Behandlung von Wirtschaftsdüngern

Zu den Faktoren, die den Gehalt von Tierarzneimitteln in Wirtschaftsdüngern beeinflussen, zählen:

• Einsatzmenge des Tierarzneimittelwirkstoffs (siehe: Umweltaspekte bei Verabreichung von Tierarzneimitteln)
• chemische Stabilität des Wirkstoffs
• Adsorptionsneigung des Wirkstoffs
• Temperatur
• Sauerstoffgehalt des Düngers
• pH-Wert des Düngers
• Wassergehalt des Düngers
• Dauer der Lagerung

Einzelne Wirkstoffe können sich dabei sehr unterschiedlich verhalten. Oft zeigen Wirkstoffe keinen oder nur einen geringfügigen Abbau unter Bedingungen, die den Abbau von Stoffen einer anderen Wirkstoffgruppe stark fördern (siehe: Eintrag und Vorkommen von Tierarzneimitteln in der Umwelt).

Es gibt also kein einheitlich anwendbares Verfahren zur Verringerung aller Tierarzneimittelwirkstoffe in Wirtschaftsdüngern, aber für die Lagerung und Vergärung gibt es Faustregeln, deren Anwendung in den meisten Fällen den Eintrag von Tierarzneimitteln in die Umwelt mindern kann.

Die passive Lagerung von Wirtschaftsdüngern ist der gebräuchlichste Umgang mit Wirtschaftsdüngern tierischer Herkunft. Dabei wird das Material bis zur Ausbringung auf landwirtschaftliche Nutzflächen gesammelt und mit oder ohne Abdeckung gelagert, ohne dass gezielt weitere Behandlungen durchgeführt werden. Es entstehen Stapelmiste bzw. Flüssigmiste/Güllen, die in offenen oder geschlossenen Behältern gelagert werden.

Während der Lagerung werden zahlreiche Tierarzneimittel durch Mikroorganismen abgebaut, wobei der Abbau stark wirkstoffabhängig ist, sowie von der Temperatur und dem Sauerstoffgehalt des gelagerten Düngers beeinflusst wird(6).

Zahlreiche Versuche stellen hohe Abbauraten bei passiver Lagerung für die folgenden Tierarzneimittelgruppen fest:

• Tetrazykline
• Makrolide
• Progesteron

Durch die Novellierung der Düngeverordnung im Jahr 2020, wurden die Sperrfristen für die Wirtschaftsdüngerausbringung verlängert, weshalb der Wirtschaftsdünger länger gelagert werden muss. Ziel der Novellierung ist es, die Nitrateinträge in das Grundwasser zu verringern, gleichzeitig wirkt sich die längere Lagerung auch positiv auf den Tierarzneimittelabbau auf. Generell gilt, dass mit steigender Lagerdauer die Tierarzneimittelgehalte sinken. Dabei sollte - wenn möglich - keine weitere Gülle aufgefüllt, sondern auf eine lange Ruhelagerzeit geachtet werden, sodass der Abbau ungestört stattfinden kann. Ist das aufgrund voller Lagerkapazitäten nicht möglich, ist der Abbau zwar herabgesetzt, findet aber immer noch statt.

Die Lagerung von Wirtschaftsdüngern bringt auch weitere Effekte mit sich. Mit steigender Lagerdauer sinken nicht nur die Tierarzneimittelgehalte, sondern auch der Keimbesatz - ein positiver Effekt. Allerdings ist jede Lagerung mit Klimagasemissionen verbunden, welche umweltschädlich sind, sofern die Abgase nicht gezielt behandelt werden. Zudem können vor allem bei der Lagerung von Festmisten erhebliche Nährstoffverluste eintreten (insbesondere Stickstoff und Kalium), die aber durch die Art der Stapelung der Festmiste (z. B. Abdeckung) etwas verringert werden können.

Neuere wissenschaftliche Erkenntnisse empfehlen gegen Emissionen die Einführung von Ansäuerungssystemen bei der Güllelagerung. Diese führt zu einer erheblichen Reduktion von Stickstoffemissionen um bis zu 70 Prozent und ermöglicht gleichzeitig einen flexibleren Ausbringzeitpunkt, was die Planbarkeit verbessert und zu einer effizienteren Stickstoffnutzung durch die Pflanzen führt. Zudem wird durch das Ansäuern der Phosphor besser verfügbar, sowie die Schwefeldüngung bei Nutzung von Schwefelsäure integriert. Rechtliche Vorgaben, Sicherheitsbedenken beim Umgang mit Schwefelsäure als Gefahrgut, bürokratische Hürden und die Kosten bremsen aktuell die Verbreitung der Gülleansäuerung in der Praxis. Derzeit existieren noch relativ wenig Daten zu dem Überdauern von pathogenen Keimen in angesäuerter Gülle. Generell sollte zur Vermeidung von Krankheiten ein Güllekeller unter dem Stall aufgrund der Nähe zu den Tieren möglichst mit dem Rein-Raus-Prinzip im Stall gekoppelt, nach der Ausstallung ebenfalls zeitgleich entleert und mit in das Hygienekonzept integriert werden.

