterschiedliche Einflussfaktoren erheblich verändert werden. Dies sind unter anderem der untersuchte Endpunkt, die Konzentrationen der im Gemisch enthaltenen Substanzen, die Zeitabhängigkeit der antibiotischen Wirkung, wie auch Nährstoffe und Nährsubstrate im Boden. Außerdem be-stehen Wechselwirkungen zu allen anderen äußeren Randbedingungen, die die Fitness der Mikroorganismen beeinflussen, wie z.B. Hitze oder Frost. Auch der Verbleib und das chemische Verhalten von Antibiotika werden in Böden in Gegenwart von Schadstoffgemischen verändert. Hier ist insbesondere die Sorptionskonkurrenz zwischen unterschiedlichen Antibiotika zu nennen. Die dargelegten Erkenntnisse sollten nicht darüber hinwegtäuschen, dass der Wissensstand über die verschiedenen Teilaspekte der Thematik meist noch sehr unvollständig ist. Daher ist zielgerichtete, systematische Forschung notwendig, um weitere Informationen zu erhalten. Dazu werden drei aufeinander aufbauende Forschungsprojekte vorgeschlagen, die darauf zielen, das Systemverständnis über Schadstoffgemische in Böden zu verbessern. Diese Projekte werden idealerweise mit wissenschaftlichen Workshops kombiniert. Nicht zuletzt sollten diese Forschungsaktivitäten dazu führen bzw. dadurch begleitet werden, dass regulatorische Maßnahmen getroffen werden, die darauf abzielen, den Einsatz und die planvolle Handhabung von Antibiotika zu verbessern. Quelle: Forschungsbericht
description: A literature research was done on the topic of "environmental risks of mixed antibiotic contaminations in soils". Overall aims were to identify antibiotics that are typically applied in veterinary and human medicine, to evaluate reports on mixtures and contamination levels occurring in soils and in organic waste materials such as manure that are applied to soil as fertilizer, to find information, which mixture effects result from this for soils and soil (micro) organisms, and to identify major knowledge gaps and to propose further steps for research and regulation. Antibiotics are largely and increasingly consumed worldwide in human and veterinary medicine. It is well known that many agricultural soils are contaminated with antibiotics. Even more, it must be expected that contaminated soils not only contain one antibiotic but mixtures of several compounds. This has strong implications for the environmental relevance, since the ecotoxicity of a pharmaceutical mixture is typically higher than the effects of each individual component. Mixed contaminations occur for instance because the use of antibiotic combinations and/or of antibiotics mixed with other synergistic compounds is steadily increasing in human as well as veterinary medicine. Even old pharmaceuticals, sorted out in the past, are revived in new combinations. Comprehensive knowledge exists in pharmaceutical and medicinal literature, respectively, on the effects of various combinations of antibiotics. However, much less is known on antibiotics in the environment. Mixed antibiotics' contaminations in the environment may result from (i) the administration of combinations of antibiotics, (ii) the medication of different livestock animals and different live stages of the animals with different antibiotics and collection of all excreta in one manure tank and (iii) subsequent, repeated spreading of contaminated manure, sewage sludge or other organic waste materials onto agricultural fields. This results in contaminations of organic waste materials with mixtures of different antibiotics comprising up to 20 or more individual compounds. Consequently, soils fertilized with these substrates contain mixtures of different pharmaceutical antibiotics. This is supported by monitoring data of up to 13 antibiotics found in soil. Existing knowledge on adverse effects of antibiotics on soil organisms is largely restricted to studies with individual compounds, which show clear dose-dependent adverse effects for example on microbial biomass, or soil community structure and functions. Additionally, numerous resistance genes are found in contami-nated soils at a significantly and substantially increased abundance level. Synergistic antibiotic combinations can even lead to stronger and also faster resistance development. This applies not only for antibiotic mixtures but also for mixtures of antibiotics with other chemicals, which are in an agricultural context especially copper and zinc. Effects of antibiotic mixtures may be largely modulated by various influencing factors, i.e. the investigated endpoint and/or subject of analysis, the concentrations of the mixed compounds, the time-dependence of antibiotic effects, nutrients and nutrient substrates in soil. Furthermore, interactions exist with all other boundary conditions that affect the fitness of biota such as heat or frost. Also the fate of antibiotics may be altered in the presence of mixed contaminations, which is especially due to sorption competition in mixtures. Despite the outlined findings it must be stated that mostly incomplete knowledge exists on the various topics. More information from targeted, systematic research is needed. To this end, three successive research projects are proposed, aiming to increase the systematic knowledge on effects of mixtures in soil. The research would be ideally combined with scientific workshops. Not last, all these research efforts should lead to or even be flanked by regulatory measures for an improved use and management of antibiotics. Quelle: Forschungsbericht
description: The report summarizes the current knowledge on antibiotic contaminations in soils. The study raises concerns regarding the contamination of manure, anaerobic digestate and sewage sludge with antibiotic mixtures and discusses their ecotoxicological effects and spread of antimicrobial resistance in soils. Overall aims were mainly to identify antibiotic mixtures typically applied in veterinary and human medicine, to evaluate reports on mixtures and contamination levels occurring in soils and in organic waste materials applied to soil as fertilizer, to summarize mixture effects for soil(micro)organisms, and to identify major knowledge gaps to propose further steps for research and regulation.