Fate of veterinary pharmaceuticals in soil

Abstract

Among other sulfonamides sulfadiazine (SDZ) is a widely used antimicrobial substance in intensive livestock production to prevent and treat diseases. Up to 40 % of the administered sulfonamides are eliminated as microbial active substances with the excretions. Antibiotics reach agricultural soils directly through grazing livestock or indirectly through the spreading of manure or sewage sludge on the field. Knowledge about the fate of antibiotics in soil is crucial to assess the environmental risk of these compounds, including possible transport to groundwater. Sorption, transport and transformation of 14C-labelled SDZ in a silty loam were investigated using batch-type and column experiments. <br /> The batch sorption/desorption experiments were conducted at various concentration levels (0.044 to 13 mg L^-1 initial solute concentration) and time-scales (0.75 to 272 days). Sorption of SDZ in the investigated soil was time-dependent and strongly non-linear with regard to the concentration. The time to reach apparent sorption equilibrium was about 20 days. However, 41 days were insufficient to reach the desorption equilibrium. <br /> Transport of ¹⁴C-labelled SDZ was investigated in disturbed soil columns at a constant flow rate (0.26 cm h^-1) near saturation. ¹⁴C-SDZ was applied in different concentrations (0.57 or 5.7 mg L^-1) for either short or long pulse duration (7 or 70 hours). Breakthrough curves (BTCs) of ¹⁴C-SDZ and the non-reactive tracer chloride were measured. At the end of the leaching period the soil concentration profiles were determined. The decreasing limbs of all BTCs are characterized by an extended tailing. The eluted mass fractions varied from 18 to 83 % after 500 hours of leaching. <br /> Inverse modeling techniques were used to identify relevant sorption processes of SDZ and its transformation products during the batch and column experiments. A three-site sorption model that exhibits fast and slow equilibrium sorption as well as irreversible sorption was required for the description of the batch and transport experiments. Despite the high flexibility of the proposed model concept, the description of the soil concentration profiles in the soil columns failed. The optimal parameter set differed among the three transport experiments and were also different from the set describing the sorption experiments best. <br /> In soil-water systems SDZ was transformed into N⁴-acetylsulfadiazine, hydroxysulfadiazine and an unidentified, polar transformation product. In the peak of the BTCs, 12 to 43 % of the leached radioactivity was composed of the transformation products. <br /> A model that considers reversible and irreversible kinetic sorption of SDZ with subsequent transformation of the reversibly bound species into a reversibly sorbing transformation product was able to describe the characteristic features of the BTCs and soil concentrations profiles. However, BTCs and soil concentration profiles could not be described simultaneously. Despite this incomplete process description, the obtained results are relevant to assess the transport behavior of sulfadiazine in the field.

<strong>Verhalten von Veterinärpharmaka im Boden - Eine experimentelle und numerische Studie zu Mobilität, Sorption und Transformation von Sulfadiazin</strong><br /> Neben anderen Sulfonamiden wird Sulfadiazin (SDZ) in der intensiven Tierhaltung pr äventiv und therapeutisch als Antibiotikum eingesetzt. Bis zu 40 % der verabreichten Sulfonamide werden als aktive Substanzen vom Organismus ausgeschieden. Durch weidende Tiere, Gülle- oder Klärschlammausbringung gelangen Antibiotika auf landwirtschaftlich genutzte Flächen. Kenntnisse über das Schicksal der Antibiotika im Boden sind entscheidend, um das Umweltrisiko und einen möglichen Austrag ins Grundwasser abschätzen zu können. Sorption, Transport und Transformation von ¹⁴C-markiertem Sulfadiazin in einem schluffigen Lehm wurden in Batch- und Säulenexperimenten untersucht. <br /> Die Sorptionsexperimente wurden in verschiedenen Konzentrationsstufen (0.044 bis 13 mg L^-1) und mit verschiedenen Kontaktzeiten (0.75 bis 272 Tage) durchgeführt. Die Sorption von SDZ im untersuchten Boden war zeitabhängig und bezüglich der Konzentration stark nichtlinear. Nach ca. 20 Tagen stellte sich ein scheinbares Sorptionsgleichgewicht ein. Zur Einstellung eines Desorptionsgleichgewichtes reichten 41 Tage nicht aus. <br /> Der Transport von ¹⁴C-markiertem SDZ wurde in gestörten Bodensäulen nahe Sättigung bei konstanter Flussrate (0.26 cm h^-1) untersucht. Die Applikation von Sulfadiazin erfolgte in verschiedenen Konzentrationen (0.57 oder 5.7 mg L^-1) über eine kurze oder lange Pulsdauer (7 oder 70 h). Die Durchbruchskurven von Sulfadiazin und dem konservativen Tracer Cl- wurden aufgenommen. Nach Beendigung des Beregnungsexperiments wurde das Konzentrationsprofil im Boden bestimmt. Die Durchbruchskurven sind durch ein ausgeprägtes Tailing gekennzeichnet. Die eluierten Massenanteile nach 500 Stunden Beregnung variierten zwischen 18 bis 83 %. Die inverse Modellierung wurde eingesetzt, um relevante Sorptionsprozesse von SDZ und seinen Transformationsprodukten während der Batch- und Säulenexperimente zu identifizieren. Drei Sorptionsdomänen mit schneller und langsamer reversibler sowie irreversibler Sorption waren für die Beschreibung der Batch- und Säulenexperimente notwendig. Trotz der Flexibilität dieses vorgeschlagenen Modellkonzeptes konnten die beobachteten Konzentrationsprofile in den Bodensäulen nicht beschrieben werden. Die optimalen Parametersätze variierten sowohl zwischen den drei Säulenexperimenten als auch zwischen Säulen- und Batchexperimenten. In Boden-Wasser Systemen wurde SDZ zu N⁴-Acetyl-sulfadiazin, Hydroxysulfadiazin und einem unidentifizierten, polaren Produkt transformiert. Diese Transformationsprodukte hatten einen Anteil von 12 bis 43 % an der eluierten Stoffmenge in den Peaks der Durchbruchskurven. <br /> Ein Model, das reversible und irreversible kinetische Sorption von SDZ mit anschließender Transformation des reversibel gebundenen Anteils in ein reversibel sorbierendes Transformationsprodukt berücksichtigt, war in der Lage, die Charakteristika der Durchbruchs-kurven und Konzentrationsprofile zu beschreiben. Jedoch konnten Durchbruchskurven und Konzentrationsprofile nie gleichzeitig beschrieben werden. Trotz dieser unvollständigen Prozessbeschreibung sind die erzielten Ergebnisse relevant für die Abschätzung des Feldverhaltens von SDZ.