Fast alle Wirtschaftsdünger, stapelfähige wie flüssige, eignen sich grundsätzlich für eine Vergärung in einer Biogasanlage. Die Erzeugung von Biogas als Ersatz fossiler Energieträger ist in erster Linie der Grund, warum Gülle vergoren wird. Bei der Vergärung wird organische Masse unter Luftabschluss – daher wird sie als ‚anaerobe Vergärung‘ bezeichnet – zu Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂) abgebaut. In der Regel werden Biogasanlagen in einem Temperaturbereich zwischen 37 und 45 °C (mesophil) bzw. zwischen 50 und 55 °C (thermophil) geführt.

Der Stand der Forschung ist hier derzeit (Stand 2024) zum Teil widersprüchlich(6). Es gibt Hinweise darauf, dass eine anaerobe Vergärung den Abbau zahlreicher Tierarzneimittel beschleunigt. Mittlere bis hohe Abbaugrade konnten für Tierarzneimittel aus den Antibiotikagruppen der Tetrazykline, Sulfonamide und Makrolide beobachtet werden. Allerdings ist die anaerobe Vergärung bei bestimmten Wirkstoffen weniger effizient als die passive Lagerung bei stapelfähigen Wirtschaftsdüngemitteln (z. B. Chlortetrazyklin).

Untersuchungen zur Wirkung der Vergärungstemperatur, also zur Frage wie thermophiler oder mesophiler Betrieb der Biogasanlage sich auf die Reduktion der Tierarzneimittelgehalte auswirkt, kommen zu widersprüchlichen Ergebnissen(7,8). Klar hingegen ist, dass mit steigenden Aufenthaltszeiten im Biogasfermenter eine erhöhte Abbauleistung erreicht wird(9).

Neben dem Abbau zahlreicher Tierarzneimittel treten bei der Vergärung von Wirtschaftsdüngern auch andere Effekte auf. Vorteile sind neben einer Teilhygienisierung der weitgehende Erhalt aller Nährstoffe im System, eine Verringerung der NO_x und CH₄-Emissionen während der Lagerung, der Ersatz fossiler Energieträger durch regenerative Energien sowie eine Verringerung der Geruchsemissionen. Auch gibt es einen pflanzenbaulichen Vorteil: die Erhöhung der N-Düngewirkung von stapelbaren Substraten (Festmiste, aber auch pflanzliche Biomasse).

Festmist und Feststoffe aus der Fest-Flüssig-Separierung von Substraten wie Gülle oder Gärresten können kompostiert werden. Hauptziele der Kompostierung sind die Bildung eines stabilisierten Humus-Düngemittels, eine Geruchsminderung und verringerte Stickstoffverluste bei der Ausbringung.

Nahezu alle in der Literatur beschriebenen Versuche belegen eine Reduktion der Tierarzneimittel durch Kompostierung. Im Vergleich zu einer passiven Lagerung beschleunigt eine Kompostierung die Abnahme der messbaren Gehalte zahlreicher Tierarzneimittel und verkürzt die entsprechenden Halbwertszeiten(10,11,12), da eine mikrobielle Umsetzung unter Sauerstoffanwesenheit effizienter als unter Sauerstoffabwesenheit erfolgt. Die Kompostierung wird darüber hinaus als eine sehr effiziente Maßnahme zur Reduzierung der messbaren Konzentrationen von Kokzidiostatika sowie Sulfonamiden in Wirtschaftsdüngern angesehen.

Die Verringerung von Tierarzneimitteln kann bei der Kompostierung durch abiotische und biotische Prozesse oder eine Kombination beider erfolgen. Unter den abiotischen Prozessen spielen Adsorptionsreaktionen durch Anlagerung von Tierarzneimittelrückständen an die während der Kompostierung neu gebildete organische Substanz eine maßgebliche Rolle(13,14,15,16,17,18,19).

Ein starker Temperaturanstieg bei der Kompostierung kann zudem zu einer vorteilhaften, weitgehenden Hygienisierung des Düngemittels führen. Allerdings kann die Kompostierung von Wirtschaftsdüngemitteln tierischer Herkunft mit erheblichen schädlichen Klimagasemissionen verbunden sein, wenn diese nicht eingehäust und mit einer Abluftreinigung versehen erfolgt.

Wirkung der Kompostierung auf Eliminierungsrate und Halbwertzeiten von TMA in Wirtschaftsdüngern

Nahezu alle in der Literatur beschriebenen Versuche zur Kompostierung belegen eine Reduktion der messbaren Gehalte an Tierarzneimitteln in den untersuchten Komposten.

