Effekte von Sulfadiazin in Böden: Integrierte Modellierungsansätze als Basis für Risikobewertung

Sulfonamide gehören zu den Tierarzneimitteln mit höchstem Einsatzvolumen in der landwirtschaftlichen Praxis. Tierarzneimittel erreichen den Boden durch die Ausbringung von Gülle aus veterinärmedizinisch behandelten Tierbeständen auf landwirtschaftliche Nutzflächen. Negative Effekte der mit der Gülle in den Boden gelangenden Sulfonamid-Residuen können bislang nicht ausgeschlossen werden. Das zentrale Ziel der Dissertation "Effekte von Sulfadiazin in Böden: Integrierte Modellierungsansätze als Basis für Risikobewertung" war es, mechanistische Effektmodelle zu entwickeln und anzuwenden, mit deren Hilfe die Wirkung des Sulfonamids Sulfadiazin quantifiziert und simuliert werden können.
Als Basis für diese Untersuchungen dienten Experimente die im Rahmen der DFG-Forschergruppe "Tierarzneimittel in Böden" durchgeführt wurden. Die Dissertation stellt zunächst ein neu entwickeltes Modell zur Simulation der Nitrifizierung im Boden als zentralen Schritt der Stickstoffumformungen vor. Dieses Modell unterscheidet explizit die unterschiedlichen Beiträge von Ammonium-oxidierenden Bakterien (AOB) und Archaeen (AOA) und auch die jeweiligen Sensitivität dieser mikrobiellen Gruppen gegenüber SDZ. Mit Hilfe des Modells konnte die Signifikanz der AOA für die Nitrifikation nachgewiesen werden, der hemmende Effekt von SDZ auf die Nitrifikation mechanistisch erklärt sowie der wachstumshemmende Effekt von SDZ auf die sensiblen AOB quantifiziert werden.
Im weiteren wurden die Auswirkungen von Gülle und SDZ auf die Selektion von Antibiotikaresistenzen im Boden analysiert. Dazu wurde ebenfalls ein neues mathematisches Modell erstellt und angewendet, mit dessen Hilfe die relative Häufigkeit von Sulfonamidresistenzen in ihrem gemessenen Verlauf erklärt und simuliert werden konnte.
Der Wirkungsmechanismus von Sulfonamiden wurde im Folgenden durch ein mathematisches Modell verallgemeinert. Basierend auf enzymkinetischen Gleichungen wurde eine mechanistisch interpretierbare Dosis-Wirkungs-Beziehung zwischen der Dosis von Sulfonamiden im Allgemeinen und der wachstumshemmende Wirkung auf Mikroorganismen hergeleitet. Diese Beziehung wurde anhand von pH-abhängigen EC50-Werten aus der Literatur validiert. Mit Hilfe der Dosis-Wirkungsbeziehung können Effekte eines Sulfonamids für unterschiedliche pH-Werte und teilweise auch für andere Sulfonamide mit einer hohen Genauigkeit vorhergesagt werden. Zusammenfassend wurden die drei beschriebenen Effektmodell-Teile mit einem mechanistischen Effekt-Modell aus der DFG-Forschergruppe integriert und analysiert, um sich einer spezifischen Risikobewertung für die Residuen von bakteriostatisch wirksamen Antibiotika zu nähern. Basierend auf dem integrierten Modell wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem man aus Basis-Modell-Parametern einen Indikatorwert für die Abschätzung des Risikos von Antibiotika für bestimmte mikrobielle Endpunkte im Boden abschätzen kann.

Die Dissertation ist in gedruckter Form erhältlich im Verlag Dr. Hut unter der ISBN 978-3-86853-041-4. Bei Interesse kann die Dissertation auch als pdf-Dokument verschickt werden, Kontakt über die email-Adresse unten auf dieser Seite.