Source: Umweltbundesamt

Für die Zukunft sind mehrere Maßnahmen im Umgang mit Wirtschaftsdüngern denkbar. So könnte der Tierarzneimittelgehalt der Gülle in Überlegungen zur Weiterbehandlung einfließen.

Es werden auch innovative Verfahren zur industriellen Gülleaufbereitung entwickelt und in großtechnischen Versuchen getestet. Viele Verfahren konzentrieren die in der Gülle enthaltenen Makronährstoffe (Stickstoff, Phosphor und Kalium) auf. So existieren z. B. Fest-Flüssig-Separation, Trocknung, Ammoniakstrippung oder Phosphorfällung als Verfahren, die sich bereits als praxistauglich erwiesen haben, aber z. T. noch nicht wirtschaftlich genug sind. Ziel dieser Methoden ist es, Düngemittel herzustellen und die Nährstoffe aus der Gülle wiederzuverwenden. Andere Verfahren sind noch in der Erprobungsphase und werden vor allem deshalb entwickelt, um die Gaserträge in Biogasanlagen zu erhöhen. Alle diese Verfahren haben denkbare Effekte auf die in der Gülle enthaltenen Tierarzneimittel, jedoch wurden sie bisher nicht auf diese untersucht.

6. Eine Zusammenfassung der wissenschaftlichen Forschung zum Abbau einzelner Wirkstoffe in der Lagerung finden Sie in Kapitel 5 und in der Tabelle 10 (Anhang) von Vidaurre et al. (2016). 

7. Carballa, M., Omil, F., Ternes, T., Lema, J.M. (2007). Fate of pharmaceutical and personal care products (PPCPs) during anaerobic diges-tion of sewage sludge. Water Research 41, 2139-2150.

8. Varel, V.H., Wells, J.E., Shelver, W.L., Rice, C.P., Armstrong, D.L., Parker, D.B. (2012). Effect of an-aerobic digestion temperature on odour, coliforms and chlortetracycline in swine manure or monensin in cattle manure. Appl. Microbiol. 112, 705–715.

9. Mitchell, S.M., Ullmann, J.L., Teel, A.L., Watts, R.J., Frear, C. (2013). The effects of the antibiotics ampicillin, florfenicol, sulfamethazine, and tylosin on biogas production and their degradation efficiency during anaerobic digestion. Bioresource technology 149, 244-252.

10. Arikan, O.A., Sikora, L.J., Mulbry, W., Khan, S.U., Foster, G.D. 2007. Composting rapidly reduces levels of ex-tractable oxytetracycline in manure from therapeutically treated beef calves. Technol. 98, 169–176.

11. Arikan, O., Mulbry, W., Ingram, D., Millner, P. 2009b. Minimally managed composting of beef ma-nure at the pilot scale: effect of ma-nure pile construction on pile temperature profiles and on the fate of oxytetracycline and chlortetracycline. Bioresource Technolo-gy 100, 4447-4453.

12. Arikan, O., Mulbry, W., Rice, C. 2009a. Management of antibiotic residues from agricultural sources: use of composting to reduce chlortetracycline residues in beef manure from treated animals. Journal of Hazardous Materials 164, 483–489.

13. Golet, E.M., Alder, A.C., Giger, W. 2002. Environmental exposure and risk assessment of fluoroquinolone antibacterial agents in wastewater and river water of the Glatt Valley Watershed, Switzerland. Environmental Science & Technology 36, 3645-3651.

14. Golet, E.M., Xifra, I., Siegrist, H., Alder, A.C., Giger, W. 2003. Environmental exposure assessment of fluoroquinolone antibacterial agents from sewage to soil. Environ. Sci. Technol. 37, 3243–3249.

15. Wang, Q.-Q., S.A. Bradford, W. Zheng, S.R. Yates, 2006. Sulfadimethoxine Degradation Kinetics in Manure as Affected by Initial Concen-tration, Moisture, and Temperature. J. Environ. Qual. 35, 2162–2169.

16. Aust, V. 2013. Verfütterung von unbehandelter und pasteurisierter Sperrmilch und Tankmilch an Aufzuchtkälber: Auswirkungen auf Gewichtsentwicklung, Tiergesundheit und antimikrobielle Resistenzmuster fäkaler Bakterien. Doktorarbeit. Bibliothek der Tierärztlichen Hochschule Hannover.

17. Bao, Y., Zhou, Q., Guan, L., Wang, Y. 2009. Depletion of chlortetracycline during composting of aged and spiked manures. Waste Management 29, 1416–1423.

18. Kim, K.R., Owens, G., Ok, Y.S., Park, W.K., Lee, D.B., Kwon, S.I. 2012a. Decline in extractable anti-biotics in manure-based composts during composting. Waste Manage. 32, 110–116.

19. Liu, B., Li, Y., Zhang, X., Feng, C., Gao, M., Shen, Q. 2015. Effects of composting process on the dissipation of extractable sulfonamides in swine manure. Bioresource technology 175, 284-290.